非制冷红外探测器陶瓷封装结构优化及可靠性分析

刘继伟，王金华，孙俊伟，胡汉林，陈文礼

〈材料与器件〉

非制冷红外探测器陶瓷封装结构优化及可靠性分析

刘继伟，王金华，孙俊伟，胡汉林，陈文礼

（烟台艾睿光电科技有限公司，山东 烟台 264006）

陶瓷封装是非制冷红外探测器最主流的封装形式，封装的低成本、小型化和高可靠性是发展方向。在某款陶瓷封装探测器结构的基础上，提出一种优化结构，优化后成本降低约5%、体积缩小约30%。基于ANSYS Workbench有限元分析软件，从网格数量无关性验证出发，分析了非制冷红外探测器陶瓷封装原始结构和优化结构各组件在10.2随机振动环境和500半正弦波冲击振动环境的最大等效应力和最大形变，结果显示两种结构均满足可靠性要求。在此基础上，本文对优化结构红外窗口的不同材料和不同厚度进行了500半正弦波冲击振动环境可靠性仿真，结果表明：0.3mm～1.0mm厚度锗窗口和硅窗口均满足可靠性要求，最大等效应力和最大形变与窗口厚度呈负相关，相同厚度的红外窗口，硅窗口比锗窗口可靠性表现更好。本文的研究为非制冷红外探测器陶瓷封装形式的后续结构设计和仿真计算提供了参考。

非制冷红外探测器；有限元；陶瓷封装；结构优化；可靠性

0 引言

自1978年被提出后，得益于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）的发展，非制冷红外探测器在军事和民用领域取得了较大进展。尤其是2019年全球范围内开始爆发的新冠疫情，加速普及了非制冷红外探测器在测温领域的应用。相比于制冷型红外探测器，非制冷红外探测器的体积和重量明显降低，然而在某些应用场景，比如航天、军工领域，其体积和重量仍显不足。受限于封装成本等因素制约，非制冷红外探测器的应用场景主要为军用、高端商用等，大部分应用环境较为苛刻，为此，非制冷红外行业提出了“低成本、小型化、高可靠性”的探测器发展方向。目前，非制冷红外探测器的封装成本在总成本中占比超过了50%，同MEMS技术一样，封装技术是制约非制冷红外探测器发展的关键因素之一[1-3]。

到目前为止，非制冷红外探测器的封装形式主要包括金属封装、陶瓷封装、晶圆级封装以及近期出现的像素级封装[4]。相较于其他3种封装形式，陶瓷封装能够使非制冷红外探测器兼具高性能、低成本、小体积和轻质量等优点，是目前非制冷红外探测器封装的主流形式[5]。相较于国内，国外非制冷红外探测器的陶瓷封装形式发展较早并且技术更加成熟。法国Lynred公司推出的PICO640S（像素阵列规模为640×480）采用了Pin Grid Array的陶瓷封装形式，其薄膜吸气剂生长在红外窗口上，使用可伐框作为缓冲结构[6]。美国DRS公司推出的U6160产品（像素阵列规模为640×480）采用了Leadless Chip Carriers的陶瓷封装形式，其薄膜吸气剂也是直接生长在锗红外窗口上，并且采用无可伐框的优化结构[7]。国内非制冷红外探测器的陶瓷封装形式多采用片状或柱状吸气剂，并固定在管壳下表面。究其主要原因是受到国外吸气剂对国内技术上的限制，以致国内产品很难进一步减小非制冷红外探测器陶瓷封装尺寸和成本。随着国内吸气剂制备技术的突破，薄膜型吸气剂已经可以集成在陶瓷封装的红外窗口上，这给非制冷红外探测器向着低成本、小型化的发展提供了机会。

针对薄膜型吸气剂陶瓷封装的开发，以某款量产探测器陶瓷封装结构为基础，提出一种非制冷红外探测器陶瓷封装优化结构，基于ANSYS Workbench有限元分析，对原始结构和优化结构进行随机振动分析和随时间变化的载荷冲击分析。

