北京空間機電研究所探究超長線列紅外探測器拼接結(jié)構(gòu)

隨著航天光學遙感技術(shù)的快速發(fā)展，航天應(yīng)用對大視場、大幅寬、高分辨率探測的需求日趨增加，對紅外探測器規(guī)模要求越來越大。由于探測器材料、加工工藝等因素限制，航天各類應(yīng)用對紅外探測器陣列規(guī)模的需求已經(jīng)超出了目前單模塊探測器的研制極限。通過光學拼接方法或者機械拼接方法可以實現(xiàn)大視場、大幅寬、高分辨率成像。光學拼接通過光學的方法將視場分割到不同的空間位置，因此探測器物理位置不會沖突，可直接使用多塊封裝后的單模塊探測器，不存在拼縫，缺點是光學系統(tǒng)復(fù)雜。對于紅外成像系統(tǒng)而言，由于受探測器-杜瓦-制冷機一體式結(jié)構(gòu)限定、光學系統(tǒng)后截距較短等約束條件，使得通過光學拼接方法擴大紅外探測器規(guī)模的難度大幅增加。機械拼接的優(yōu)點在于光學系統(tǒng)相對比較簡單，但探測器拼接存在拼接縫。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，北京空間機電研究所、華北光電技術(shù)研究所和中國科學院理化技術(shù)研究所的聯(lián)合科研團隊在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“超長線列紅外探測器拼接結(jié)構(gòu)”為主題的文章。該文章第一作者為楊小樂高級工程師，主要從事紅外遙感器設(shè)計研究方面的研究工作。

本文列舉了國內(nèi)外紅外探測器機械拼接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，介紹一種芯片級的超長線列拼接結(jié)構(gòu)，以及拼接結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮因素、具體設(shè)計過程，同時給出拼接結(jié)構(gòu)可靠性與低溫下平面度測試方法。

國內(nèi)外機械拼接發(fā)展現(xiàn)狀

機械拼接又稱焦面級拼接，是指將多個標準單模塊探測器通過拼接形成超長線列或超大面陣焦平面，并封裝在一個真空封裝體中，形成一個完整的組件。根據(jù)拼接時探測器的形式，可以將拼接分為組件級拼接和芯片級拼接。組件級拼接是將探測器單模塊先進行封裝再進行拼接，芯片級拼接是直接采用單模塊探測器進行拼接。兩種形式應(yīng)用范圍與特點如表1所示。

表1 兩種機械拼接形式對比

組件級拼接

Raytheon公司將2 k×2 k InSb探測器進行單模塊封裝，如圖1。探測器安裝在金屬基座上，金屬基座上安裝有柔性電纜。多層陶瓷導電結(jié)構(gòu)提供探測器與柔性電纜之間的電氣連接，還支持表面貼裝元件，包括加熱器、溫度傳感器、電阻和電容。其有2邊以及3邊可拼接封裝模塊，3邊模塊可形成4 k × 2 nk的拼接探測器。

圖1 2 k × 2 k InSb單模塊封裝探測器

Raytheon公司使用4個2 k × 2 k InSb單模塊探測器進行2 × 2拼接，如圖2。同時該公司使用16個2 k × 2 k碲鎘汞單模塊探測器進行4 × 4拼接，用于VISTA望遠鏡。

圖2 4 k × 4 k InSb拼接探測器

Rockwell公司使用4片2 k × 2 k碲鎘汞單模塊探測器進行2 × 2拼接，探測器單獨封裝后，連接至接地的鉬銅基板，4個探測器獨立的柔性電纜向下穿過鉬銅安裝板實現(xiàn)引出，如圖3所示。

圖3 4 k × 4 k碲鎘汞拼接探測器

Rockwell公司使用35個2 k × 2 k碲鎘汞探測器進行5 × 7拼接，制成億級像素的目前世界上最大的焦平面陣列，應(yīng)用于微引力透鏡行星探測載荷，如圖4所示。

