熊 雄,段 煜,胡明燈,李銳平,杜 宇,毛劍宏
640×512小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件可靠性研究
熊 雄,段 煜,胡明燈,李銳平,杜 宇,毛劍宏
(浙江玨芯微電子有限公司,浙江 麗水 323000)
在SWaP3(Size, Weight, and Power, Performance and Price)概念的驅(qū)使下,第三代制冷紅外探測(cè)器向著高性能、小型化和輕量化的方向發(fā)展。作為軍用核心電子元器件,制冷紅外探測(cè)器的可靠性成為研究的重點(diǎn)。以浙江玨芯微電子有限公司所研制的640×512/15mm小型化杜瓦組件為研究對(duì)象,開(kāi)展了系統(tǒng)性的可靠性研究與試驗(yàn),涉及到力學(xué)、熱力學(xué)、多余物和真空壽命四個(gè)維度。經(jīng)各項(xiàng)可靠性試驗(yàn)后,640×512/15mm小型化杜瓦組件的性能保持良好,該結(jié)果表明此杜瓦組件在總體上具有較高的可靠性,能夠滿足常規(guī)軍事應(yīng)用需求。
紅外探測(cè)器;杜瓦組件;小型化;可靠性
制冷紅外探測(cè)器由于其識(shí)別能力強(qiáng)、抗干擾能力好以及被動(dòng)探測(cè)等特性,在軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著系統(tǒng)的集成化、高效化技術(shù)的突破,驅(qū)使紅外探測(cè)器向著SWaP3(Size, Weight, Power, Price, Performance)的方向發(fā)展。高性能、小型化和輕量化的實(shí)現(xiàn),向紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)、工藝及制造過(guò)程引入了更具挑戰(zhàn)性的可靠性問(wèn)題。除此之外,隨著人類(lèi)海陸空天活動(dòng)范圍的擴(kuò)大,作戰(zhàn)領(lǐng)域日益多樣化,紅外探測(cè)器面臨的環(huán)境更加復(fù)雜多變,因此對(duì)于其可靠性的考驗(yàn)將更加嚴(yán)苛。
制冷紅外探測(cè)器杜瓦組件是保證整機(jī)穩(wěn)定服役的關(guān)鍵,它不僅是芯片的光、機(jī)、電、熱通道,也是保護(hù)芯片的屏障。真空是杜瓦組件最重要的指標(biāo)之一,真空失效也是杜瓦組件后期最主要的失效模式,一直以來(lái)關(guān)于杜瓦組件可靠性研究,主要集中在真空可靠性方面。法國(guó)Sofradir公司對(duì)杜瓦組件進(jìn)行高溫貯存試驗(yàn),其杜瓦組件具有較好的真空可靠性,可在80℃下持續(xù)烘烤405天[1-3];昆明物理研究所從材料放氣特性的角度出發(fā)研究杜瓦組件真空可靠性,提出了放氣量測(cè)試的方案[4];中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所為研究杜瓦組件的真空可靠性,確定了杜瓦組件真空失效時(shí)的極限真空度,并提出了提高其真空可靠性的措施[5]。
除了真空可靠性之外,杜瓦組件的力學(xué)可靠性和熱力學(xué)可靠性也應(yīng)受到足夠的重視。力學(xué)可靠性決定了杜瓦組件在實(shí)際應(yīng)用中抗振動(dòng)沖擊的能力,熱力學(xué)可靠性則是判斷杜瓦組件是否具有良好的環(huán)境耐受性和抗應(yīng)力應(yīng)變能力的依據(jù)。關(guān)于杜瓦組件力學(xué)可靠性的研究,中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所提出可采用冷指氣缸頂端輔助加固的方法對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)化,還可通過(guò)減輕冷頭重量來(lái)提高組件結(jié)構(gòu)的一階共振頻率,以此增強(qiáng)杜瓦組件的力學(xué)可靠性[6]。關(guān)于杜瓦組件熱力學(xué)可靠性研究,上海技術(shù)物理研究所提出了陶瓷基板技術(shù),以實(shí)現(xiàn)AlN陶瓷的熱導(dǎo)率控制,從而改善冷頭結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力問(wèn)題,提高杜瓦組件的熱力學(xué)可靠性[6]。
目前尚未見(jiàn)到關(guān)于小型化杜瓦組件可靠性系統(tǒng)研究與試驗(yàn)的報(bào)道?;讷k芯微電子已研制的小型化中波640×512/15mm制冷紅外探測(cè)器組件(外形尺寸為119.6mm×80mm×46.5mm,重量小于350g),本文以其中尺寸為30mm×85mm,重量小于55g的小型化杜瓦組件作為研究對(duì)象,開(kāi)展了系統(tǒng)性的可靠性研究與試驗(yàn),涉及到力學(xué)、熱力學(xué)、多余物和真空壽命四個(gè)維度。640×512/15mm小型化紅外探測(cè)器組件及成像效果圖在圖1中給出,其杜瓦組件外形如圖2所示。
圖1 640×512小型化紅外探測(cè)器組件(a)及成像效果圖(b)
圖2 640×512小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件