1 模型建立

1.1 几何模型

传统非制冷红外探测器的陶瓷封装形式主要由红外窗口、可伐框、吸气剂、管壳、芯片和引脚组件构成。图1展示了某款陶瓷封装形式的非制冷红外探测器的原始结构，本文针对该款结构进行了优化，采用薄膜吸气剂方案，取消可伐框，使整个探测器的制作成本降低了约5%；同时，由于片状吸气剂的取消，整体探测器的宽度由22mm缩减为19mm，可伐框的取消使探测器的高度由8.03mm缩减为6.45mm，体积整体减小约30%，优化后结构如图2所示。由于可伐框主要在红外窗口与管壳之间起缓冲作用，可以提升红外窗口耐受振动和机械冲击的能力，结构优化后的陶瓷封装形式应着重研究产品的可靠性。本文基于ANSYS Workbench建立三维有限元模型进行可靠性仿真，对比分析了原始结构、优化结构在随机振动和随时间变化的载荷冲击过程中形变和受力的情况。

图1 陶瓷探测器原始结构模型

图2 陶瓷探测器优化结构模型

由于本文主要研究原始结构、优化结构在可靠性验证过程中形变和受力情况，因此去除了对分析结果影响较小的圆角、倒角，并对焊料部分进行了一定的简化，同时对原始结构的吸气剂部分进行简化，得到三维仿真模型。三维仿真模型的各个组件及探测器整体尺寸参数如表1所示。

1.2 材料参数

仿真过程使用ANSYS Workbench软件，在可靠性分析中建立有限元模型、加载边界条件与计算、查看结果与后处理。仿真过程中各组件的力学性能参数如表2所示。

表1 某款陶瓷红外探测器优化前后各组件及整体尺寸参数

表2 各组件材料参数

1.3 网格数量无关性验证

由于非制冷红外探测器是真空封装，数值分析过程中红外窗口上表面和可伐框上表面受到一个大气压力，仿真过程中使用Fixed Support边界条件约束引脚。网格的数量和质量直接影响数值计算结果精度和准确性，是保证数值计算可信度的关键[8]。本文计算模型划分四面体网格，比较网格单元数量与红外窗口上表面最大等效应力的关系。从图3中可以看出，网格数量大于20万后，随着网格数量的增加，红外窗口上表面最大等效应力基本不变，考虑划分网格数量对计算结果的影响和计算资源的限制，同时考虑网格数量对红外窗口上表面最大等效应力影响在1%的误差以内，本文对三维仿真模型划分为53万网格单元数量进行计算。

2 可靠性研究

2.1 可靠性仿真条件

大约有三分之一左右的电子器件的失效或故障是由振动引起的。根据使用环境的不同，探测器受到的随机振动的频率和振幅也不相同。探测器能够经受不同使用环境下随机振动的强度直接关系到探测器在不同场景下的稳定性。由于随机振动十分复杂，本文采用功率谱密度的分析方法，确定探测器结构对功率谱随机载荷的动力响应。

图3 网格数量无关性验证

非制冷红外探测器在使用过程中不可避免地受到随时间变化的载荷冲击影响，剧烈的瞬时冲击会使探测器产生较大的应力和形变，进而导致探测器的性能下降甚至永久性损坏，因此必须对结构进行冲击响应分析。由于冲击激励十分复杂，为方便研究，可以将冲击激励处理成具有一定规则性的响应谱形式，比如半正弦波、后峰锯齿波等。

参照国家军用标准，对优化前后非制冷红外探测器的陶瓷封装形式进行了两种最常见的结构动力学可靠性分析——随机振动分析和半正弦波分析[9-10]。随机振动分析使用加速度功率谱，频率范围从20Hz到2000Hz，加速度的总均方根10.2，代表加速度总均方根值，如图4所示。半正弦波分析峰值500，持续时间1ms，三轴六向，每个方向冲击5次，波形函数，如图5所示。

图4 随机振动功率谱曲线

图5 半正弦波形函数

2.2 随机振动分析

表3总结了优化前后非制冷红外探测器的陶瓷封装两种结构在10.2的随机振动环境下，各组件在、、方向上的3应力及形变（3表示符合高斯分布的99.73%的发生概率）。从表3中可以看出，两种结构中各组件的最大形变均发生在方向上，即与红外窗口垂直的方向上。

在随机激励载荷作用下，探测器各组件的最大形变出现在红外窗口处，图6比较了优化前后两种结构的红外窗口在随机激励载荷作用下的等效应力和方向的形变。最大等效应力发生在红外窗口与下方组件的接触位置，最大形变出现在红外窗口的中心位置。取消可伐框之后降低了对窗口的缓冲保护作用，相较原始结构，优化结构各组件在10.2随机振动环境载荷作用下等效应力均有所增加，凹陷变大。尽管如此，优化结构依然满足可靠性要求。材料受外应力负载到一定限度时，即使不增加负载，材料仍会继续发生明显的塑性形变，这种现象叫“屈服”，发生屈服时的应力称为屈服极限，超过这一数值材料会发生断裂。红外窗口和芯片的主体材料分别为锗和硅，两种材料的屈服极限分别为115MPa[11]和7000MPa[12]。原始结构和优化结构所受的最大应力远远小于材料的屈服极限，完全满足可靠性要求。仿真结果表明优化后探测器能够通过环境试验条件要求的随机振动试验，探测器设计满足10.2载荷条件下的随机振动可靠性要求。