圖4 5 × 7碲鎘汞拼接大面陣探測器

芯片級拼接

該拼接方式比較主流的是將探測器芯片與讀出電路芯片直接倒裝互連形成探測器模塊，互聯(lián)后的模塊不封裝直接經(jīng)精密拼接實現(xiàn)超大規(guī)模探測器的制備。

以色列SCD公司采用4片520 × 16 InSb探測器模塊拼接成2048 × 16探測器。探測器采用交錯排列，相鄰的兩個子模塊旋轉(zhuǎn)180°后拼接在氮化鋁襯底上。氮化鋁為高溫共燒工藝完成，溫度均勻性優(yōu)于1 ℃。圖5展示了拼接探測器整體以及襯底上4個交錯排列的探測器模塊。

圖5 2048 × 16拼接探測器

國內(nèi)中電11所研制的多譜段集成TDI線列拼接紅外探測器，同樣采用模塊旋轉(zhuǎn)180°交錯拼接的方式，如圖6。

圖6 中電11所研制的多譜段集成TDI線列紅外探測器

8模塊拼接超長線列紅外探測器

本文研制的超長線列紅外探測器采用8片探測器模塊進行芯片級機械拼接，如圖 7，為保證拼接后模塊間無間隙，模塊間采用品字形排列形式，同時模塊與模塊間重疊一定的像元數(shù)，重疊像元數(shù)要考慮拼接后總的像元數(shù)，同時還要考慮衛(wèi)星飛行時偏流角的影響。第二排模塊相對于第一排模塊水平旋轉(zhuǎn)了180°。對同一景物，第一排模塊與第二排模塊不是同時成像，需要通過電子學延時處理，使兩排模塊所成的圖像拼成一幅圖像。

圖7 探測器拼接排列示意圖

8片探測器拼接后機械尺寸達160 mm×40 mm，常規(guī)微杜瓦封裝結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能使用。紅外探測器需要在低溫真空環(huán)境下工作，因此采用大冷箱封裝結(jié)構(gòu)，如圖8。

圖8 探測器冷箱封裝結(jié)構(gòu)

拼接后探測器與制冷機冷指耦合而成探測器制冷機組件，8個單模塊探測器呈品字形排列在拼接基板上，制冷機為探測器與拼接基板提供機械與制冷的平臺，簡稱冷板，最終由拼接基板、過渡基板以及制冷機冷板組成拼接結(jié)構(gòu)，拼接結(jié)構(gòu)通過制冷機法蘭上的4根支撐柱固定，如圖 9。成像時杜瓦各零件溫度為293 K，探測器與拼接結(jié)構(gòu)各零件溫度為80 K。

圖9 探測器拼接結(jié)構(gòu)

拼接結(jié)構(gòu)要求

拼接結(jié)構(gòu)工作在80 K，拼接結(jié)構(gòu)影響探測器組件的成像性能，同時其可靠性直接決定探測器的可靠性。紅外探測器作為紅外遙感器的核心，一旦在軌發(fā)生質(zhì)量問題，將直接導致紅外遙感器在軌失去成像能力。因此其在設(shè)計時需要綜合考慮以下因素。

1）拼接精度：因采用品字形長線列拼接，需要根據(jù)探測器的幾何位置對圖像進行幾何校正以保證圖像顯示正常，拼接結(jié)果是幾何校正的輸入，直接影響校正效果。因此需要考慮以下精度。

① 搭接誤差（垂直線列方向）：相鄰兩個探測器首尾像元搭接，搭接處像元的對準誤差小于半個像元。

② 直線性和平行性要求（線列方向）：每一排探測器的所有像元在同一直線上，其非直線度誤差小于半個像元；第一排探測器與第二排探測器平行，其不平行度誤差小于半個像元。

2）低溫平面度（垂直于探測器表面）：8片探測器所有像元必須在同一平面上，以保證具有同樣的成像效果。探測器工作在80 K，需要保證低溫下平面度誤差小于一個焦深，因此要求常溫拼接時所有模塊平面度誤差小于半個焦深。不同的光學系統(tǒng)焦深不同，對探測器平面度要求也不同。拼接結(jié)構(gòu)在80 K低溫下會發(fā)生變形，因此需要通過拼接材料以及厚度選取在設(shè)計上保證其變形小于一個焦深。