杜瓦組件是由數(shù)十個(gè)不同材料的零部件集成在一起的微系統(tǒng),零部件之間的力學(xué)相互作用方式和各自的固有頻率都影響杜瓦組件的力學(xué)可靠性。從整體結(jié)構(gòu)對(duì)640×512小型化杜瓦組件進(jìn)行理論計(jì)算和仿真分析,以仿真結(jié)果作為指導(dǎo),不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)與工藝來(lái)提升力學(xué)可靠性,例如優(yōu)化材料選擇、加固結(jié)構(gòu)、優(yōu)化焊接工藝、加固鍵合引線等。圖3為小型化杜瓦組件的固有頻率仿真模擬圖,從仿真結(jié)果中可知,理論上該型號(hào)杜瓦組件的一階共振頻率超過(guò)2000Hz。
圖3 640×512小型化杜瓦組件固有頻率仿真圖
小型化杜瓦組件包含多條不同材料、結(jié)構(gòu)、焊接方式的氣密性焊縫,從連接接頭的微觀結(jié)構(gòu)分析入手,來(lái)確定杜瓦組件結(jié)構(gòu)件的力學(xué)可靠性。通過(guò)對(duì)該小型化杜瓦組件的界面焊縫進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析,從表征結(jié)果來(lái)看,所有焊接接頭的界面焊縫及附近區(qū)域無(wú)明顯缺陷,焊縫兩側(cè)的材料已經(jīng)完全熔為一體,證明杜瓦連接件之間已形成了良好的冶金結(jié)合。
杜瓦組件力學(xué)可靠性試驗(yàn)的主要目的是判定其耐受振動(dòng)沖擊的能力,因?yàn)橹评浼t外探測(cè)器在運(yùn)輸和服役過(guò)程中最常面臨的是振動(dòng)沖擊工況,相應(yīng)開(kāi)展的力學(xué)試驗(yàn)主要包括固有頻率測(cè)試、連接強(qiáng)度試驗(yàn)和振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。
經(jīng)固有頻率測(cè)試,該杜瓦組件的一階固有頻率達(dá)到2300Hz。經(jīng)連接強(qiáng)度試驗(yàn),杜瓦組件焊接界面具有與接頭材料相當(dāng)?shù)牧W(xué)強(qiáng)度。經(jīng)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)(試驗(yàn)參數(shù)如圖4、圖5所示),杜瓦組件所能耐受的振動(dòng)量級(jí)達(dá)到12.2,沖擊量級(jí)達(dá)到100。以上試驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)杜瓦組件力學(xué)可靠性的研究與優(yōu)化,640×512小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件的力學(xué)性能已達(dá)到了較高水準(zhǔn),足以勝任絕大多數(shù)應(yīng)用需求。
在制冷紅外探測(cè)器實(shí)際工作過(guò)程中,杜瓦組件作為保護(hù)芯片的屏障,必須擁有優(yōu)秀的環(huán)境溫度適應(yīng)性。為增強(qiáng)杜瓦組件的環(huán)境溫度適應(yīng)性,從連接件結(jié)構(gòu)入手,設(shè)計(jì)了更易于焊接的結(jié)構(gòu)和配套的精密工裝,并優(yōu)化了相關(guān)制造工藝。
圖4 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)
圖5 沖擊試驗(yàn)參數(shù)
為了對(duì)杜瓦組件的環(huán)境溫度適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證和篩選,采用了全面高于《GJB 8674-2015》[7]中有關(guān)溫度沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn),采用“兩箱式”溫度沖擊試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為:低溫-55℃,高溫85℃,極限溫度下保溫2h,溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間<10s。
經(jīng)500次溫度沖擊循環(huán)后,杜瓦組件的力學(xué)結(jié)構(gòu)和真空結(jié)構(gòu)保持完好。結(jié)果表明640×512小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件具有良好的環(huán)境溫度適應(yīng)性,能夠適應(yīng)從-55℃到85℃的環(huán)境溫度劇變。
由于制冷紅外探測(cè)器芯片需要在極低的溫度下工作,因此在探測(cè)器開(kāi)關(guān)機(jī)的過(guò)程中,杜瓦組件冷頭不斷經(jīng)歷著常溫-低溫-常溫的溫度沖擊循環(huán)。由于杜瓦組件冷頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜,材料間的物理性質(zhì)差異大,在溫度沖擊的過(guò)程中各零件的熱脹冷縮形變量差異將引起較大的熱應(yīng)力,導(dǎo)致冷頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微形變,嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接引起結(jié)構(gòu)失效,因此對(duì)杜瓦組件冷頭抗溫變性能的研究和試驗(yàn)都十分有必要。采用Ansys軟件對(duì)冷頭結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力、形變等進(jìn)行分析,優(yōu)化冷頭疊層結(jié)構(gòu),優(yōu)選各零件的材料,控制芯片裝載面的溫度均勻性。其中,重點(diǎn)通過(guò)不斷優(yōu)化改進(jìn)冷臺(tái)、應(yīng)力平衡層和基板的材料和結(jié)構(gòu),來(lái)提升杜瓦組件冷頭抗溫變性能。