表3 各组件随机振动计算结果

2.3 机械冲击分析

采用模态叠加法，验证了非制冷红外探测器陶瓷封装两种结构在承受国军标要求的500半正弦波冲击振动环境后的影响。如图7(a)、(b)、(c)所示，探测器各组件在、、三个方向上最大等效应力和最大形变均发生在方向上。考虑到红外窗口是探测器最容易失效的组件，红外窗口受到最大等效应力为3.05MPa，远小于红外窗口的屈服极限115MPa。

在500半正弦波冲击振动环境下对红外窗口进行强度考核：

式中：M.S.为安全裕度；为许用应力；max为计算应力；为安全因子，屈服极限一般取1.2；破坏载荷一般取1.35[13]。

根据公式(1)计算红外窗口安全裕度M.S.，屈服极限＝1.2，计算得到M.S.＝30。

通过上述计算，在500半正弦波冲击振动环境仿真过程中，虽然非制冷红外探测器陶瓷封装形式优化结构相较于原始结构红外窗口受到的最大等效应力有所增加，优化结构红外窗口安全裕度依然远大于1，优化结构红外窗口抗力学设计满足要求，发生失效的可能性极低，优化结构符合力学环境可靠性要求。

3 红外窗口材料和厚度对可靠性影响分析

上述讨论均基于厚度为0.7mm的锗红外窗口。除此之外，本文还仿真了优化结构的红外窗口厚度分别为0.3mm、0.5mm、1.0mm锗窗和0.3mm、0.5mm、0.7mm、1.0mm硅窗在500半正弦波冲击振动环境中等效应力水平和最大形变的情况。如图8(a)、(b)所示，当锗窗口厚度从1.0mm减薄到0.3mm时，红外窗口受到最大等效应力由2.31MPa增大到6.68MPa，最大形变从380nm增大到2500nm。当硅窗口厚度从1.0mm减薄到0.3mm时，红外窗口受到最大等效应力由1.47MPa增大到3.08MPa，最大形变从176nm增大到874nm。两种材料的红外窗口厚度由1.0mm减薄到0.3mm过程中，最大等效应力和最大形变均满足材料要求。当窗口厚度相同时，硅材料窗口受到最大等效应力和产生的最大形变都较小。在特定波段红外线透过率满足要求的前提下，应优先考虑硅材料来制作红外窗口，同时可适当减薄窗口厚度。

4 结论

本文提出了一种非制冷红外探测器陶瓷封装优化结构，并对优化前后结构在10.2随机振动环境和500半正弦波机械冲击振动环境下的可靠性进行了有限元仿真分析，同时研究了红外窗口材料和厚度对机械冲击振动环境可靠性仿真的影响，得到结论如下：

图8 半正弦波冲击振动环境对不同材料红外窗口的影响

1）相较于优化前的结构，优化后陶瓷封装的非制冷红外探测器的制作成本降低了约5%，体积减少了约30%。

2）10.2随机振动环境分析过程中，优化后各组件受到的等效应力有所增加，但均远小于各组件材料的屈服极限。

3）500半正弦波冲击振动环境分析过程中，优化前后方向各组件形变最大，且优化后各组件受到的应力指标都在允许范围内。校核发现红外窗口的安全裕度M.S.＝30，完全满足可靠性要求。

4）在500半正弦波冲击振动环境下，红外窗口厚度越大，窗口的可靠性越高；在窗口厚度相同时，硅材料的窗口可靠性表现更好。

本文验证了非制冷红外探测器陶瓷封装结构优化设计的合理性，为非制冷红外探测器陶瓷封装结构向着低成本、小型化、高可靠性等方面发展提供了参考。

[1] Rogalski A, Martyniuk P, Kopytko M. Challenges of small-pixel infrared detectors: a review [J]., 2016, 79(4): 046501.

[2] Fisette B , Tremblay M, Oulachgar H, et al. Novel vacuum packaged 384×288 broadband bolometer FPA with enhanced absorption in 3-14μm wavelength[C]//+, 2017: 101771R.

