基于TSV的大阵列灵巧红外焦平面三维异构集成关键技术研究

With the decrease of pixel area, expansion of array size and increase of the frame rate, SNR (Signal to Noise Ratio), data transmission and processing capacities and process cost become limiting factors for development of traditional IRFPA (Infrared Focal Plane Arrays) detector. According to the small and smart application requirement, this project aims to investigate TSV based 3D heterogeneous integration key technique for large array smart IRFPA. Base on the physical field coupling analyses, we can find the influence of thermal field for the output characterization of detector and failure properties of interconnects, which will direct the optimal design of the IRFPA structure. By establishing full path S-parameter model, we attempt to study signal integrity problem of high speed interconnects using time and frequency domain simulation method, and then propose the optimal interconnects plan. For the high speed processing requirement of IRFPA streaming data, the thread pool technology will be researched and fused in the heterogeneous framework to realize the low power consumption processing for real-time video streaming data. The research achievements will theoretical guide the design and realization of domestic high performance IRFPA.

随着红外焦平面探测元尺寸的减小、阵列规模的增大以及帧频的提高，输出信噪比、数据传输和处理能力以及工艺成本等因素已成为限制传统红外焦平面探测器发展的瓶颈。本项目针对红外成像系统小型化和智能化应用需求，旨在研究基于TSV的大阵列灵巧红外焦平面三维异构集成关键技术。通过物理场耦合分析研究热场对探测器输出特性和异质集成互连失效特性的影响，指导三维红外焦平面的结构优化设计。建立互连线的全路径S参数模型，采用时频域仿真方法研究三维红外焦平面的高速互连线信号完整性问题，进而提出优化的互连布线方案。面向大阵列焦平面的高速流数据处理需求，研究异构计算架构下的线程池技术，实现实时视频数据流的高速低功耗处理。本项目的研究成果将为我国高性能红外探测器的设计与实现提供理论指导。

随着军事和民用领域对红外成像系统空间分辨率、温度分辨率和实时性提出越来越高的要求，作为红外成像系统核心部件的焦平面探测单元也朝着小尺寸、大阵列规模和高帧频方向不断发展，输出信噪比、数据传输和处理能力以及工艺成本等因素已成为限制传统红外焦平面探测器发展的瓶颈。. 为了解决上述问题，该领域针对新的探测器结构展开研究，旨在通过提升填充因子以实现不减小像元感光面积前提下的像元密度的增加，上述研究周期长、投入大且见效慢，目前多数还停留在实验室样品设计验证阶段，离器件的规模化量产还有很大的差距。此外，基于现代信号处理技术的红外探测器非均匀性校正、细节增强、动态范围拓展以及超分辨率复原等方法须由置于探测器之外复杂的分离器件处理电路完成，体积和功耗大，抗干扰能力弱，难以应用到小型化系统中。近年来，三维集成技术的发展为传感器与信号处理电路的集成提供了新的解决方案。. 鉴于此，本项目针对红外成像系统小型化和智能化应用需求，研究了基于TSV的大阵列灵巧红外焦平面三维异构集成关键技术。通过物理场耦合分析研究热场对探测器输出特性和异质集成互连失效特性的影响，指导三维红外焦平面的结构优化设计。建立互连线的全路径S参数模型，采用时频域仿真方法研究三维红外焦平面的高速互连线信号完整性问题，进而提出了优化的互连布线方案。面向大阵列焦平面的高速流数据处理需求，研究了深度神经网络的智能视频信号处理方法，提出了轻量化的图像处理、目标检测和识别算法模型，在此基础上，设计了高度并行的硬件实现架构，搭建了实时视频数据流的异构处理平台，实现了对1K大阵列焦平面探测器输出信号的高速低功耗处理（在1W以内功耗下实现每秒25帧的处理）。本项目的研究成果将为我国高性能红外探测器的设计与实现提供理论指导。