以法國(guó)Sofradir公司所生產(chǎn)的Leo系列探測(cè)器的降溫速率作為參考載荷(工作溫度為77K),在快速降溫的情況下,對(duì)小型化杜瓦冷頭熱應(yīng)力分布情況進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖6所示。從圖中可看出,在FPA(Focal Plane Array)上的熱應(yīng)力分布均勻,仿真結(jié)果表明杜瓦冷頭經(jīng)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)克服了降溫過(guò)程中FPA熱應(yīng)力集中的問(wèn)題,能有效保障芯片的可靠性。圖7為杜瓦組件冷頭形變圖,從圖中可知在快速降溫時(shí),此結(jié)構(gòu)的整體形變差小于8mm,其中FPA上的形變差約1mm。
圖6 經(jīng)優(yōu)化后的杜瓦組件冷頭應(yīng)力分布圖
圖7 經(jīng)優(yōu)化后的杜瓦組件冷頭形變圖
為進(jìn)一步確認(rèn)FPA的情況,結(jié)合實(shí)際工況進(jìn)行仿真分析。當(dāng)邊界條件確定時(shí),F(xiàn)PA的溫度場(chǎng)分布如圖8所示,可看出當(dāng)FPA溫度降至77K左右時(shí),該結(jié)構(gòu)裝載面溫度場(chǎng)分布均勻,F(xiàn)PA上的溫度均勻性接近0.15K。
以上仿真結(jié)果表明該杜瓦組件冷頭結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較好的抗溫變性能,能夠保證FPA在快速降溫的情況下正常工作。以仿真結(jié)果作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)際服役條件,對(duì)640×512小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件冷頭進(jìn)行了抗溫變性能試驗(yàn),試驗(yàn)內(nèi)容包括液氮沖擊試驗(yàn)和開(kāi)關(guān)機(jī)試驗(yàn)。每組樣品數(shù)為6個(gè),每個(gè)樣品累積進(jìn)行3000次液氮沖擊和2000次開(kāi)關(guān)機(jī)試驗(yàn)后,對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。
圖8 經(jīng)優(yōu)化后的杜瓦組件FPA溫場(chǎng)分布圖
經(jīng)3組樣品測(cè)試后,探測(cè)器性能未見(jiàn)明顯變化,盲元率、響應(yīng)率非均勻性和NETD等關(guān)鍵性能指標(biāo)均保持在與之前幾乎一致的水平,其中某杜瓦組件樣品試驗(yàn)前后芯片關(guān)鍵性能在表1中列出,圖9為該樣品抗溫變性能試驗(yàn)前的芯片盲元分布情況(圖9(a))及試驗(yàn)后的分布情況(圖9(b)),從圖中可看出試驗(yàn)后的盲元分布情況幾乎與試驗(yàn)前一致,未出現(xiàn)盲元大幅增加的情況。
表1 640×512小型化杜瓦組件試驗(yàn)前后芯片關(guān)鍵性能比較
通過(guò)對(duì)小型化杜瓦組件冷頭的熱力學(xué)仿真分析和工程實(shí)踐優(yōu)化,經(jīng)液氮沖擊和開(kāi)關(guān)機(jī)試驗(yàn)后,探測(cè)器的盲元率、響應(yīng)率非均勻性和NETD等關(guān)鍵指標(biāo)未出現(xiàn)明顯衰減,結(jié)果表明640×512小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件冷頭具有較好的抗溫變性能。
多余物是杜瓦組件工程化實(shí)踐中無(wú)法回避的可靠性問(wèn)題,其主要來(lái)源有兩個(gè):一是封裝工藝過(guò)程中引入的污染物;二是杜瓦組件經(jīng)受振動(dòng)或沖擊的過(guò)程中,內(nèi)部原本的不可動(dòng)部分脫落,成為多余物。若多余物進(jìn)入冷屏結(jié)構(gòu)或成像視場(chǎng)中,有可能發(fā)生衍射,從而影響到焦平面局部光場(chǎng)分布,導(dǎo)致探測(cè)器成像異常,出現(xiàn)“黑斑”或“泊松亮斑”,這些異常會(huì)顯著降低探測(cè)器的識(shí)別能力[8]。因此對(duì)杜瓦組件內(nèi)部多余物的控制與試驗(yàn)驗(yàn)證都十分有必要。