[3] 王强, 张有刚. 非制冷红外焦平面探测器封装技术研究进展[J]. 红外技术, 2018, 40(9): 837-842.

WANG Q, ZHANG Y G. Research progress of the packaging techniques for uncooled infrared focal plane arrays[J]., 2018, 40(9): 837-842.

[4] Dumont G, Rabaud W, Yon J J , et al. Current progress on pixel level packaging for uncooled IRFPA[C]//XXXVIII., 2012:83531I.

[5] 余黎静, 唐利斌, 杨文运, 等. 非制冷红外探测器研究进展(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(1): 71-85.

YU L J, TANG L B, YANG W Y, et al. Research progress of uncooled infrared detectors(Invited) [J]., 2021, 50(1): 71-85.

[6] DRS. Products[EB/OL]. (2021-12-1)[2021-12-30]. https://www.leonar dodrs.com/media/13691./2020_u6160_lcc_mr_2012-01-481_rev08.pdf.

[7] Lynred. Products[EB/OL]. (2021-12-1)[2021-12-30]. https://lynred.com/ products/pico640s.

[8] LI T, ZUO Z X, LIAO R D. Meshing Method of high precision FEM in structural simulations [J]., 2009, 45(6): 304-308.

[9] 国防科学技术工业委员会. 军用设备环境试验方法冲击试验[S]. GJB150.18-86, 北京: 国防科学技术工业委员会军用标准化中心, 1986.

National Defense Science, Technology and Industry Commission. Environmental test methods for military equipments--shock test[S]. GJB150. 18-86, Beijing: China -- Military Standardization Center of national defense science, technology and Industry Commission, 1986.

[10] 中国人民解放军总装备部. 微电子器件试验方法和程序[S]. GJB 548B-2005, 北京: 总装备部军标出版发行部, 2005.

The Chinese People’s Liberation Army General Armaments Department. Test methods and procedures for microelectronic device[S]. GJB 548B-2005, Beijing：The Chinese People’s Liberation Army General Armaments Department Military Standard Publication Distribution Department, 2005: 113-254.

[11] Yazdi N. Silicon as a mechanical material[C]//, 1982: 420-457.

[12] AZOM. Supplier Data - Germanium (Ge) (Goodfellow)[EB/OL]. (2022-2-20)[2022-2-28]. https://www.azom.com/properties.aspx?ArticleID= 1837.

[13] 卢健钊. 某星载天线的抗力学环境设计与动态性能分析[J]. 环境技术, 2021, 39(5): 6.

LU J Z. Design and dynamic properties analysis of a satellite -borne antenna under mechanical environment[J]., 2021, 39(5): 6.

Ceramic Package Structure Optimization and Reliability Analysis for Uncooled Infrared Detectors

LIU Jiwei，WANG Jinhua，SUN Junwei，HU Hanlin，CHEN Wenli

(Yantai Iray Technology Co., Ltd., Yantai 264006, China)

Ceramic packaging is the most common packaging form used for uncooled infrared detectors. The low cost, miniaturization, and high reliability of packaging are its key development directions. This paper proposes an optimized design that can reduce the cost and volume by nearly 5% and 30%, respectively, compared to an existing ceramic packaging structure. First, the independence of the grid number is proved. Then, the maximum equivalent stress and maximum deformation of each component of the original and optimized structures of the uncooled infrared detector ceramic packaging were analyzed under two conditions: a 10.2random vibration and a 500half-sine wave shock employing ANSYS Workbench. The results show that both structures meet the reliability requirements. In addition, reliability simulation for different materials and different thicknesses of the infrared window of the optimized structure was conducted under a 500half-sine wave shock condition. The results show that both germanium and silicon windows with thicknesses from 0.3mm to 1.0mm meet the reliability requirements, and there is a negative correlation between the thickness of the window and maximum equivalent stress, as well as maximum deformation. For infrared windows with the same thickness, the reliability of the silicon infrared window was better. This study provides a reference for the subsequent structural design and simulation calculation of the ceramic packaging of an uncooled infrared detector.

uncooled infrared detector, finite element, ceramic packaging, structural optimization, reliability

TN215

A

1001-8891(2023)01-0077-08

2022-01-25；

2022-03-18 .

刘继伟（1993-），男，硕士，研发工程师，研究方向为非制冷红外探测器封装设计。E-mail: ljw_1717@163.com。