非制冷紅外探測器陶瓷封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化及可靠性分析

目前，非制冷紅外探測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器發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。非制冷紅外探測器的封裝形式主要包括金屬封裝、陶瓷封裝、晶圓級封裝以及近期出現(xiàn)的像素級封裝。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器兼具高性能、低成本、小體積和輕質(zhì)量等優(yōu)點，是目前非制冷紅外探測器封裝的主流形式。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器向著低成本、小型化的發(fā)展提供了機會。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，煙臺艾睿光電科技有限公司研究團隊在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“非制冷紅外探測器陶瓷封裝結(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器封裝設(shè)計方面的研究。

該文章針對薄膜型吸氣劑陶瓷封裝的開發(fā)，以某款量產(chǎn)探測器陶瓷封裝結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，提出一種非制冷紅外探測器陶瓷封裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)，基于ANSYS Workbench有限元分析，對原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行隨機振動分析和隨時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器的原始結(jié)構(gòu)，本文針對該款結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，采用薄膜吸氣劑方案，取消可伐框，使整個探測器的制作成本降低了約5%；同時，由于片狀吸氣劑的取消，整體探測器的寬度由22mm縮減為19mm，可伐框的取消使探測器的高度由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和機械沖擊的能力，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行可靠性仿真，對比分析了原始結(jié)構(gòu)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)在隨機振動和隨時間變化的載荷沖擊過程中形變和受力的情況。

圖1 陶瓷探測器原始結(jié)構(gòu)模型

圖2 陶瓷探測器優(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)在可靠性驗證過程中形變和受力情況，因此去除了對分析結(jié)果影響較小的圓角、倒角，并對焊料部分進行了一定的簡化，同時對原始結(jié)構(gòu)的吸氣劑部分進行簡化，得到三維仿真模型。三維仿真模型的各個組件及探測器整體尺寸參數(shù)如表1所示。

表1某款陶瓷紅外探測器優(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引起的。根據(jù)使用環(huán)境的不同，探測器受到的隨機振動的頻率和振幅也不相同。探測器能夠經(jīng)受不同使用環(huán)境下隨機振動的強度直接關(guān)系到探測器在不同場景下的穩(wěn)定性。由于隨機振動十分復(fù)雜，本文采用功率譜密度的分析方法，確定探測器結(jié)構(gòu)對功率譜隨機載荷的動力響應(yīng)。

參照國家軍用標準，對優(yōu)化前后非制冷紅外探測器的陶瓷封裝形式進行了兩種最常見的結(jié)構(gòu)動力學(xué)可靠性分析——隨機振動分析和半正弦波分析。隨機振動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)時間1ms，三軸六向，每個方向沖擊5次，波形函數(shù)，如圖4所示。

圖3 隨機振動功率譜曲線

圖4 半正弦波形函數(shù)

在隨機激勵載荷作用下，探測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)的紅外窗口在隨機激勵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窗口的緩沖保護作用，相較原始結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)各組件在10.2G隨機振動環(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)力負載到一定限度時，即使不增加負載，材料仍會繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性形變，這種現(xiàn)象叫“屈服”，發(fā)生屈服時的應(yīng)力稱為屈服極限，超過這一數(shù)值材料會發(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)力遠遠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)化后探測器能夠通過環(huán)境試驗條件要求的隨機振動試驗，探測器設(shè)計滿足10.2G載荷條件下的隨機振動可靠性要求。

圖5隨機振動環(huán)境計算結(jié)果

采用模態(tài)疊加法，驗證了非制冷紅外探測器陶瓷封裝兩種結(jié)構(gòu)在承受國軍標要求的500g半正弦波沖擊振動環(huán)境后的影響。如圖6(a)、(b)、(c)所示，探測器各組件在X、Y、Z三個方向上最大等效應(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，遠小于紅外窗口的屈服極限115MPa。

圖6半正弦波沖擊振動環(huán)境計算結(jié)果

結(jié)論

本研究提出了一種非制冷紅外探測器陶瓷封裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并對優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)在10.2G隨機振動環(huán)境和500g半正弦波機械沖擊振動環(huán)境下的可靠性進行了有限元仿真分析，同時研究了紅外窗口材料和厚度對機械沖擊振動環(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器的制作成本降低了約5%，體積減少了約30%。 2）10.2G隨機振動環(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，但均遠小于各組件材料的屈服極限。 3）500g半正弦波沖擊振動環(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，硅材料的窗口可靠性表現(xiàn)更好。

本研究驗證了非制冷紅外探測器陶瓷封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的合理性，為非制冷紅外探測器陶瓷封裝結(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。

論文信息：

http://hwjs.nvir.cn/cn/article/id/ff1ba8d6-173a-4160-877a-06c899253810

審核編輯 ：李倩