非制冷红外焦平面探测器的可靠性测试

李兵伟 李金 高竹 张鹏

1.驻某军代室； 2.烟台艾睿光电科技有限公司

一、引言

随着数模混合集成电路技术与微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems）技术的不断发展，非制冷红外焦平面探测器制造技术也逐渐成熟并投入商用。与制冷型红外探测器相比，非制冷型红外探测器在集成化、小型化[2]等诸多方面具有很大优势。目前主流的非制冷红外焦平面探测器采用基于表面MEMS工艺的微测辐射热计与专用集成电路（ASIC, Application Specific Integrated Circuit）单片集成的技术路线来实现。

可靠性是指产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性与电子工业的发展密切相关[1]，随着电子产品复杂度、元件密度越来越高，使用环境越来越苛刻，可靠性的概念正变得越来越重要[2]。使用最为广泛的一个衡量可靠性的参数是MTTF，定义为产品在出现故障前时间的期望值。MTTF是进行零件寿命周期推算的主要手段，是针对高频率故障零件给出重点对策及零件寿命延长的技术改造依据。

目前非制冷红外探测器由于其体积小，成本低及容易使用维护等优点，广泛应用国防装备及民用监控、测温等领域。但与产品本身大幅度应用及推广相比，非制冷红外产品的可靠性评估手段远远落后，目前行业标准基本处于完全空白的状态。各探测器生产厂家有一些零散的、小范围的评估手段，但都不够成熟和系统。本文针对这一现状，结合电子产品国军标相关要求和非制冷红外探测器的具体情况，提出了一种非制冷红外焦平面探测器的MTTF的试验方法，希望能对各非制冷红外探测器生产厂家、客户的评价手段的丰富和行业标准的完善起到积极作用。

二、试验样品

烟台艾睿光电公司作为国内领先的非制冷红外探测器生产厂商，具备完整的设计、研发、生产、测试非制冷红外焦平面探测器的能力，从业至今已有十年的市场经验，熟悉非制冷红外焦平面探测器的一系列标准法规，具有完善的非制冷红外焦平面探测器的质量管理规范化和标准化体系。本文选取烟台艾睿光电科技有限公司生产的17μm、640x512面阵、VOX金属封装探测器进行试验，数量为10支。

三、试验方案

（一）故障定级与加权

一级故障：丧失全部或主要功能的故障。权数k1=1;

包括：真空失效，无图像，不上电，功耗异常等。

二级故障：丧失次要功能或主要性能退化的故障。权数k2=0.5～0.7；

包括：（1）成像功能：坏行，坏列，盲元簇，斑，雪花，彗尾，花屏，砂屏等。

（2）探测器性能：

a) 平均响应率(SITF)：波动大于10%；

b) 噪声等效温差(NETD)：波动大于10%；

c) 响应率不均匀性：大于3%；

d) 盲元率：大于0.1%；

三级故障：不影响规定功能实现的故障。权数k2=0.1～0.2；

包括：管脚弯曲，管壳刮伤，锗窗划伤等。

当不允许加权计算时，一级和二级故障算为责任故障数，本文试验中不加权。

（二）试验参数

本文选定的试验方法为定时截尾试验，试验参数可以根据客户指定参数计算。

如果客户指标选定：

MTTF检验值的上限值θ0(客户提供的MTTF规定值)；

MTTF的下限值θ1(客户提供的MTTF最小可接受值)；

鉴别比d；

生产方风险率α；

使用方风险率β；

等参数，则只需要按照已知参数计算接收故障数a和试验总时间T0即可，计算方法如下：

1.确定合格判定数a

a）故障不允许加权时，合格判定数a由下面公式确定。

b）故障加权时，合格判定数a由下面公式确定。

2.确定试验截至时间T0

a）故障不允许加权时，试验截至时间T0由公式

b）故障加权时，试验截至时间T0由公式

如果客户指标中只有θ1（期望MTTF）而未明确规定d、α、β时，可在表1中选择。本文试验选择方案17，判决故障数a=2,θ1=3000,T0=4.3＊3000=12900h。

