目前，非制冷紅外探測(cè)器的封裝成本在總成本中占比超過了50%，同MEMS技術(shù)一樣，封裝技術(shù)是制約非制冷紅外探測(cè)器發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。非制冷紅外探測(cè)器的封裝形式主要包括金屬封裝、陶瓷封裝、晶圓級(jí)封裝以及近期出現(xiàn)的像素級(jí)封裝。相較于其他3種封裝形式，陶瓷封裝能夠使非制冷紅外探測(cè)器兼具高性能、低成本、小體積和輕質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，是目前非制冷紅外探測(cè)器封裝的主流形式。隨著國內(nèi)吸氣劑制備技術(shù)的突破，薄膜型吸氣劑已經(jīng)可以集成在陶瓷封裝的紅外窗口上，這給非制冷紅外探測(cè)器向著低成本、小型化的發(fā)展提供了機(jī)會(huì)。 近期，煙臺(tái)艾睿光電科技有限公司研究團(tuán)隊(duì)在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“非制冷紅外探測(cè)器陶瓷封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化及可靠性分析”為主題的文章。該文章第一作者為劉繼偉工程師，主要從事非制冷紅外探測(cè)器封裝設(shè)計(jì)方面的研究。 該文章針對(duì)薄膜型吸氣劑陶瓷封裝的開發(fā)，以某款量產(chǎn)探測(cè)器陶瓷封裝結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，提出一種非制冷紅外探測(cè)器陶瓷封裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)，基于ANSYS Workbench有限元分析，對(duì)原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析和隨時(shí)間變化的載荷沖擊分析。 器件封裝結(jié)構(gòu)模型建立及可靠性分析 傳統(tǒng)非制冷紅外探測(cè)器的陶瓷封裝形式主要由紅外窗口、可伐框、吸氣劑、管殼、芯片和引腳組件構(gòu)成。圖1展示了某款陶瓷封裝形式的非制冷紅外探測(cè)器的原始結(jié)構(gòu)，本文針對(duì)該款結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，采用薄膜吸氣劑方案，取消可伐框，使整個(gè)探測(cè)器的制作成本降低了約5%；同時(shí)，由于片狀吸氣劑的取消，整體探測(cè)器的寬度由22mm縮減為19mm，可伐框的取消使探測(cè)器的高度由8.03mm縮減為6.45mm，體積整體減小約30%，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于可伐框主要在紅外窗口與管殼之間起緩沖作用，可以提升紅外窗口耐受振動(dòng)和機(jī)械沖擊的能力，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的陶瓷封裝形式應(yīng)著重研究產(chǎn)品的可靠性。本文基于ANSYS Workbench建立三維有限元模型進(jìn)行可靠性仿真，對(duì)比分析了原始結(jié)構(gòu)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)和隨時(shí)間變化的載荷沖擊過程中形變和受力的情況。 圖1 陶瓷探測(cè)器原始結(jié)構(gòu)模型 圖2 陶瓷探測(cè)器優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型 由于本文主要研究原始結(jié)構(gòu)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)在可靠性驗(yàn)證過程中形變和受力情況，因此去除了對(duì)分析結(jié)果影響較小的圓角、倒角，并對(duì)焊料部分進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，同時(shí)對(duì)原始結(jié)構(gòu)的吸氣劑部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到三維仿真模型。三維仿真模型的各個(gè)組件及探測(cè)器整體尺寸參數(shù)如表1所示。 表1 某款陶瓷紅外探測(cè)器優(yōu)化前后各組件及整體尺寸參數(shù) 仿真過程使用ANSYS Workbench軟件，在可靠性分析中建立有限元模型、加載邊界條件與計(jì)算、查看結(jié)果與后處理。仿真過程中各組件的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。 表2 各組件材料參數(shù) 大約有三分之一左右的電子器件的失效或故障是由振動(dòng)引起的。根據(jù)使用環(huán)境的不同，探測(cè)器受到的隨機(jī)振動(dòng)的頻率和振幅也不相同。探測(cè)器能夠經(jīng)受不同使用環(huán)境下隨機(jī)振動(dòng)的強(qiáng)度直接關(guān)系到探測(cè)器在不同場(chǎng)景下的穩(wěn)定性。由于隨機(jī)振動(dòng)十分復(fù)雜，本文采用功率譜密度的分析方法，確定探測(cè)器結(jié)構(gòu)對(duì)功率譜隨機(jī)載荷的動(dòng)力響應(yīng)。 