一种含底充胶的大面阵红外探测器结构优化方法

摘要

本发明涉及一种含底充胶的大面阵红外探测器结构优化方法，采用小面阵等效大面阵的方法，降低了器件结构分析对仿真平台的要求，提高了结构分析的效率与准确率，使设计的探测器结构稳定性更强、疲劳寿命更高。

说明书

技术领域

本发明涉及红外焦平面探测器结构设计，特别是一种含底充胶的大面阵红外探测器结构优化方法。

背景技术

红外焦平面探测技术具有光谱响应波段宽、能昼夜工作等优点而广泛应用于导弹预警、情报侦察、损毁效果评估和农、林资源调查等军事和民用领域。

红外焦平面探测器通常借助倒装焊技术由光敏元阵列芯片和硅读出电路通过铟柱互联混成。铟柱不仅提供光敏元阵列芯片与其对应的硅读出电路输入端的电学连通，同时还起到机械支撑作用。为了提高红外焦平面探测器的信噪比，红外焦平面探测器通常工作于液氮温区。

为了提高分辨率，要求探测器的阵列规模越来越大，相应的光敏元阵列芯片的尺寸也随之增加，由于相邻材料热膨胀系数的差异，在液氮温区工作时，它们之间由热失配而产生的热应力会造成铟柱电连接失效或者光敏元阵列芯片碎裂，严重影响了红外焦平面探测器的寿命及成品率。对于铟柱电连接失效，较为常用的解决方法是往红外光敏元阵列芯片和硅读出电路之间的缝隙中填充含有一定比例硅微粉的环氧树脂胶，称之为底充胶。底充胶不仅填满红外光敏元阵列芯片和硅读出电路之间的缝隙，并且还包围着连接光敏元与硅读出电路的铟柱阵列。底充胶的加入改善了铟柱的电连接失效，但其相对较大热膨胀系数，再加上对光敏元阵列芯片的束缚，引起光敏元阵列芯片中热应力急剧增加，加大了光敏元阵列芯片的碎裂几率，严重地制约了大面阵红外探测器的成品率。如图1所示，该探测器制作过程如下：分别制作光敏元阵列芯片3和硅读出电路1、光刻掩模后，在光敏元阵列芯片3和硅读出电路1上分别沉积铟薄层，厚度为3-15微米；浮胶、剥离铟柱、形成铟柱列阵2，倒装焊、填充底充胶、固化后光敏元阵列芯片3减薄、生长抗反射涂层4。

在探测器的结构设计中，通常需要通过分析应力/应变评估探测器结构的可靠性。有限元模拟法常用于阵列规模较小的倒装焊器件的结构应力分析。为了提高红外焦平面探测器的分辨率，要求探测器的阵列规模越来越大，相应的光敏元和铟柱的数量也成倍增加。相应地在分析过程中划分的单元数也急剧增加，结构优化速度大大降低，不能满足快速设计需求。

举例来说，对于128×128规模的红外焦平面探测器来说，铟柱的数量为16384个，假如铟柱用200个单元进行网格化分，铟柱的单元数将达328万个，即便借助探测器结构的对称性，采用1/8结构进行建模分析，所划分的单元数也将达160万个，这还不包括光敏元阵列芯片和硅读出电路的单元数。如此多的单元数对仿真平台要求很高，计算过程很慢，不能满足实际需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大面阵红外探测器的结构优化方法，用以解决大面阵红外探测器结构应力分析中建模单元多，求解速度慢、数据存储占用空间大、后处理耗时多的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种含底充胶的大面阵红外探测器结构优化方法，其特征在于，步骤如下：

a)       根据大面阵红外焦平面探测器的阵列规模                                                ，确定一个较小的探测器阵列规模，这里（n=1,2,3…）；

b)       根据相邻材料间热膨胀失配位移公式：，进而建立起等效于阵列规模红外焦平面探测器的有限元模型：将步骤a）所述阵列规模探测器结构中光敏元阵列与铟柱、底充胶的热膨胀系数之差增加倍，这里阵列规模探测器结构中铟柱焊点距对称中心轴的距离为阵列规模的；根据器件结构的对称性，这里采用1/8结构进行建模；

上式中：为热膨胀失配位移，L为面阵探测器中铟柱焊点距对称中心轴的距离，和分别为面阵探测器中相邻材料的热膨胀系数，相邻材料是指所述光敏元阵列与铟柱、底充胶，为降温范围；

c)       对步骤b）中得到的阵列规模探测器有限元模型，设定相应的结构参数，包括铟柱的直径、高度和光敏元阵列芯片的厚度；设定材料参数和材料分析模型；

d)       进行有限元网络划分，这里采用自由网格划分；

e)       确定边界条件和初始状态；

f)       求解所述阵列规模探测器的结构应力，记录光敏元阵列芯片上的最大应力和应力分布；

g)       调整步骤c）中所述设定的结构参数，铟柱的直径、或铟柱的高度、或光敏元阵列芯片的厚度，重复步骤d）到f），得出所述阵列规模红外焦平面探测器的结构应力与结构参数之间的关系，确定最小应力值对应的结构参数，即得到阵列规模大面阵红外焦平面探测器的结构最优参数。

采用本发明提出的优化方法，降低了器件结构分析对仿真平台的要求，提高了结构分析的效率与准确率，使设计的探测器结构稳定性更强、疲劳寿命更高。

进一步的，步骤b）中，所述将阵列规模探测器模型中光敏元阵列与铟柱、底充胶的膨胀系数之差增加倍，是固定光敏元阵列芯片的热膨胀系数，同时改变底充胶和铟柱的热膨胀系数；或者是固定底充胶和铟柱的热膨胀系数而改变光敏元阵列芯片的热膨胀系数。