表1 标准型定时试验统计方案简表

（三）试验载荷和任务剖面

1.循环周期

一个试验周期由两个工作循环构成，第一个工作循环为电应力和温度应力的组合(72h)，第二个工作循环为振动应力和电应力的组合(24h)，共计96h。

2.温度应力

每个试验周期被试验产品共经历5个工作温度，包括极限高温（75℃）、极限低温（-55℃）、高温（55℃）、低温（-45℃）和常温（25℃），极限高、低温工作时间各占总试验时间的10%(7.2h)，常规高、低温工作时间各占总试验时间的25%(18h)，常温工作时间占总试验时间的30%(21.6h)，温度变化速率不超过10℃/min。试验循环如图1所示。

在第一个试验周期的起始点进行低温贮存试验，在第五个试验周期的极限高温工作期进行高温贮存试验，低温贮存和高温贮存的贮存时间均为4h。

3.电应力

电应力：按产品规格输入标称电压，波动范围为标称电压的±10%，在每个工作循环内，施加标称电压时间为50%，施加标称电压上、下限时间各占25%，高温时电应力一般工作于上限值，低温时电应力一般工作于下限值，在每个试验周期的第一个工作循环内，随机断电9.6h。

4.振动应力

若无客户条件则按照GJB 150.16A-2009或GJB 548B-2005要求进行随机振动总试验时间的25%(24h)。

5.冲击应力

温度冲击：每2个试验周期结束后，对产品进行温度冲击，试验温度-45℃～+63℃，3个循环，方法参照GJB 150.5A-2009，也可根据实际项目需求选择条件。

机械冲击：每2个试验周期结束后，对产品进行机械冲击，冲击量级根据实际项目需求选择条件，若无项目条件则按照GJB 150.18A-2009或GJB 548B-2005条件进行。

6.湿度应力

对于探测器产品来说，湿度试验一般不进行；若有需要，则在最后一个试验循环的高温阶段进行，湿度按照项目要求，地面移动装备参考GJB 150.9A-2009选择95%±5%；对于船用和机载设备，可参考GJB 899A-2009附录B选择。

图1 试验循环组成图

图2 试验循环路线图

四、试验数据及分析

表2～表5分别是10支探测器样品在初测、第1、第7、第14试验周期后的测试数据，从数据可以看到平均响应率、噪声等效温差、响应率非均匀性及功耗都符合标准；从图3可以看到SiTF和NETD波动也都在10%以内；样品7的盲元率在试验完成后超标准，所以判断责任故障数r = 1。

表2 被试品初始测试数据

表3 第1周期结束后测试数据

要求 ≥11mV/K ≤50mK ≤3% ≤0.1% ≤250mW样品1 15.904 39.277 0.89% 0.011% 188.459样品2 15.376 37.679 0.76% 0.003% 180.585样品3 15.43 38.865 1.09% 0.014% 181.12样品4 16.13 37.979 1.07% 0.007% 188.96样品5 15.004 39.92 1.30% 0.001% 177.905样品6 15.653 39.248 1.22% 0.006% 190.828样品7 15.619 37.186 0.88% 0.005% 181.25样品8 16.421 38.412 0.92% 0.004% 178.549样品9 16.15 35.239 0.96% 0.006% 181.968样品10 15.018 38.465 0.96% 0.020% 182.198

表4 第7周期结束后测试数据

表5 第14周期结束后测试数据

图3 10支被试品经过14个试验周期后的SiTF与NETD的变化率

五、MTTF计算

（一）合格与否的判断

因为责任故障数r = 1，小于接收故障数a = 2，所以做接收判决。

（二）估计MTTF的观测值

其中T为实际试验时间。由于r = 1，所以本次试验的直接观测值为13440h。

（三）估计MTTF的验证值

估计MTTF的验证值时，若无特别规定，推荐置信水平C=1-2β。由公式（6）～（8）和查表[8]就可以得到验证值（验证区间）为：当置信度为60%时，验证区间满足（4489,60269），也就是说MTTF>4489h的概率为80%。

六、结语

本文结合电子产品相关国军标和非制冷红外探测器的实际情况，制定了有针对性的MTTF试验方案，并进行了试验验证。方案的制定和试验结果如下：本文对非制冷红外探测器有可能产生的故障进行分级并加权，介绍试验参数的设计和试验数据的理论计算，制定符合非制冷红外探测器的试验载荷和任务剖面，形成了完整的试验方案。对试验数据分析，试验结果表明：非制冷红外探测器在可信度60%时，MTTF的验证区间为（4489,60269），即MTTF>4489h的概率为80%。