CN105226073B - 一种红外焦平面探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外焦平面探测器，该红外焦平面探测器包括光敏元芯片、铟块阵列、底充胶和硅读出电路，光敏元芯片通过铟块阵列与硅读出电路互连，底充胶填充在光敏元芯片与硅读出电路之间的夹缝中，所述铟块阵列中每一个铟块的上表面和下表面均为N边形或圆形，与光敏元芯片连接的铟块上表面面积小于与硅读出电路连接的铟块下表面面积，铟块的纵向切面整体上呈梯形，其中N≥3。本发明的红外焦平面探测器结构用于减少液氮冲击中光敏元芯片碎裂概率和降低探测器四周边缘处铟块互连失效概率，以提高大面阵探测器的结构可靠性。

Description

一种红外焦平面探测器

技术领域

本发明涉及红外焦平面探测器结构的可靠性设计，具体涉及一种降低热变形的红外焦平面探测器。

背景技术

红外焦平面探测技术具有光谱响应波段宽、可昼夜工作等优点而广泛应用于导弹预警、情报侦察、损毁效果评估和农、林资源调查等军事和民用领域。

如图1所示，带有铟块阵列的光敏元芯片3与带有铟块阵列的硅读出电路1通过倒焊互连工艺连接在一起，互连后形成铟块阵列2。铟块阵列2不仅提供光敏元芯片3与其对应的硅读出电路1输入端的电学连通，同时还起到机械支撑作用。光敏元芯片3上设有抗反射涂层4。为提高铟块焊点的可靠性，通常在光敏元芯片3和硅读出电路1之间的夹缝中填入底充胶5。

为提高红外成像制导系统的灵敏度和分辨率，要求红外焦平面探测器的阵列规模越做越大、光敏元数目也越来越多，加之特定的低温工作环境，使得大面阵探测器的成品率很低，通常表现为液氮冲击中光敏元芯片碎裂和探测器四周边缘处的铟块互连失效。

在红外焦平面探测器的结构设计中，需要分析液氮冲击中探测器内部生成的热应力/应变以评估探测器的结构可靠性。鉴于红外焦平面探测器法线方向应变最易测量，在本申请中，以红外焦平面探测器法线方向应变大小作为评估液氮冲击中红外焦平面探测器结构变形大小的依据。

在现有的红外焦平面探测器中，互连后的铟柱阵列的结构一般为上、下表面尺寸大小相同，，整体上呈现为柱状特征，这就要求互联前铟柱的形态需采用柱状或者锥状形态。

如果互连前铟柱的形态采用上端粗、下端细的形态，此时铟柱下端与光敏元芯片或者硅读出电路连接，互连后的铟柱将呈现出中间粗、两端细的特征。此外在制备铟柱阵列时出现在铟柱粗端边缘的残留铟层容易引起铟柱互连中相邻铟柱之间发生短路失效。这一现象在铟柱阵列中心距变小时尤为明显。

在专利文献《一种用于红外焦平面倒焊互连的铟柱及其制备方法》(发明专利申请号：201010565090.0)针对上述缺陷，提出了一种解决方案：在倒焊互连前，在探测器芯片上制备底部(接触探测器芯片的铟柱端面)大，顶部小的铟柱阵列，在信号读出电路上也制备底部(接触信号读出电路的铟柱端面)大，顶部小的铟柱阵列，然后将带有铟柱阵列的探测器芯片与带有铟柱阵列的信号读出电路通过倒焊互连工艺连接在一起，这样使互连后的铟柱阵列呈现中间细、两端粗的特征，该发明公布的铟柱结构虽然避免了在倒焊互连时由于铟柱形变而短路的问题，但是不涉及如何降低液氮冲击下红外焦平面探测器的热变形问题。

发明内容

本发明提供了一种红外焦平面探测器，用以解决液氮冲击中因光敏元芯片碎裂问题，以及周期性液氮冲击中在探测器四周边缘处的铟块互连失效问题。

为了解决上述技术问题，本发明的红外焦平面探测器包括光敏元芯片、铟块阵列、底充胶和硅读出电路，光敏元芯片通过铟块阵列与硅读出电路互连，底充胶填充在光敏元芯片与硅读出电路之间的夹缝中，其特征在于，所述铟块阵列中每一个铟块的上表面和下表面均为N边形或圆形，与光敏元芯片连接的铟块上表面面积小于与硅读出电路连接的铟块下表面面积，铟块的纵向切面整体上呈梯形，其中N≥3。