进一步的，步骤a）中，n≤8。

进一步的，步骤a）中，n≤6。

进一步的，所述光敏元阵列芯片为锑化铟（InSb）芯片或碲镉汞（HgCdTe）芯片或铟镓砷（InGaAs）芯片或铟砷锑（InAsSb）芯片或铟砷/镓锑（InAs/GaSb）芯片或镓砷/铝镓砷（GaAs/AlGaAs）芯片。

附图说明

图1是红外焦平面探测器结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细的说明。

实施例一

光敏元阵列芯片为锑化铟（InSb）芯片或碲镉汞（HgCdTe）芯片或铟镓砷（InGaAs）芯片或铟砷锑（InAsSb）芯片或铟砷/镓锑（InAs/GaSb）芯片或镓砷/铝镓砷（GaAs/AlGaAs）芯片。对64×64阵列规模的红外焦平面探测器进行结构优化，优化步骤如下：

1.根据待优化红外焦平面探测器的阵列规模64×64，确定一个较小的探测器阵列规模；可以采用16×16或者32×32，所选取的阵列规模越接近待优化的阵列规模，优化结果越准确。考虑优化速度因素，这里我们选用16×16。

2.根据热膨胀失配位移公式：，这里用16×16阵列规模的面阵等效64×64阵列规模的探测器。将上述16×16面阵红外焦平面探测器模型的相邻材料——光敏元阵列与铟柱、底充胶的热膨胀系数之差增加3倍，进而建立等效于64×64阵列规模的红外焦平面探测器结构有限元模型，根据器件结构的对称性，采用1/8结构进行建模。所述16×16将阵列规模探测器模型中的相邻材料的膨胀系数之差增加3倍，是固定光敏元阵列芯片的热膨胀系数，同时改变底充胶和铟柱的热膨胀系数；或者是固定底充胶和铟柱的热膨胀系数而改变光敏元阵列芯片的热膨胀系数。

上式中：为热膨胀失配位移，L为大面阵探测器中铟柱焊点距面阵中心的距离，和分别为大面阵探测器中相邻材料的热膨胀系数，为降温范围。根据上式可知，在热冲击降温范围确定的前提下，热膨胀失配位移正比于焊点距面阵中心的距离和相邻材料热膨胀系数之差的乘积。对大面阵探测器结构应力分析来说，光敏元数目增加，相应地增加了焊点距离对称中心轴的距离，而相邻材料的热膨胀系数之差保持不变，为了取得同样的效果，也可以减小探测器的尺寸而改变相邻材料的热膨胀系数之差，总体上使得在上述两种情况下，焊点距对称中心轴的距离和相邻材料热膨胀系数之差的乘积保持不变。

3.对步骤2中得到的等效于64×64阵列规模的有限元模型，为了进行结构优化，需要设定相关的结构参数，包括铟柱的直径、高度和光敏元阵列芯片的厚度；这里选取铟柱的直径为30微米，高度为20微米，光敏元阵列芯片厚度为10微米；设定材料参数和材料分析模型：光敏元阵列芯片和硅读出电路材料认定为线弹性材料，铟柱的应力应变行为用Anand模型来描述，底充胶用粘弹性MAXWELL模型描述。

4.带入上述结构参数，施加边界条件和初始条件，这里边界条件指在对称面（如图1中面ABCD和AEFD）处施加面对称条件，同时对硅读出电路的下表面中心点（如图1中D点）施加零自由度约束；初始条件为整个器件的温度为室温，降温结束时的温度为77K。进行瞬态分析得出光敏元阵列芯片上的应力值和应力分布。这里利用ANSYS软件进行结构应力分析，具体步骤包括：1、建立工作文件名和工作标题，2、定义单元类型，3、定义材料性能参数，4、创建几何模型、划分网格，5、加载求解，6、查看求解结果。

5.根据现有加工精度、分别调整步骤3中所述设定的结构参数，包括铟柱的直径或铟柱高度或光敏元阵列芯片的厚度，调整时，只改变铟柱直径或高度或光敏元阵列芯片的厚度中的一个结构参数，保持其余的结构参数不变，重复步骤4，可得出等效的64×64阵列规模红外焦平面探测器的结构应力与每一个结构参数之间的关系，确定最小应力值对应的结构参数，即为该64×64面阵红外焦平面探测器的最优结构参数。

用16×16阵列规模等效64×64阵列规模的红外焦平面探测器，这里所选用的相邻材料——光敏元阵列与铟柱、底充胶的热膨胀系数之差增加了3倍，即由原来的27.96e-6增加到111.84e-6，显然和64×64面阵规模相比，16×16面阵规模边长尺寸减小了3/4。与采用实际阵列规模的面阵探测器结构应力分析过程相比，本发明所提出的方法建模面积减小了93.75%，相应地单元数也急剧降低，分析耗时、数据存储量与16×16的面阵规模保持一致，不随面阵规模增加而增加。

实施例二

实施例二，对128×128阵列规模的红外焦平面探测器进行结构优化，与实施例一相同，用16×16规模的面阵进行模拟，步骤相同，不再赘述。

用16×16规模的结构模拟128×128规模的面阵探测器：这里所选用的相邻材料——光敏元阵列与铟柱、底充胶的热膨胀系数之差增加了7倍，即由原来的27.96e-6增加到223.68e-6。上述计算是利用结构仿真软件ANSYS在工作站上进行的。与采用实际阵列规模的面阵探测器结构应力分析过程相比，本发明所提出的方法建模面积减小了98.4%，相应地单元数也急剧降低，分析耗时、数据存储量与16×16的面阵规模保持一致，不随面阵规模增加而增加。