參照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)優(yōu)化前后非制冷紅外探測(cè)器的陶瓷封裝形式進(jìn)行了兩種最常見的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)可靠性分析——隨機(jī)振動(dòng)分析和半正弦波分析。隨機(jī)振動(dòng)分析使用加速度功率譜，頻率范圍從20Hz到2000Hz，加速度的總均方根10.2G，G代表加速度總均方根值，如圖3所示。半正弦波分析峰值500g，持續(xù)時(shí)間1ms，三軸六向，每個(gè)方向沖擊5次，波形函數(shù)，如圖4所示。 圖3 隨機(jī)振動(dòng)功率譜曲線 圖4 半正弦波形函數(shù) 在隨機(jī)激勵(lì)載荷作用下，探測(cè)器各組件的最大形變出現(xiàn)在紅外窗口處，圖5比較了優(yōu)化前后兩種結(jié)構(gòu)的紅外窗口在隨機(jī)激勵(lì)載荷作用下的等效應(yīng)力和Z方向的形變。最大等效應(yīng)力發(fā)生在紅外窗口與下方組件的接觸位置，最大形變出現(xiàn)在紅外窗口的中心位置。取消可伐框之后降低了對(duì)窗口的緩沖保護(hù)作用，相較原始結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)各組件在10.2G隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境載荷作用下等效應(yīng)力均有所增加，凹陷變大。盡管如此，優(yōu)化結(jié)構(gòu)依然滿足可靠性要求。材料受外應(yīng)力負(fù)載到一定限度時(shí)，即使不增加負(fù)載，材料仍會(huì)繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性形變，這種現(xiàn)象叫“屈服”，發(fā)生屈服時(shí)的應(yīng)力稱為屈服極限，超過這一數(shù)值材料會(huì)發(fā)生斷裂。紅外窗口和芯片的主體材料分別為鍺和硅，兩種材料的屈服極限分別為115MPa和7000MPa。原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)所受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，完全滿足可靠性要求。仿真結(jié)果表明優(yōu)化后探測(cè)器能夠通過環(huán)境試驗(yàn)條件要求的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，探測(cè)器設(shè)計(jì)滿足10.2G載荷條件下的隨機(jī)振動(dòng)可靠性要求。 圖5 隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境計(jì)算結(jié)果 采用模態(tài)疊加法，驗(yàn)證了非制冷紅外探測(cè)器陶瓷封裝兩種結(jié)構(gòu)在承受國軍標(biāo)要求的500g半正弦波沖擊振動(dòng)環(huán)境后的影響。如圖6(a)、(b)、(c)所示，探測(cè)器各組件在X、Y、Z三個(gè)方向上最大等效應(yīng)力和最大形變均發(fā)生在Z方向上?？紤]到紅外窗口是探測(cè)器最容易失效的組件，紅外窗口受到最大等效應(yīng)力為3.05MPa，遠(yuǎn)小于紅外窗口的屈服極限115MPa。 圖6 半正弦波沖擊振動(dòng)環(huán)境計(jì)算結(jié)果 結(jié)論 本研究提出了一種非制冷紅外探測(cè)器陶瓷封裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并對(duì)優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)在10.2G隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境和500g半正弦波機(jī)械沖擊振動(dòng)環(huán)境下的可靠性進(jìn)行了有限元仿真分析，同時(shí)研究了紅外窗口材料和厚度對(duì)機(jī)械沖擊振動(dòng)環(huán)境可靠性仿真的影響，得到結(jié)論如下： 1）相較于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后陶瓷封裝的非制冷紅外探測(cè)器的制作成本降低了約5%，體積減少了約30%。 2）10.2G隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境分析過程中，優(yōu)化后各組件受到的等效應(yīng)力有所增加，但均遠(yuǎn)小于各組件材料的屈服極限。 3）500g半正弦波沖擊振動(dòng)環(huán)境分析過程中，優(yōu)化前后Z方向各組件形變最大，且優(yōu)化后各組件受到的應(yīng)力指標(biāo)都在允許范圍內(nèi)。校核發(fā)現(xiàn)紅外窗口的安全裕度M.S.＝30，完全滿足可靠性要求。 4）在500g半正弦波沖擊振動(dòng)環(huán)境下，紅外窗口厚度越大，窗口的可靠性越高；在窗口厚度相同時(shí)，硅材料的窗口可靠性表現(xiàn)更好。 本研究驗(yàn)證了非制冷紅外探測(cè)器陶瓷封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性，為非制冷紅外探測(cè)器陶瓷封裝結(jié)構(gòu)向著低成本、小型化、高可靠性等方面發(fā)展提供了參考。