所述光敏元芯片通过铟块阵列与硅读出电路互连的方法为：分别在光敏元芯片和硅读出电路的电极上制备铟块阵列，借助倒装焊设备把两个铟块阵列通过冷压焊的方式连接成一个铟块阵列。

所述光敏元芯片通过铟块阵列与硅读出电路互连的方法为：只在光敏元芯片的电极上制备铟块阵列，或只在硅读出电路的电极上制备铟块阵列，借助倒装焊设备，通过铟块阵列实现光敏元芯片和硅读出电路的电连接。

所述光敏元芯片为锑化铟(InSb)芯片或碲镉汞(HgCdTe)芯片或铟镓砷(InGaAs)芯片或铟砷锑(InAsSb)芯片或铟砷/镓锑(InAs/GaSb)芯片或镓砷/铝镓砷(GaAs/AlGaAs)芯片。

本发明的红外焦平面探测器中，铟块阵列为上表面面积小于下表面面积，且铟块阵列中每一个铟块整体上呈现上细下粗的特征，采用该铟块结构特征的红外焦平面探测器，能够减少液氮冲击中光敏元芯片碎裂概率和探测器四周边缘处的铟块互连失效的概率，提高了探测器的结构可靠性。

附图说明

图1是红外焦平面探测器结构示意图；

图2是红外焦平面探测器中不同材料的线膨胀系数随温度的变化曲线；

图3是互连后铟块上下表面为八边形且下表面直径固定为24微米时，红外焦平面探测器法线方向最大应变随铟块上表面直径的变化趋势图；

图4是互连后铟块上下表面均为八边形，下表面直径为24微米，上表面直径取30微米时，液氮冲击后红外焦平面探测器法线方向的应变分布图；

图5是互连后铟块上下表面均为八边形，下表面直径为24微米，上表面直径取24微米时，液氮冲击后红外焦平面探测器法线方向的应变分布图；

图6是互连后铟块上下表面均为八边形，下表面直径为24微米，上表面直径取12微米时，液氮冲击后红外焦平面探测器法线方向的应变分布图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细的说明。

对128×128阵列规模的锑化铟(InSb)红外焦平面探测器进行形变分析，该探测器由光敏元芯片和硅读出电路通过铟块阵列互连混成，之后在光敏元芯片和硅读出电路之间的夹缝中填入底充胶。铟块阵列中每一个铟块的上表面和下表面均为N边形或圆形，与光敏元芯片连接的铟块上表面面积小于与硅读出电路连接的铟块下表面面积，且从铟块上表面到下表面逐渐变粗即铟块的纵向切面整体上呈梯形，其中N≥3。

也就是说，互连后的铟块可为上表面的面积小于其下表面的面积的三棱台状、四棱台状、五棱台状、六棱台状、七棱台状、八棱台状、九棱台状、十棱台状等，乃至圆台状；也可为小棱柱坐落于大棱柱上、小棱台坐落于大棱台上、小圆台坐落于大圆台上的形态。也可采取小棱柱、小棱台、小圆台与大棱柱、大棱台、大圆台两两组合的形态。使互连后的铟块整体上呈现出上细下粗的形态即可。

互连后的铟块的尺寸依赖于光敏元间距，具体通过有限元软件ANSYS模拟得到。判定依据为：液氮冲击后红外焦平面探测器法线方向的应变幅度明显变小，红外焦平面探测器上表面屈曲变形明显减弱。其模拟过程如下：

1)铟块选用VISCO 107单元类型，固化后的底充胶、光敏元芯片和硅读出电路选用SOLID 95单元类型，进行直接耦合场分析；

2)将光敏元芯片、互连后的铟块阵列、底充胶和硅读出电路的杨氏模量、线膨胀系数、泊松比及密度输入材料模型中，所输入材料参数均随温度发生变化。具体数值如表1和图2所示，表1为不同温度下，红外焦平面探测器中不同材料的杨氏模量、泊松比，图2是红外焦平面探测器中不同材料的线膨胀系数随温度的变化曲线。

