红外焦平面探测器(Infrared Focal Plane Array,IRFPA)是航空航天红外遥感、气象、国防和科学实验仪器等领域实现探测和追踪的重要组件。为提高灵敏度和信噪比,In Sb面阵探测器需要通过制冷设备从300K的室温迅速地下降至液氮温度(77K)。然而在热冲击过程中,由于InSb面阵探测器特定的层状结构、低温工作环境和各材料间线膨胀系数等材料参数属性的不同性,将会在InSb面阵探测器的器件内部引起过应力/变,进而导致光敏元芯片(InSb)分层,甚至会有裂纹萌生、扩展。上述分层和碎裂问题严重制约着红外焦平面探测器的可靠性和适用性,已经成为红外焦平面探测器批量生产中的主要障碍之一。本文是以课题组前期对InSb面阵探测器的结构仿真为背景,基于有限元分析和双线性内聚力模型相结合,在128×128阵列In Sb焦平面探测器的等效有限元模型中选取出Von Mises应力最大的N电极区域进行预置裂纹处理,即在N电极和InSb芯片的接触面内以及InSb芯片的内部添加内聚力元素并且合理地选取InSb芯片的裂纹扩展参数,进而形成预置裂纹,模拟出InSb光敏元芯片分层、碎裂的裂纹过程以及分层、碎裂失效后的应力/变分布特征。InSb芯片的分层失效数据显示,在处于同一位置的两内聚节点的应变数据中,只有Z轴上的相对应变量是随着加载时间慢慢增大的,验证了本文选取I型失效模式研究InSb芯片分层失效中裂纹扩展的正确性。采用降温载荷模式的实验结果表明:In Sb面阵探测器的形变方向与实际的形变方向是相反的,尤其是在InSb光敏元芯片与In柱阵列的连接处较为明显。鉴于材料参数的线弹性,调整参考温度并且采用升温载荷模式,模拟出分层后N电极正上方区域的In Sb芯片呈带状凸起,N电极附近局部剖面呈现对称的钟型分布,而且InSb芯片上表面形成的凸起和凹陷部分呈周期性的二维分布,上述仿真结果几乎与实际的InSb面阵探测器形变照片是完全匹配的。在InSb芯片发生分层和碎裂失效后,表面上均存在着较大的应力梯度,其中应力梯度密集区域和裂缝最大值区域是和实际的InSb芯片碎裂最大概率区域相吻合的。最后,给出一种新型三维裂纹扩展模拟方法,详细地给出了添加内聚力元素的APDL程序,并对计算过程中出现的不收敛性做出简要的分析。本文给出了课题组前期分析所不具有的InSb面阵探测器结构分析理论,而且演示了In Sb芯片的裂纹萌生、扩展以及裂纹扩展后的应力/变分布特征,完善了课题组前期的InSb面阵探测器结构分析的理论体系,为研究器件的失效裂纹扩展提供了参考依据。