红外焦平面探测器碎裂研究

作     者：余倩 

作者单位：河南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孟庆端

授予年度：2013年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：红外焦平面探测器 InSb 有限元分析 结构应力/应变 成品率 

摘      要：红外焦平面探测器（Infrared Focal Plane Array, IRFPA）在航空航天红外遥感、气象、国防和科学仪器等领域应用广泛。但热冲击下极低的成品率使得大面阵红外探测器仅仅在高级军用装备领域得到运用，其根本原因是红外焦平面探测器的特定结构和低温工作环境。在红外探测器组件中，为提高组件的响应率和信噪比，同时减小串扰，通常InSb芯片的厚度需要减薄到10μm，抗变形能力相对变弱。为抑制背景噪声，获得更高的信噪比，红外探测器通常工作在77K液氮温度下，在探测器从存储温度300K到77K快速降温过程中，由于相邻材料间热膨胀系数的不同，将在InSb芯片中引入热应力/应变，引起InSb光敏元芯片碎裂，降低InSb面阵探测器的成品率，成为红外焦平面探测器批量生产中的主要障碍。 本文借鉴常规倒装焊器件可靠性设计的分析方法，利用有限元分析软件ANSYS建立16×16InSb焦平面探测器结构分析模型，系统分析了铟柱高度、直径和底充胶材料模型对16×16小面阵探测器结构应力及其分布的影响，仿真结果表明InSb芯片上的最大Von Mises应力随铟柱高度增加而减小，随铟柱直径增加而缓慢增大;底充胶模型对Von Mises应力有明显的影响，采用温度相关弹性模型得到的InSb芯片上Von Mises应力最精确，线弹性模型和粘弹性模型可能高估InSb芯片上Von Mises应力。 采用底充胶温度相关弹性模型，利用等效方法建立128×128InSb探测器结构分析模型验证所建模型的适用性;并采用弱化InSb芯片Z方向杨氏模量的方式研究工艺损伤对InSb芯片形变的影响，模拟结果中应变值分布和最大值出现位置与热冲击下InSb芯片背面形变照片中的裂纹分布及起源相一致，证明了所建模型的适用性。同时光敏元阵列区域往上凸起与台面结隔离槽区域往下凹陷的形变面积比可用来作为InSb芯片法线方向杨氏模量选取的依据，本文中取体材料杨氏模量的30%。 为明确热冲击下InSb面阵探测器形变诱因，取体材料杨氏模量的30%，根据InSb面阵探测器的层状结构特征，推断影响InSb芯片Z方向应变分布的关键因素。研究结果表明：硅读出电路与底充胶和铟柱阵列的相互作用引起硅读出电路上表面形变最严重，经过底充胶和铟柱阵列缓冲后，形变量大幅降低，转移到InSb芯片上表面后，形变量降到最低。因此如能降低硅读出电路上表面的应变幅度，将有助于降低InSb芯片上表面应变幅度，从而降低应变集中，减小InSb芯片碎裂几率，提高探测器的成品率。