表1.不同温度下，红外焦平面探测器中不同材料的杨氏模量、泊松比

在50K至370K的范围内，底充胶的线膨胀系数可用下式描述，α＝22.46×10^-6+5.04×10^-8×(T-273)，式中，T的单位取开尔文。

3)建立几何模型，即将光敏元芯片、互连后的铟块阵列、底充胶和硅读出电路的几何尺寸输入；

4)设定红外焦平面探测器的温度处处均匀、一致，进行瞬态分析，红外焦平面探测器的温度从室温急剧降低到液氮温度，或者从液氮温度缓慢升高到室温；

5)设定非线性大变形分析；设置分析环境的收敛准则；进行运算求解；查看液氮冲击后或者升至室温后整个红外焦平面探测器的形变幅度及分布。

6)变换互连后的铟块结构形态，即保持铟块下表面的面积不变，逐步增加或减小铟块上表面的面积；或者，保持铟块上表面的面积不变，逐步增加或减小铟块下表面的面积；以探测器法线方向应变为判据，得到整个红外焦平面探测器法线方向应变幅度随铟块形态变化的演变趋势。由此获得满足要求的铟块结构，用以降低红外焦平面探测器的热变形。

下面详细介绍上述步骤：

a.基于等效方法建立红外焦平面探测器的结构分析模型，考虑计算效率，这里我们选用32×32等效128×128阵列规模。

b.设定探测器的具体结构参数，包括光敏元芯片、互连后的铟块阵列、底充胶和硅读出电路三维尺寸及局部形貌；材料参数和材料模型；网格划分。这里设定光敏元芯片的厚度为10微米，互连后的铟块的高度取10微米，底充胶的厚度取10微米，铟块阵列与底充胶相间排列，硅读出电路的厚度为300微米。其中铟块的上、下表面为八边形，下表面直径固定为24微米，上表面直径为6微米。

c.施加边界条件和初始条件，这里边界条件指在对称面处施加面对称条件，同时对硅读出电路的下表面中心点施加零自由度约束；初始条件为整个器件的温度为室温。进行有限元分析求解得出整个红外焦平面探测器法线方向的应变值和应变分布。这里利用ANSYS软件进行结构应变分析。

重新设定铟块的结构形态，铟块下表面直径固定为24微米，铟块高度固定为10微米，铟块上表面直径从6微米开始，以6微米的步长逐步增加到36微米，其余结构参数保持不变。重复步骤b-c，可得出128×128阵列规模红外探测器法线方向应变随铟块上表面直径的演化关系，如图3所示。从图3中可以看出，当铟块上表面直径大于24微米时(见图3中，铟块上表面直径分别取30微米和36微米)，InSb红外焦平面探测器法线方向的最大应变均高于0.062。当铟块上表面直径小于24微米时(见图3中，铟块上表面直径分别取6微米、12微米和18微米)，InSb红外焦平面探测器法线方向的最大应变保持在0.052左右，低于铟块上表面直径取24微米时的0.061，下降了大约16％。

图4是本实施例中，铟块的上、下表面均为八边形，下表面直径固定为24微米，高固定为10微米时，当铟块上表面直径为30微米时，液氮冲击后模拟得到的InSb红外焦平面探测器法线方向的应变分布图。

图5是本实施例中，铟块的上、下表面均为八边形，下表面直径固定为24微米，高固定为10微米时，当铟块上表面直径为24微米时，液氮冲击后模拟得到的InSb红外焦平面探测器法线方向的应变分布图。

图6是本实施例中，铟块的上、下表面均为八边形，下表面直径固定为24微米，高固定为10微米时，当铟块上表面直径为12微米，液氮冲击后模拟得到的InSb红外焦平面探测器法线方向的应变分布图。

