范博文,張 懿,王 冠,孟令偉

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

制冷型紅外探測(cè)器由于其靈敏度高、分辨率高、探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì),幾乎壟斷了高端軍事裝備如末端制導(dǎo)、告警系統(tǒng)、軍事夜視偵查、紅外搜索和跟蹤、紅外探雷等領(lǐng)域。同時(shí),由于制冷型紅外探測(cè)器的小型化趨勢(shì),其在電力、熔煉、安防、醫(yī)藥等諸多非軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用也呈發(fā)展上升趨勢(shì)。

探測(cè)器組件降溫性能的優(yōu)劣依靠組件降溫時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)表征。探測(cè)器組件降溫時(shí)間短,降溫性能好,則能使探測(cè)器更快的進(jìn)行工作并輸出紅外圖像。“天下武功,唯快不破”,尤其是在軍事裝備中的應(yīng)用背景下,探測(cè)器組件能夠快速啟動(dòng)、掌握戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán),是作戰(zhàn)部隊(duì)“能打仗、打勝仗”的關(guān)鍵。在這樣的背景下,研究組件降溫機(jī)理,優(yōu)化組件結(jié)構(gòu),提高組件降溫性能變得尤為關(guān)鍵和重要。

本文以640×512紅外焦平面探測(cè)器制冷組件為例,通過(guò)分析了影響降溫時(shí)間的因素,制定優(yōu)化方案,完成組件制備和驗(yàn)證,以達(dá)到縮短降溫時(shí)間的目的。

2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

探測(cè)器內(nèi)部熱傳導(dǎo)致冷的冷量傳遞路徑如圖1所示。冷量由斯特林制冷機(jī)產(chǎn)生,經(jīng)由杜瓦內(nèi)部冷指冷臺(tái)金屬結(jié)構(gòu),傳導(dǎo)至使用粘接劑與冷臺(tái)耦合的結(jié)構(gòu)件,再經(jīng)過(guò)電學(xué)引出框架,最終傳導(dǎo)至探測(cè)器芯片[1]。

圖1 探測(cè)器結(jié)構(gòu)冷量熱傳導(dǎo)路徑

熱傳導(dǎo)過(guò)程的熱流率可由下式計(jì)算:

(1)

式中,Ф為熱流率,單位為瓦特(W);tw1、tw2為固體壁面溫度;δ為物體厚度;A為傳熱面積;λ為導(dǎo)熱系數(shù),單位是W/mK,是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的量度,導(dǎo)熱系數(shù)越大,物體熱傳導(dǎo)能力越強(qiáng)。所以從理論上,可以提高熱傳導(dǎo)熱流率的方法有提高傳熱材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),降低傳熱材質(zhì)的傳熱厚度,提高傳熱面積以及提高傳熱材質(zhì)壁面間溫差。熱傳導(dǎo)方式冷量的傳遞經(jīng)由冷指冷臺(tái)金屬結(jié)構(gòu)、冷臺(tái)-結(jié)構(gòu)件粘接劑、結(jié)構(gòu)件、電學(xué)引出框架最終傳遞至探測(cè)器芯片,以傳熱學(xué)的熱阻理論,各結(jié)構(gòu)間熱阻是單線串聯(lián)方式,如圖2

所示。理論上,提高上述各結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)熱流率都會(huì)提高整體的熱傳導(dǎo)熱流率。

圖2 熱阻串聯(lián)

Fig.3 Thermal resistance series

由于探測(cè)器芯片直接粘接與電學(xué)框架表面進(jìn)行粘接,對(duì)于電學(xué)框架及芯片-框架粘接膠狀態(tài)的改變可能會(huì)導(dǎo)致芯片降溫時(shí)內(nèi)部熱應(yīng)力狀態(tài)的變化[2],從而影響芯片性能,同時(shí),考慮到電學(xué)框架的厚度相對(duì)較薄,在熱傳導(dǎo)中所占熱阻比重較小,故本文的優(yōu)化方案中不涉及電學(xué)框架狀態(tài)的更改。下文從冷指冷臺(tái)材料、冷臺(tái)-結(jié)構(gòu)件粘接劑、結(jié)構(gòu)件形狀與材料這幾個(gè)維度進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。

(1)結(jié)構(gòu)件優(yōu)化

現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)件材質(zhì)為氧化鋁。經(jīng)過(guò)調(diào)研,氮化鋁陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)較現(xiàn)有的氧化鋁陶瓷有較大的優(yōu)勢(shì),且氮化鋁陶瓷材料其他力學(xué)性能與現(xiàn)有的氧化鋁陶瓷材料接近,可作為結(jié)構(gòu)件優(yōu)化的替代材料之一[3]；另外,碳化硅材料也可作為結(jié)構(gòu)件材料,其導(dǎo)熱系數(shù)介于氧化鋁陶瓷與氮化鋁陶瓷材料之間,比熱容更低,熱膨脹系數(shù)與硅讀出電路更匹配[4],加工難度小,加工工藝一致性更強(qiáng)[5]。上述三種結(jié)構(gòu)件材料的相關(guān)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)件材料相關(guān)性能參數(shù)(293 K)