3）安全系數(shù)：拼接結(jié)構(gòu)上除探測器外還有電學引出多層陶瓷、濾光片等，由于各材料熱膨脹系數(shù)有差異，在80 K低溫下，會因為熱膨脹系數(shù)不一致使探測器、多層陶瓷、濾光片以及拼接結(jié)構(gòu)各層受熱應(yīng)力，因此必須保證在80 K以及降溫過程中各材料所受應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，并留有余量；

4）導熱性：拼接結(jié)構(gòu)一方面保證制冷機冷指到探測器的冷量傳遞熱阻小，與冷指有良好的熱拼配性；另一方面保證溫度均勻性，否則探測器各模塊工作溫度不一致，導致探測性能有差異。

拼接結(jié)構(gòu)設(shè)計

拼接基板

為保證探測器拼接精度，利用讀出電路與拼接基板設(shè)計的標識在拼接設(shè)備上進行對準，通過涂膠工藝，將探測器芯片拼接在拼接基板上。拼接精度關(guān)鍵在于拼接設(shè)備的精度和拼接基板定位標識的加工精度以及邊緣分辨率。因此拼接基板需要選擇易于圖形刻蝕，同時具有高溫度均勻性，并且與探測器讀出電路硅熱膨脹系數(shù)匹配的材料。本項目拼接基板采用寶石材料，采用光刻工藝制備拼接標識。通過專用的涂膠工裝保證涂膠的均勻性，利用二次加工方法，去除邊緣厚膠邊，保證光刻圖形的分辨率。在拼接平面度方面，設(shè)備基臺平面度為5 μm，拼接基板精度優(yōu)于5 μm，采用上述工藝，最壞情況下，拼接后全視場平面度優(yōu)于15 μm。

圖10為拼接基板版圖示意圖，其中設(shè)計了8模塊讀出電路粘接標記、濾光片支架粘接標記、二極管粘接標記、寶石片中心、調(diào)平標記及平行度測試標記。

圖10 8模塊探測器拼接版圖示意圖

制冷機冷板

制冷機需要為探測器提供機械安裝與制冷的平臺，本項目采用4根支撐柱支撐冷板的方案，如圖11。探測器拼接基板安裝在冷板上，冷板選取低熱膨脹系數(shù)的殷鋼，緩解拼接基板低溫變形。為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用冷板單獨支撐技術(shù)，制冷機冷指的冷量通過導熱帶傳遞給冷板，冷指對冷板不起支撐作用。導熱帶為彎曲結(jié)構(gòu)，低溫下收縮變型后長度仍留有余量，長度方向剛度很小，不會影響冷板面型。

圖11 制冷機冷指與冷板

拼接結(jié)構(gòu)

美國雷神公司在拼接探測器結(jié)構(gòu)中采用了鉬銅、殷鋼等材料作為拼接結(jié)構(gòu)的底座，但是鉬銅或殷鋼的熱膨脹系數(shù)與讀出電路硅有很大差別，直接將探測器安裝在其上將產(chǎn)生熱變形與熱應(yīng)力，必須在兩者之間插入一種平衡材料，來抵消這種熱變形與熱應(yīng)力，從而使探測器在幾百次的熱循環(huán)中始終能保證較高的可靠性。雷神公司最新的產(chǎn)品中使用了SiC材料。本項目制冷機冷板與探測器拼接基板熱膨脹系數(shù)同樣差異較大，兩者在低溫下也會產(chǎn)生變形、熱應(yīng)力，因此在寶石與殷鋼中插入一種平衡材料作為過渡板，然后建立有限元模型，分析整個拼接結(jié)構(gòu)的熱變形與熱應(yīng)力。有限元模型如圖12。

圖12 有限元模型

拼接結(jié)構(gòu)有制冷機冷板、過渡板、拼接基板，考慮到殷鋼的熱膨脹系數(shù)隨組份變化，根據(jù)材料的易加工性確定各層材料的厚度后，仿真中代入過渡板、拼接基板、支撐柱幾何尺寸、熱膨脹系數(shù)和溫度分布，根據(jù)熱應(yīng)力以及低溫變形要求，反向求解冷板殷鋼的熱膨脹系數(shù)，從而使拼接結(jié)構(gòu)同時滿足應(yīng)力以及變形的要求。