显然，当铟块上表面的面积大于等于下表面的面积时，见图4和图5，在光敏元区域，沿法线方向，凡是与铟快阵列连接的光敏元芯片往上凸起明显，凡是与底充胶相连接的光敏元芯片往下凹陷明显，二者在应变云图上的颜色差别较大，清晰可见。当铟块上表面的面积小于铟块下表面的面积时，见图6，在光敏元阵列区域，沿法线方向，与铟快阵列连接的光敏元芯片往上有凸起，与底充胶相连接的光敏元芯片往下有凹陷，二者在应变云图上的颜色几乎没有区别，上凸与下凹之间的界限模糊不清。从应变数据上看，此时InSb红外焦平面探测器的表面起伏幅度明显减弱，平整度显著提高。

由此可知，当铟块的上、下表面均为八边形，其上表面的面积小于其下表面的面积时，模拟得到的热应变显著减小，InSb红外焦平面探测器的平整度显著提高，这有利于提高InSb红外焦平面探测器的结构可靠性，有助于增强探测器的耐冲击寿命。

本实施例中铟块的上、下表面优选为八边形，当然作为其他实施方式，还可为四边形、五边形、六边形，圆形等等。

本实施例中铟柱的下表面固定为24微米，当然作为其他实施方式，下表面还可固定为25微米、26微米等等，该尺寸可根据实际的红外焦平面阵列大小进行设置，这里不再一一列举。

本实施例中，是将铟柱阵列下表面固定不变，改变上表面尺寸来验证上表面的面积小于其下表面的面积时红外焦平面探测器的结构的高可靠性，当然，作为其他实施方式，还可以将上表面固定，如固定为12微米、16微米等，使下表面在一定范围内进行变化来验证上表面的面积小于其下表面的面积时红外焦平面探测器的结构的高可靠性。

作为其他实施方式，光敏元芯片还可为碲镉汞(HgCdTe)芯片或铟镓砷(InGaAs)芯片或铟砷锑(InAsSb)芯片或铟砷/镓锑(InAs/GaSb)芯片或镓砷/铝镓砷(GaAs/AlGaAs)芯片。

在制备上述红外焦平面探测器时，光敏元芯片通过铟块阵列与硅读出电路互连的方法为：可只在光敏元芯片的电极上制备铟块阵列，或只在硅读出电路的电极上制备铟块阵列，借助倒装焊设备，借助唯一的铟块阵列实现光敏元芯片和硅读出电路的电连接；或者分别在光敏元芯片和硅读出电路的电极上制备铟块阵列，借助倒装焊设备互连，把两个铟块阵列通过冷压焊的方式连接成一个铟块阵列，实现光敏元芯片和硅读出电路之间的电连接。

Claims (4)

1.一种红外焦平面探测器，该红外焦平面探测器包括光敏元芯片、铟块阵列、底充胶和硅读出电路，光敏元芯片通过铟块阵列与硅读出电路互连，底充胶填充在光敏元芯片与硅读出电路之间的夹缝中，其特征在于，所述铟块阵列中每一个铟块的上表面和下表面均为N边形或圆形，与光敏元芯片连接的铟块上表面面积小于与硅读出电路连接的铟块下表面面积，铟块的纵向切面整体上呈梯形，其中N≥3。

2.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器，其特征在于，所述光敏元芯片通过铟块阵列与硅读出电路互连的方法为：分别在光敏元芯片的电极上和硅读出电路的电极上制备铟块阵列，借助倒装焊设备把两个铟块阵列通过冷压焊的方式连接成一个铟块阵列。

3.根据权利要求1所述的红外焦平面探测器，其特征在于，所述光敏元芯片通过铟块阵列与硅读出电路互连的方法为：只在光敏元芯片的电极上制备铟块阵列，或只在硅读出电路的电极上制备铟块阵列，借助倒装焊设备，通过铟块阵列实现光敏元芯片和硅读出电路之间的电连接。

4.根据权利要求1-3任一所述红外焦平面探测器，其特征在于，所述光敏元芯片为锑化铟(InSb)芯片或碲镉汞(HgCdTe)芯片或铟镓砷(InGaAs)芯片或铟砷锑(InAsSb)芯片或铟砷/镓锑(InAs/GaSb)芯片或镓砷/铝镓砷(GaAs/AlGaAs)芯片。