現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)件外形為倒梯形結(jié)構(gòu)(如圖3(a)所示),其優(yōu)點(diǎn)為與電學(xué)框架接觸面積較大,傳熱面積更大,缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)件重量大,導(dǎo)致其熱容較大,降溫較慢,同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,加工中容易出現(xiàn)崩邊和應(yīng)力損傷等缺陷。由于結(jié)構(gòu)件的厚度影響到探測(cè)器整體的光學(xué)接口,故不進(jìn)行修改。從降低結(jié)構(gòu)件熱容的角度出發(fā),將結(jié)構(gòu)件由倒梯形改為體積更小的圓柱形結(jié)構(gòu)(如圖3(b)所示)。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)件傳熱面積有所減小,但其重量明顯降低,熱容隨之降低,同時(shí)提高了結(jié)構(gòu)件加工一致性和成品率。

(a)倒梯形結(jié)構(gòu)件 (b)圓柱形結(jié)構(gòu)件

圖3 倒梯形結(jié)構(gòu)件與圓柱形結(jié)構(gòu)件

Fig.3 Inverted trapezoidal structural member and cylindrical one

結(jié)合對(duì)結(jié)構(gòu)件材質(zhì)和外形兩個(gè)維度的考慮,最終確定使用氮化鋁圓柱與氧化鋁圓柱這兩款結(jié)構(gòu)件優(yōu)化方案。

(2)冷臺(tái)-結(jié)構(gòu)件粘接劑優(yōu)化

金屬冷臺(tái)與陶瓷結(jié)構(gòu)件通過(guò)環(huán)氧粘接劑進(jìn)行粘接。在粘接劑的厚度及粘接面積不變的情況下,提高粘接劑的導(dǎo)熱系數(shù)是提高粘接劑熱傳導(dǎo)熱流率的主要途徑。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,能夠進(jìn)行冷臺(tái)-結(jié)構(gòu)件粘接的粘接劑有兩款,兩款粘接劑的部分參數(shù)如表2所示。

表2 粘接劑部分參數(shù)

現(xiàn)有工藝使用的粘接劑為B型。B型粘接劑在導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)上優(yōu)于A型粘接劑,在提高熱傳導(dǎo)熱流率方面上使用B型粘接劑降溫性能更優(yōu)。由于粘接劑的力學(xué)強(qiáng)度影響著組件整體的環(huán)境適應(yīng)性,在力學(xué)強(qiáng)度及膨脹系數(shù)匹配方面,A型粘接劑較B型粘接劑力學(xué)強(qiáng)度更高,膨脹系數(shù)與金屬及陶瓷更加匹配。故方案設(shè)計(jì)同時(shí)考慮以上兩款粘接劑,在滿足組件的環(huán)境適應(yīng)性的前提下,優(yōu)選降溫性能更好的方案。

(3)冷指-冷臺(tái)材料優(yōu)化

冷指結(jié)構(gòu)為薄壁管,減小由冷指?jìng)鲗?dǎo)引起的杜瓦漏熱,從而既降低制冷機(jī)的熱負(fù)載,又能夠保證較高的強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,目前能夠使用于本文所研究的探測(cè)器組件的冷指-冷臺(tái)結(jié)構(gòu)有兩款,兩款結(jié)構(gòu)的部分參數(shù)如表3所示。

表3 冷指-冷臺(tái)結(jié)構(gòu)部分參數(shù)

該款探測(cè)器組件現(xiàn)有工藝使用的冷指材料為A型,A型冷指-冷臺(tái)結(jié)構(gòu)在導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)上高于B型結(jié)構(gòu),在提高熱傳導(dǎo)熱流率方面上,使用A型結(jié)構(gòu)降溫性能更優(yōu)。但為了驗(yàn)證冷指-冷臺(tái)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能差異對(duì)探測(cè)器組件整體降溫性能的影響,方案設(shè)計(jì)時(shí)加入B型冷指-冷臺(tái)結(jié)構(gòu)作為對(duì)照。

綜合上述分析,設(shè)計(jì)試制四只優(yōu)化方案探測(cè)器組件,用于交叉對(duì)比驗(yàn)證。為了驗(yàn)證優(yōu)化方案組件的環(huán)境可靠性,對(duì)其進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)試驗(yàn)及振動(dòng)實(shí)驗(yàn),優(yōu)化方案統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 優(yōu)化方案統(tǒng)計(jì)表

3 驗(yàn)證結(jié)果分析

(1)降溫時(shí)間對(duì)比

為了減少其他工藝因素對(duì)組件降溫時(shí)間驗(yàn)證過(guò)程的影響,本項(xiàng)目工藝過(guò)程中嚴(yán)格控制工藝參數(shù),結(jié)構(gòu)件粘接使用貼片儀進(jìn)行,固化條件保持一致并在測(cè)試降溫時(shí)間時(shí)適配相同制冷機(jī)。各方案測(cè)得的降溫時(shí)間如表5所示。

