【摘 要】
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近年来,超大规模线列红外焦平面探测器组件在气象、资源、环境及天文等领域有着重要的应用。受背景噪声抑制的限制,红外探测器往往需要在100K以下的低温工作。随着系统应用对大视场、高空间分辨率及高时间分辨率等需求的不断提高,单个探测器模块规模的发展已不能满足设计指标要求,需要将几个甚至几十个探测器模块在杜瓦组件内集成,而探测器模块的热匹配性、组件杜瓦的传热及轻量化等问题凸显。因此,发展超大规模线列红外焦
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
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近年来,超大规模线列红外焦平面探测器组件在气象、资源、环境及天文等领域有着重要的应用。受背景噪声抑制的限制,红外探测器往往需要在100K以下的低温工作。随着系统应用对大视场、高空间分辨率及高时间分辨率等需求的不断提高,单个探测器模块规模的发展已不能满足设计指标要求,需要将几个甚至几十个探测器模块在杜瓦组件内集成,而探测器模块的热匹配性、组件杜瓦的传热及轻量化等问题凸显。因此,发展超大规模线列红外焦平面探测器组件集成封装技术,解决高温度循环可靠性、高温度均匀性及轻量化等关键封装技术,对发展下一代红外焦平面技术具有重要意义。本文以探测器拼接数量为20个的超大规模线列红外焦平面探测器低温封装为研究对象,通过有限元仿真分析、结构设计与迭代优化、试验验证相结合的方法,重点解决红外探测器与超长冷平台的热适配、超长冷平台与制冷机的低热应力与高可靠性耦合、超大尺寸杜瓦轻量化设计与制备等问题,主要研究内容及创新成果如下:针对超大规模线列红外焦平面组件可扩展、可维修、方便测试的原则,创新地设计了一种工作温区100K以下的、由多个“Z”型子基板与TC4辅助安装板精密组装而成的超长冷平台结构,每个子基板三维可调、集成4～8个探测器。分析了支撑分布、支撑材质、支撑壁厚对超长冷平台的力学振动及支撑漏热的影响,结果表明支撑壁厚为0.3mm、三点交错分布的TC4支撑具有较高的抗力学振动特性,超长冷平台的模态一阶基频为356Hz,Y向正弦振动响应的最大放大倍数为1.46倍;当探测器模块从20个扩展到100个时,在保持支撑密度不变的情况下,超长冷平台的模态一阶基频及Y方向放大基本保持稳定,验证了超长线列杜瓦冷平台及交错支撑分布结构的可扩展性。针对超长冷平台高温度均匀性、低封装应力及Z向低温形变的设计指标要求,建立了探测器子模块封装结构的热分析模型,分析了不同厚度、不同材质的基板对探测器耦合热应力及低温形变的影响。结果表明:在金属基板中,采用可伐基板时探测器封装热应力最小,综合指标最优;在探测器宝石电极板与基板间增加平衡层可以减小封装热应力,当可伐基板厚度6mm、因瓦平衡层厚度0.5mm时,Ga As衬底的热应力小于20MPa;在对5个厚度6mm的“Z”型可伐子基板与TC4辅助安装板构成的超长冷平台进行的有限元热仿真分析表明,所有探测器模块Hg Cd Te外延层的最大低温形变为±12.5μm,Ga As衬底的最大热应力为25.3MPa,该冷平台的抗低温形变能力良好。针对由多子基板超长冷平台结构与制冷机冷量单点冷源输出的特点,比较了了多柔性冷链间接耦合、双柔性冷链间接耦合及单个三维柔性冷链直接耦合这三种冷量传输结构,明晰了这三种结构对超长冷平台的温度均匀性及其与冷源之间温差的影响。分析结果表明:在温差控制方面,采用三维柔性冷链结构可以实现两者间的温差最小为4.64K;在温度均匀性控制方面,当加载5W的探测器焦耳热时,双柔性冷链结构和三维柔性冷链结构分别实现了±0.26K、±0.22K的温度均匀性;在柔性方面,对集成三维柔性冷链后的超长冷平台进行热仿真分析,结果表明所有探测器模块Hg Cd Te外延层的低温形变为±12.34μm,Ga As衬底的热应力为25.9MPa,冷链柔性优异。针对超大规模线列红外焦平面杜瓦轻量化的应用需求,提出了拓扑优化、轻量化材料应用、多部件高气密焊接结构与工艺设计相结合的一体化设计实现方法。采用银铜焊料并利用多次钎焊的方式实现了TC4窗口座与可伐过渡环等零件的连接,通过对可伐与TC4钎焊试件镀镍保护的方式抑制Ti元素与Fe元素的接触,EDS和XRD测试结果表明,焊缝中不存在Ti Fe、Ti Fe2等脆性金属间化合物,其平均抗拉强度达到505.8MPa;采用多窗口先独立低温焊再激光焊的方法实现了超大尺寸光窗结构的密封,光窗组件的漏率优于4.80×10-11Torr.l/s;优化后的杜瓦重量9.82kg,减轻率57.3%.搭建了超大规模线列红外焦平面杜瓦热特性测试系统,实现了超长冷平台的温度场及低温平面度的评价测试,并完成了杜瓦制冷组件力学及热学环境试验验证。实测结果表明由20个探测器模块超长线列拼接的杜瓦冷平台的温度均匀性为95±0.26K,超长冷平台与同轴脉管制冷机冷指耦合面间的温差4.67K,超长冷平台上探测器的低温平面度为26.4μm,杜瓦总重量9.86kg,超长冷平台耦合后的随机扫频试验共振点为341.99Hz,与设计结果吻合;杜瓦封装后的整体漏率达到4.2×10-12Torr.l/s,并通过了总均方根6.8grms随机振动试验考核。因此,本课题的研究对后续超大规模焦平面杜瓦的工程化制备具有重要的参考意义。
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