根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合SEM能譜等分析手段,紅外探測(cè)器杜瓦組件內(nèi)的多余物可能會(huì)以焊接熔渣、吸氣劑粉末和棉纖維等形式出現(xiàn)。針對(duì)多余物問(wèn)題,在該小型化杜瓦組件研制過(guò)程中,從杜瓦組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)改良、封裝材料篩選和工藝過(guò)程優(yōu)化等方面采取了一系列措施進(jìn)行多余物控制。
圖9 640×512小型化杜瓦組件抗溫變性能試驗(yàn)前(a)和試驗(yàn)后芯片盲元分布情況(b)
為驗(yàn)證實(shí)際效果,以6個(gè)探測(cè)器為一組,以隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探測(cè)器振動(dòng)成像試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)后,所有成像過(guò)程的圖像中均未見(jiàn)多余物。該結(jié)果表明640×512小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件在多余物控制方面取得了一定成效。
杜瓦組件的真空可靠性一直是研究的重點(diǎn),真空的好壞不僅影響到探測(cè)器的性能,還決定其使用壽命。根據(jù)理論分析和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),真空可靠性主要由杜瓦組件的整體漏率和材料放氣決定。
由于在杜瓦組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接工藝、高靈敏度氣體檢漏等方面所取得的進(jìn)展,杜瓦組件可滿足整體漏率≤1×10-13Pa·m3/s,因此杜瓦組件漏率已不再成為限制真空可靠性的主要因素??紤]到材料放氣因素,通常采用阿倫尼烏斯模型進(jìn)行分析。阿倫尼烏斯模型是以溫度作為加速應(yīng)力,被廣泛應(yīng)用于電子元器件的加速壽命模型,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[9]:
以80℃作為試驗(yàn)溫度,對(duì)小型化杜瓦組件進(jìn)行加速壽命試驗(yàn),以同批次6個(gè)樣品為一組,同時(shí)進(jìn)行多組試驗(yàn)。圖10中給出了其中一組樣品的試驗(yàn)結(jié)果,從圖中可看出,在經(jīng)歷4000h的高溫烘烤后,杜瓦組件的靜態(tài)熱負(fù)載仍保持在較穩(wěn)定的狀態(tài)。
目前通過(guò)加速壽命試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)杜瓦貯存壽命的計(jì)算方法主要有兩種:一種是法國(guó)Sofradir公司提出的,僅考慮放氣因素的情況下,試驗(yàn)溫度每升高10℃,壽命減半[1]。Sofradir公司在文中提到,將杜瓦組件置于80℃溫度下保持405天未失效,即可等效于在40℃溫度下?lián)碛?8年的真空壽命。這種方法由于計(jì)算簡(jiǎn)便,在行業(yè)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用:昆明物理研究所采用這種方法研究了杜瓦組件真空壽命,認(rèn)為溫度對(duì)真空壽命的加速作用可通過(guò)對(duì)材料出氣率的加速作用來(lái)間接反映[10-11];洛陽(yáng)光電技術(shù)發(fā)展中心在研究杜瓦組件的真空壽命時(shí)也引用了這種方法[12]??湛諏?dǎo)彈研究院[13]和華北光電研究所[14]等單位采用第二種方法,即在不同溫度下進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)合阿倫尼烏斯方程和Weibull壽命分布模型對(duì)杜瓦組件壽命進(jìn)行概率學(xué)分析,最終得到一定置信度下的預(yù)測(cè)壽命。
以Sofradir公司所采用的壽命加速因子,計(jì)算出640×512小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件在20℃環(huán)境下的貯存壽命>30年,具有良好的真空可靠性。該結(jié)果表明通過(guò)采用超潔凈環(huán)境控制、超高真空表面處理、杜瓦排氣及激活程序優(yōu)化等手段,小型化杜瓦組件的真空可靠性達(dá)到了令人滿意的效果。
圖10 加速壽命試驗(yàn)中杜瓦組件靜態(tài)熱負(fù)載波動(dòng)情況
隨著制冷紅外探測(cè)器產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)展,其可靠性面臨著更加嚴(yán)苛的考驗(yàn)。評(píng)價(jià)紅外探測(cè)器杜瓦組件的可靠性,已不能單單從某一個(gè)方面考慮,多維度、系統(tǒng)性的可靠性研究顯得尤為重要。本文以玨芯微電子所研制的640×512小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件為研究對(duì)象,開(kāi)展了全面的系統(tǒng)性可靠性研究工作,包含力學(xué)、熱力學(xué)、多余物和真空壽命等四個(gè)維度。獲得了以下結(jié)論:
1)640×512小型化杜瓦組件具有相當(dāng)高的力學(xué)強(qiáng)度,杜瓦整體能經(jīng)受12.2振動(dòng)量級(jí)和100沖擊量級(jí);
