热冲击下红外焦平面探测器碎裂机理研究

热冲击下红外焦平面探测器的高碎裂几率制约着其适用性、列装性，成为批量生产中急需解决的问题。项目以128×128锑化铟焦平面探测器为研究背景，针对热冲击下锑化铟芯片碎裂问题，采用理论分析、模拟仿真和热冲击试验相结合的方法，深入研究锑化铟芯片碎裂机理。建立128×128锑化铟探测器结构分析模型，分别模拟热冲击下器件结构参数对锑化铟芯片中热应力值及其分布的影响和工艺损伤与裂纹扩展速度、方向的联系，结合降温过程中用扫描电子显微镜观测记录的裂纹萌生位置和扩展长度以及用光学显微镜记录的裂纹分布特征，辨识热冲击下锑化铟芯片碎裂诱因。以此为基础，针对大面阵红外探测器，研究热冲击下锑化铟芯片上热应力值及其分布随阵列规模的演变规律，优化器件结构参数，达到降低热应力、提高结构可靠性的目的。这为降低热冲击下128×128锑化铟探测器的碎裂几率和更大阵列规模锑化铟探测器的批量生产提供理论依据和工艺方案。

热冲击下红外焦平面探测器的高碎裂几率制约着其适用性、列装性，成为批量生产中急需解决的问题。项目以128×128锑化铟焦平面探测器为研究背景，针对热冲击下锑化铟芯片碎裂问题，采用理论分析、模拟仿真和热冲击试验相结合的方法，系统深入研究锑化铟芯片碎裂机理。主要研究内容分三个部分：. 1.基于所提出的等效建模设想，选取32×32的小面阵等效128×128的大面阵，建立起了128×128 InSb探测器三维结构分析模型。模拟结果表明：基于von Mises应力的判据能够给出裂纹起源地、裂纹分布，但不能清楚地解释128×128 InSb探测器上表面的屈曲变形。基于法线方向应变的判据能够提供碎裂照片中裂纹起源位置、裂纹分布、探测器表面屈曲变形，这些特征涵盖了典型碎裂照片中的全部可观、可测信息。. 2.提出了弱化InSb芯片法线方向杨氏模量的方法用于指示背减薄工艺损伤对InSb芯片结构强度的影响。借助层状材料界面上的应变分析，得出128×128 InSb探测器在热冲击下的屈曲变形源于硅读出电路和上层材料之间的热失配，屈曲模式由铟柱阵列和底充胶填充形貌决定。通过减薄硅读出电路的厚度和对Negative电极结构实施优化能够有效降低128×128 InSb探测器上表面热变形幅度，有助于降低液氮冲击中的碎裂几率。改进工艺后，热冲击下128×128 InSb探测器碎裂几率大幅降低。. 3.对于更大阵列规模的InSb探测器，研究发现：随着探测器阵列规模的增加，液氮冲击中累积的热应力应变随之近乎线性增加，这意味着现有器件结构超过某一规模后，累积的热应力应变将会超过其断裂强度。. 上述研究结果为后续优化器件结构参数、提高结构可靠性，提供了模型分析基础，模拟结果能够用于指导更大阵列面阵探测器的设计。