摘要：在用于封裝長(zhǎng)波QWIP-LED量子阱探測(cè)器的杜瓦研制中，詳細(xì)闡明了一種用于封裝長(zhǎng)波QWIP-LED量子阱紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)采用側(cè)罩式設(shè)計(jì)，光信號(hào)從紅外窗口進(jìn)入，近紅外窗口透出，提出了一種探測(cè)器膠接在管座上，管座整體再螺接在冷頭的方法，提高探測(cè)器的互換性，通過熱適配設(shè)計(jì)，降低低溫應(yīng)力對(duì)探測(cè)器影響，選擇低冷損的TC4材料，降低杜瓦漏熱，基本解決了長(zhǎng)波QWIP-LED量子阱探測(cè)器杜瓦組件的關(guān)鍵技術(shù)，性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)，成像效果良好，達(dá)到工程封裝要求。

1引言

熱成像領(lǐng)域中，QWIP-LED器件具有較大的后發(fā)優(yōu)勢(shì)。Liu等人在1995年首次實(shí)現(xiàn)器件模型并進(jìn)行了長(zhǎng)期的改進(jìn)和優(yōu)化，N型QWIP-LED器件已由國(guó)內(nèi)相關(guān)研究人員成功的研制，其波長(zhǎng)為876 nm的近紅外光由波長(zhǎng)為8.9 μm的中波紅外轉(zhuǎn)換而成。基于QWIP-LED/CCD的紅外成像系統(tǒng)首先利用QWIP-LED將收集到的中長(zhǎng)波紅外光轉(zhuǎn)換成紅外光并將其出射，然后由CCD收集近紅外光，實(shí)現(xiàn)電子學(xué)圖像的獲取，因QWIP-LED基于無分像元結(jié)構(gòu)，同時(shí)不需要集成電子學(xué)讀出電路，與InSb、HgCdTe等傳統(tǒng)紅外熱成像器件相比，具有易于大面陣化、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

QWIP-LED存在的意義在于，它改變了中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器只能使用高工藝難度的傳統(tǒng)紅外焦平面器件的現(xiàn)狀，通過自身的紅外上轉(zhuǎn)換功能，使得使用商用Si圖像探測(cè)器進(jìn)行中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器成為可能，為紅外成像探測(cè)提供一種低成本的替代方案。

隨著波長(zhǎng)向長(zhǎng)波擴(kuò)展及探測(cè)靈敏度的提高，長(zhǎng)波QWIP-LED量子阱探測(cè)器必須工作在深低溫下，機(jī)械制冷具有微型化、小型化、可控性強(qiáng)和效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于航天航空探測(cè)器封裝應(yīng)用中，并且常通過真空杜瓦封裝。文中主要介紹長(zhǎng)波QWIP-LED量子阱器件杜瓦組件的研制情況。

2設(shè)計(jì)

2.1器件結(jié)構(gòu)

用傳統(tǒng)的光刻、腐蝕等方法制備了臺(tái)面型器件，如圖1所示。上面鍍有環(huán)狀上電極，上電極采用AuGe-Ni/Au制備，器件的下電極采用Ti/Pt/Au材料制備。

圖1 器件臺(tái)面結(jié)構(gòu)示意圖

小面積樣片臺(tái)面的大小為1.26 cm × 1.1 cm，器件有效光出射窗口為1.0 cm × 1.0 cm，最終應(yīng)用的大面積器件，其臺(tái)面的大小為1.8 cm ×1.7 cm上、下電極均為環(huán)狀，中間器件的有效發(fā)光面的大小為1.5 cm × 1.5 cm。

2.2管殼結(jié)構(gòu)

（1）結(jié)構(gòu)說明及互換性設(shè)計(jì)

多數(shù)的探測(cè)器安裝一般是用低溫膠膠接在冷頭上，利用大視場(chǎng)顯微鏡對(duì)中操作，并經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間固化操作，當(dāng)需要更換探測(cè)器或者對(duì)損傷探測(cè)器進(jìn)行機(jī)理分析時(shí)，探測(cè)器的取下工藝難度較大，且需要高溫加熱冷頭，探測(cè)器溫度過高會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器概率性失效，特別是產(chǎn)品研制初級(jí)階段，需要對(duì)探測(cè)器失效進(jìn)行反復(fù)拆裝。

為提高探測(cè)器的使用效率，降低因?yàn)楦鼡Q探測(cè)器引起的杜瓦制備成本，設(shè)計(jì)了一種高互換性的管座，如圖2所示，引線針采用玻璃珠燒結(jié)，采用整體鍍金降低表面發(fā)射率，芯片寶石片通過低溫膠膠接在管座上，一體化管座通過大視場(chǎng)顯微鏡對(duì)中螺接在冷頭上，更換器件只需更換管座即可。

圖2 高互換性管座

（2）熱失配分析

芯片材料不同，材料參數(shù)不同，特別是低溫環(huán)境下，不同材料相互間的熱失配會(huì)導(dǎo)致芯片在不同方向上發(fā)生相當(dāng)?shù)膽?yīng)力分布和應(yīng)變變化。

芯片工作溫度65 K，芯片熱功率202 mW。芯片為GaAs襯底，寶石電極板為Al2O3材料，比較Al2O3和GaAs的熱膨脹系數(shù)，Al2O3的熱膨脹系數(shù)大于GaAs，在低溫下GaAs比Al2O3收縮得更厲害，它們的組合結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生中間向上凸起的形變，由于GaAs襯底的強(qiáng)度是比較低，非常容易損壞。冷頭－管座－芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。材料的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖3 冷頭－管座－芯片結(jié)構(gòu)

表1 材料的相關(guān)參數(shù)