表5 降溫時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

交叉對(duì)比四種優(yōu)化方案的降溫時(shí)間,可以定性分析采用不同優(yōu)化方案對(duì)探測(cè)器降溫性能的影響:

對(duì)比方案1與方案2,方案1采用B型粘接劑而方案2采用A型粘接劑,由于B型粘接劑在導(dǎo)熱系數(shù)上優(yōu)于A型粘接劑,故在實(shí)際驗(yàn)證時(shí)方案1的降溫性能較方案2更優(yōu)；

對(duì)比方案1與方案3,方案1采用氮化鋁結(jié)構(gòu)件而方案3采用碳化硅結(jié)構(gòu)件,由于氮化鋁材質(zhì)在導(dǎo)熱系數(shù)上優(yōu)于碳化硅材質(zhì),故在實(shí)際驗(yàn)證時(shí)方案1的降溫性能較方案3更優(yōu)；

對(duì)比方案1與方案4,方案1采用A型冷指-冷臺(tái)結(jié)構(gòu)而方案4采用B型冷指-冷臺(tái)結(jié)構(gòu),由于B型粘接劑在導(dǎo)熱系數(shù)上優(yōu)于A型粘接劑,故在實(shí)際驗(yàn)證時(shí)方案1的降溫性能較方案2更優(yōu)。

可知,四種優(yōu)化方案組件的降溫時(shí)間均比對(duì)照組的平均降溫時(shí)間有明顯的減少,這說(shuō)明優(yōu)化方案從實(shí)驗(yàn)上符合上文理論分析的結(jié)果。

(2)可靠性對(duì)比

可靠性對(duì)比為了驗(yàn)證優(yōu)化后的封裝方案能夠滿足組件環(huán)境可靠性的要求,需要對(duì)四只優(yōu)化后的探測(cè)器組件進(jìn)行環(huán)境可靠性實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證方法包括開(kāi)關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。表6、表7分別展示了開(kāi)關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)及振動(dòng)實(shí)驗(yàn)要求。

表6 開(kāi)關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)要求

表7 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)要求

四只探測(cè)器組件經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)機(jī)驗(yàn)證后測(cè)試性能均正常。隨后對(duì)四只探測(cè)器進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)后測(cè)試性能,方案1組件出現(xiàn)探測(cè)器芯片無(wú)法到溫的異常情況。解剖探測(cè)器之后發(fā)現(xiàn)該探測(cè)器結(jié)構(gòu)件與冷臺(tái)粘接膠失效斷裂。顯微照片可見(jiàn)(圖4),固化后的粘接劑大部分附著于冷臺(tái)一側(cè),這說(shuō)明粘接劑與冷臺(tái)之間的粘接強(qiáng)度無(wú)異常,失效界面為粘接劑與結(jié)構(gòu)件的接觸面。

經(jīng)分析,導(dǎo)致該失效現(xiàn)象的原因有二。一是粘接強(qiáng)度不足:結(jié)構(gòu)件優(yōu)化后,結(jié)構(gòu)件與粘接劑的粘接面積有所減少,同時(shí)由于B型粘接劑的粘接強(qiáng)度較A型低,兩個(gè)原因最終綜合表現(xiàn)為粘接強(qiáng)度不足；二是冷臺(tái)結(jié)構(gòu)材質(zhì)與結(jié)構(gòu)件材質(zhì)熱膨脹系數(shù)不匹配和降溫速率加快導(dǎo)致粘接界面熱應(yīng)力增大:優(yōu)化前,冷臺(tái)材料和結(jié)構(gòu)件材料的熱膨脹系數(shù)分別為6.4×10-6/K和7×10-6/K,方案1組件冷臺(tái)材料和結(jié)構(gòu)件材料的熱膨脹系數(shù)分別為6.4×10-6/K和4.2×10-6/K,較優(yōu)化前的熱膨脹系數(shù)差更大,這就導(dǎo)致在溫度發(fā)生變化時(shí)界面間熱應(yīng)力也更高,從而誘發(fā)粘接劑的失效斷裂[6]。

圖4 失效表面顯微照片(冷臺(tái))

4 結(jié) 論

通過(guò)本文上述分析可知,提升探測(cè)器組件的降溫性能應(yīng)綜合以下幾方面因素進(jìn)行優(yōu)化:

1)選擇比熱容小、導(dǎo)熱系數(shù)高的材料,以提高傳熱速度,減小熱阻;

2)盡量選擇熱膨脹系數(shù)較為匹配的材料,以適應(yīng)低溫工作環(huán)境；

3)涉及粘接工藝時(shí),盡量選擇粘接強(qiáng)度高的粘接劑,以提高環(huán)境可靠性。

綜合以上因素可得出結(jié)論,本文研究的640×512紅外焦平面探測(cè)器組件降溫性能較好的方案為使用氮化鋁材質(zhì)的圓形結(jié)構(gòu)件,冷頭采用可伐材料,使用A型粘接劑。降溫時(shí)間從6′05″縮短至4′54″,性能優(yōu)化幅度達(dá)20 %。