红外面阵探测器高保真建模与结构优化研究

Infrared focal plane array(IRFPA)detector is a key component of infrared imaging system, but the fracture, appearing in IRFPA detector under thermal shock test, limits its applicability for large scale equipments. Focusing on 128×128 InSb IRFPA detector,in this project, theoretical analysis, numerical simulation and experimental verification methods are all adopted, to research the large format detector structural modeling and verification method,furthermore, employing the created model, recognizing the fracture modes of IRFPA detector and optimizing its structural design. Firstly, creating the high fidelity structural analysis model of 128×128 InSb IRFPA detector, and revealing the relationship about the maximal Von Mises stress value and its distribution depending on both anisotropy and size effects of InSb chip, then basing on the typical crack originations and crack distributions appearing in the InSb chip, verifying the validity of "first division, then equivalent" modeling assumption, which is proposed in this project. Secondly, uncovering the changing tendency of the thermal stress value and distribution dependent on the structure parameters of N electrode, material selection and N electrode layout. Finally, optimizing the whole structural parameters to further reduce the thermal stress of IRFPA detector, and forming a complete low thermal stress design scheme, and combining with thermal shock test, verifying the validity of structural optimization design. All these are to provide both theoretical design rules and process schedules suitable for mass production of IRFPA detector.

红外面阵探测器是红外成像系统的核心部件，但热冲击下面阵探测器的碎裂问题严重制约着其适用性。针对这一问题，项目拟以128×128锑化铟面阵探测器为研究背景，采用理论分析、数值仿真和试验验证相结合方法，开展大面阵红外探测器结构建模、模型验证及其在探测器碎裂模式辨识、低碎裂结构设计优化方面的研究。建立128×128面阵探测器高保真结构分析模型，揭示热冲击下最大Von Mises应力及分布随材料各向异性和尺度效应的依赖关系，结合典型裂纹起源及分布特征，验证"先分割、后等效"这一大面阵探测器结构建模设想的正确性。针对现有典型裂纹起源于N电极区域的统计分析结果，系统研究热应力极值及分布随N电极结构参数、材料选取、布局等因素的演变规律。优化器件结构参数，进一步降低热应力，形成探测器低碎裂结构设计方案，结合热冲击试验，验证优化设计的有效性。这为大幅提升红外面阵探测器的成品率提供设计依据和实现手段。

红外面阵探测器是红外成像系统的核心部件，但热冲击下面阵探测器的碎裂问题严重制约着其适用性。针对这一问题，项目以128×128锑化铟(InSb)面阵探测器为研究背景，采用理论分析、数值仿真和试验验证相结合方法，开展了大面阵红外探测器结构建模、模型验证及低应力结构设计优化方面的研究。具体内容如下：. (1). 依据探测器结构特点，提出了“先分割、后等效”的建模思想，将面阵探测器分割为光敏元阵列区域和外围区域两部分，分别进行等效变换，并考虑InSb芯片力学性能参数的各向异性，温度相关性，以及表面损伤和尺度效应对InSb芯片法线方向材料参数的选取影响，建立了适用于大面阵InSb探测器结构分析的高保真模型。模拟结果表明，热冲下探测器的热失配应力/应变的分布规律及最大值出现的位置，与128×128 InSb探测器件在热冲击下的典型裂纹发源地及裂纹分布一致。. (2). 研究了热冲击过程中InSb红外面阵探测器中热应力及形变分布与N电极结构尺寸和材料选取等参数的依赖关系；基于内聚区模型研究了N电极区域材料分层、光敏元芯片断裂过程；分析了三种不同电极布局方式对探测器形变的影响，研究结果表明，采用延长N电极下方铟柱代替金做N电极，直接连接InSb芯片的N型区域，能够有效减小N电极附近Z方向热形变。. (3). 以上述N电极区域的结构优化设计为基础，进一步优化器件结构，结合热冲击试验，调整器件结构参数、工艺参数和材料选取设计低碎裂几率InSb面阵探测器；通过减小读出电路的厚度，有效减小面阵探测器表面的形变幅度，从而降低探测器的碎裂几率，实现低应力/应变面阵探测器的结构优化设计。. 这些研究结果，为大面阵InSb探测器的低碎裂结构优化设计、大幅提升红外面阵探测器的成品率提供设计依据和实现手段。