焦平面模塊粘接到寶石電極板上面，由于冷頭采用紫銅材料，如果將寶石片直接膠接在冷頭上，由于冷頭的熱膨脹系數(shù)比寶石片大，低溫下紫銅比Al2O3收縮得更厲害，這種情況下，整體產(chǎn)生向上的張應(yīng)力。

由于管座采用熱膨脹系數(shù)很低的因瓦，紫銅受到的應(yīng)力要比GaAs襯底下表面受到的應(yīng)力比大，因瓦的上表面與寶石片之間為膠接，因瓦在低溫下對(duì)寶石電極板會(huì)產(chǎn)生向下的拉扯，形變上表現(xiàn)為下凹，GaAs襯底產(chǎn)生壓應(yīng)力，張應(yīng)力從而被部分消減。經(jīng)過分析對(duì)比，管座厚度1.5 mm，芯片的低溫應(yīng)力最小，最大應(yīng)力（光敏元區(qū)域）為27 MPa，滿足要求，熱失配較小，器件能夠正常工作，如圖4所示。

圖4 芯片應(yīng)力分布

2.3杜瓦結(jié)構(gòu)

（1）結(jié)構(gòu)說明

杜瓦采用側(cè)罩式設(shè)計(jì)，如圖5所示，制冷機(jī)冷量由芯柱傳輸?shù)嚼淦脚_(tái)（冷頭），芯柱采用TC4材料，冷平臺(tái)（冷頭）材料采用紫銅材料，冷平臺(tái)（冷頭）與探測(cè)器寶石片之間通過因瓦管座螺接，螺栓預(yù)緊力控制在5 cN?m，冷平臺(tái)（冷頭）與管座之間通過銦片接觸，光信號(hào)從紅外窗口進(jìn)入，近紅外窗口透出，采用電鑄冷屏外表面鍍金內(nèi)表面發(fā)黑，以降低背景輻射導(dǎo)致的器件暗電流，將探測(cè)器封裝在高真空環(huán)境下，探測(cè)器信號(hào)通過引線引出。

圖5 杜瓦結(jié)構(gòu)示意圖

（2）低冷損設(shè)計(jì)

冷損（也被稱做漏熱）是杜瓦的一個(gè)重要參數(shù)，杜瓦的漏熱由四部分組成：熱傳導(dǎo)漏熱、輻射漏熱、焦耳漏熱和對(duì)流漏熱。焦耳漏熱跟自身的額定功率有關(guān)。對(duì)流漏熱由杜瓦的真空度決定，杜瓦激光密封后要對(duì)其進(jìn)行高真空烘烤排氣，排氣口相應(yīng)位置真空度可達(dá)到10-6 Pa，夾封后杜瓦工作時(shí)其內(nèi)部真空度一般也小于1 × 10-4Pa，對(duì)流漏熱非常小，可以忽略不計(jì)，其中熱傳導(dǎo)漏熱最重要的部分。較低的冷損是杜瓦設(shè)計(jì)、研制的重要目標(biāo)之一，低冷損可以顯著降低對(duì)制冷機(jī)制冷性能及系統(tǒng)功耗的要求。

紅外上轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)只有兩個(gè)電極，僅有兩根引線，芯柱傳導(dǎo)漏熱在整個(gè)熱傳導(dǎo)中占比最大，TC4材料具有較小的熱傳導(dǎo)系數(shù)，質(zhì)量更小，是理想的芯柱材料。由于杜瓦芯柱的截面都非常小，而且同為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可將其導(dǎo)熱簡(jiǎn)化為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)公式為：

綜上所述，估算液氮溫度下，采用TC4材料的芯柱材料的固體傳導(dǎo)漏熱大約為160 mW，相對(duì)于國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)不銹鋼芯柱傳導(dǎo)漏熱318 mW降低50%左右，杜瓦整體漏熱也因此減小。

3性能指標(biāo)

通過對(duì)低寄生熱負(fù)載、探測(cè)器高互換性和高可靠性等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，QWIP-LED量子阱探測(cè)器杜瓦組件成像效果良好，其主要指標(biāo)情況如表2所示，杜瓦封裝后如圖6所示。

表2 主要性能指標(biāo)

圖6 杜瓦組件照片

4成像試驗(yàn)

基于紅外上轉(zhuǎn)換探測(cè)器采用光學(xué)讀出代替了傳統(tǒng)的電學(xué)讀出，因此在系統(tǒng)光學(xué)包括杜瓦窗口、成像透鏡，以及CCD的選擇和匹配也將是總體方案需要關(guān)注的。成像演示系統(tǒng)由主光學(xué)系統(tǒng)、冷光闌、基于紅外上轉(zhuǎn)換的探測(cè)器、小型深低溫制冷機(jī)和CCD探測(cè)系統(tǒng)組成。

工作在紅外波段的主光學(xué)系統(tǒng)，收集目標(biāo)輻射的紅外能量，成像在紅外上轉(zhuǎn)換器件上。圖7為2.0 V – 13 mA – 62 K下成像效果。

圖7 成像效果

5結(jié)論

作為紅外成像探測(cè)的一種低成本的替代方案，QWIP-LED量子阱探測(cè)器改變了中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器只能使用工藝難度較高的傳統(tǒng)紅外焦平面器件的現(xiàn)狀，其杜瓦的工程封裝非常急切。在長(zhǎng)波QWIP-LED量子阱探測(cè)器的杜瓦研制中，詳細(xì)闡明了一種側(cè)罩式結(jié)構(gòu)——光信號(hào)從紅外窗口進(jìn)入，近紅外窗口透出。著重解決了低冷損設(shè)計(jì)、探測(cè)器互換性設(shè)計(jì)和芯片熱失配設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，封裝后的長(zhǎng)波QWIP-LED量子阱探測(cè)器杜瓦組件成像效果良好。