2)小型化杜瓦具有經(jīng)受溫度從-55℃~85℃劇變的能力,經(jīng)3000次液氮沖擊和2000次開(kāi)關(guān)機(jī)試驗(yàn)后,杜瓦組件內(nèi)部芯片依然表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能;
3)經(jīng)多余物工藝控制和帶電振動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)樣品中未出現(xiàn)明顯多余物;
4)小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件經(jīng)80℃/4000h烘烤試驗(yàn)后,依然保持穩(wěn)定的靜態(tài)熱負(fù)載,在室溫下?lián)碛谐^(guò)30年的貯存壽命。
隨著各種軍事需求對(duì)制冷紅外探測(cè)器智能化、小型化和輕量化的迫切要求,杜瓦組件的設(shè)計(jì)、工藝和材料選擇都必須持續(xù)優(yōu)化,其可靠性也將面臨更多考驗(yàn)??煽啃匝芯抗ぷ魇且豁?xiàng)持久工程,需要大量的工程數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)積累,國(guó)內(nèi)制冷紅外探測(cè)器的相關(guān)技術(shù)積累與產(chǎn)業(yè)化水平與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定差距,本文對(duì)640×512小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件的可靠性進(jìn)行了多個(gè)維度的分析與評(píng)價(jià),但在實(shí)際研發(fā)、生產(chǎn)和測(cè)試等方面仍有一些地方可以得到優(yōu)化:
1)通過(guò)檢測(cè)設(shè)備和方法升級(jí),實(shí)現(xiàn)高一致性質(zhì)量控制;
2)建立系統(tǒng)性的可靠性分析及試驗(yàn)平臺(tái);
3)不斷從設(shè)計(jì)迭代和工藝優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)技術(shù);
4)除了保證紅外探測(cè)器杜瓦組件的可靠性之外,小型化杜瓦組件在兼容性方面也需作出一定的突破,本文640×512/15mm小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件還可兼容封裝面陣規(guī)模為320×256/30mm的芯片,并可根據(jù)應(yīng)用需求定制不同規(guī)格的F數(shù)。
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Reliability Research for 640×512 Miniaturized IR Detector Dewar Assembly
XIONG Xiong,DUAN Yu,HU Mingdeng,LI Ruiping,DU Yu,MAO Jianhong
(Zhejiang Juexin Microelectronics Co., Ltd., Lishui 323000, China)
Driven by the concept of SWaP3(Size, Weight, and Power, Performance and Price), the development of the third-generation cooled IR detectors is proceeding in the direction of high performance, miniaturization, and light weight. As core military electronic devices, the reliability of IR detectors has become the focus of research. In this study, based on the 640×512/15mm miniaturized dewar developed by Zhejiang Juexin Microelectronics Co., Ltd., a systematic reliability research is carried out. This research involves four dimensions, namely mechanics, thermodynamics, remainders, and vacuum. The performance of the 640×512/15mm miniaturized dewar is evaluated through reliability tests. The results show that the miniaturized dewar has high reliability to satisfy most military needs.
infrared detector, dewar assembly, miniaturize, reliability
TN215
A
1001-8891(2022)01-0089-07
2021-10-11;
2021-11-11.
熊雄(1986-),男,湖南長(zhǎng)沙人,工程師,主要從事紅外探測(cè)器封裝技術(shù)研究。E-mail:xiongxiong0423@163.com。