經(jīng)過仿真計算表明，冷板材料殷鋼的熱膨脹系數(shù)為4.2 × 10??/℃ ~ 4.8 × 10??/℃時，各材料應(yīng)力滿足要求，如表2所示。同時平面度滿足小于一個焦深的要求，殷鋼熱膨脹系數(shù)為4.6 × 10??/℃為最佳值，Z向位移差值13 μm。

表2 不同殷鋼熱膨脹系數(shù)對應(yīng)的最大應(yīng)力

殷鋼熱膨脹系數(shù)為4.6×10??/℃時，芯片法向變形以及芯片受到應(yīng)力仿真結(jié)果如圖13、圖14。

圖13 芯片法向變形（殷鋼熱膨脹系數(shù)為4.6e-6）

圖14 芯片應(yīng)力云圖（殷鋼熱膨脹系數(shù)為4.6e-6）

平面度測試

材料的安全系數(shù)無法實測，可以通過探測器制冷機組件溫度沖擊試驗驗證其可靠性。中電11所針對多譜段集成TDI線列拼接紅外探測器，開展了低溫60 K到室溫共計300次開關(guān)機溫度沖擊試驗，驗證拼接組件的可靠性。

低溫下的平面度可以在相機集成后，通過測試不同視場即不同模塊的最佳焦面位置進行評估，但必須提前排除鏡頭光學系統(tǒng)場曲的影響，同時整機集成后發(fā)現(xiàn)問題會對系統(tǒng)研制進度造成嚴重影響，為此本文提出一種非接觸式的探測器組件級低溫平面度測試方法。將探測器紅外窗口玻璃改用可透可見光的熔石英玻璃，采用高精度拼接儀對探測器拼接基板拼接標識處進行高度測量，從而得到拼接結(jié)構(gòu)的平面度，如圖15所示，拼接儀的光源通過半反半透鏡、光學系統(tǒng)照亮拼接組件上的拼接標記，拼接標記的反射光線通過拼接儀的光學系統(tǒng)由顯微攝像系統(tǒng)接收，又經(jīng)過圖像采集系統(tǒng)，使拼接標記成像于顯示系統(tǒng)上，如圖16，經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)可以計算出拼接標記的高度，測試精度為0.1 μm。

圖15 低溫平面度測試系統(tǒng)原理

圖16 拼接基板上標識

實際測試如圖17，更換窗口后的探測器制冷機組件倒扣在拼接儀上，用真空泵對杜瓦抽真空，通過制冷機制冷，待探測器溫度穩(wěn)定在80 K以后，再進行測試，經(jīng)實際測試本項目拼接結(jié)構(gòu)在低溫下平面度誤差小于20 μm，與仿真結(jié)果基本一致。如圖18，橫坐標為探測器模塊編號，縱坐標為芯片法向變形量。

圖17 拼接系統(tǒng)的測試

圖18 低溫平面度實測結(jié)果

結(jié)論

結(jié)合8模塊拼接長線列紅外探測器的研制，參考國內(nèi)外機械拼接技術(shù)，本文采用芯片級機械拼接方案。針對機械拼接結(jié)構(gòu)提出了拼接精度、低溫平面度、安全系數(shù)、導熱性能4個核心的設(shè)計要點，同時結(jié)合設(shè)計要點，給出拼接結(jié)構(gòu)具體設(shè)計過程，詳細介紹了拼接基板、過渡板、制冷機冷板的材料選擇以及具體參數(shù)，并給出拼接結(jié)構(gòu)仿真內(nèi)容與結(jié)果。最后給出拼接結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過開關(guān)機溫度沖擊考核以及平面度測試考核，提出了一種基于可見光拼接儀的高精度非接觸式平面度測試方法，經(jīng)測試8模塊長線列拼接紅外探測器測試平面度小于20 μm，與仿真結(jié)果基本一致。