北京空間機(jī)電研究所探究超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器拼接結(jié)構(gòu)

隨著航天光學(xué)遙感技術(shù)的快速發(fā)展，航天應(yīng)用對(duì)大視場(chǎng)、大幅寬、高分辨率探測(cè)的需求日趨增加，對(duì)紅外探測(cè)器規(guī)模要求越來(lái)越大。由于探測(cè)器材料、加工工藝等因素限制，航天各類(lèi)應(yīng)用對(duì)紅外探測(cè)器陣列規(guī)模的需求已經(jīng)超出了目前單模塊探測(cè)器的研制極限。通過(guò)光學(xué)拼接方法或者機(jī)械拼接方法可以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、大幅寬、高分辨率成像。光學(xué)拼接通過(guò)光學(xué)的方法將視場(chǎng)分割到不同的空間位置，因此探測(cè)器物理位置不會(huì)沖突，可直接使用多塊封裝后的單模塊探測(cè)器，不存在拼縫，缺點(diǎn)是光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜。對(duì)于紅外成像系統(tǒng)而言，由于受探測(cè)器-杜瓦-制冷機(jī)一體式結(jié)構(gòu)限定、光學(xué)系統(tǒng)后截距較短等約束條件，使得通過(guò)光學(xué)拼接方法擴(kuò)大紅外探測(cè)器規(guī)模的難度大幅增加。機(jī)械拼接的優(yōu)點(diǎn)在于光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但探測(cè)器拼接存在拼接縫。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，北京空間機(jī)電研究所、華北光電技術(shù)研究所和中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器拼接結(jié)構(gòu)”為主題的文章。該文章第一作者為楊小樂(lè)高級(jí)工程師，主要從事紅外遙感器設(shè)計(jì)研究方面的研究工作。

本文列舉了國(guó)內(nèi)外紅外探測(cè)器機(jī)械拼接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，介紹一種芯片級(jí)的超長(zhǎng)線列拼接結(jié)構(gòu)，以及拼接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮因素、具體設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)給出拼接結(jié)構(gòu)可靠性與低溫下平面度測(cè)試方法。

國(guó)內(nèi)外機(jī)械拼接發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)械拼接又稱(chēng)焦面級(jí)拼接，是指將多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單模塊探測(cè)器通過(guò)拼接形成超長(zhǎng)線列或超大面陣焦平面，并封裝在一個(gè)真空封裝體中，形成一個(gè)完整的組件。根據(jù)拼接時(shí)探測(cè)器的形式，可以將拼接分為組件級(jí)拼接和芯片級(jí)拼接。組件級(jí)拼接是將探測(cè)器單模塊先進(jìn)行封裝再進(jìn)行拼接，芯片級(jí)拼接是直接采用單模塊探測(cè)器進(jìn)行拼接。兩種形式應(yīng)用范圍與特點(diǎn)如表1所示。

表1 兩種機(jī)械拼接形式對(duì)比

組件級(jí)拼接

Raytheon公司將2 k×2 k InSb探測(cè)器進(jìn)行單模塊封裝，如圖1。探測(cè)器安裝在金屬基座上，金屬基座上安裝有柔性電纜。多層陶瓷導(dǎo)電結(jié)構(gòu)提供探測(cè)器與柔性電纜之間的電氣連接，還支持表面貼裝元件，包括加熱器、溫度傳感器、電阻和電容。其有2邊以及3邊可拼接封裝模塊，3邊模塊可形成4 k × 2 nk的拼接探測(cè)器。

圖1 2 k × 2 k InSb單模塊封裝探測(cè)器

Raytheon公司使用4個(gè)2 k × 2 k InSb單模塊探測(cè)器進(jìn)行2 × 2拼接，如圖2。同時(shí)該公司使用16個(gè)2 k × 2 k碲鎘汞單模塊探測(cè)器進(jìn)行4 × 4拼接，用于VISTA望遠(yuǎn)鏡。

圖2 4 k × 4 k InSb拼接探測(cè)器

Rockwell公司使用4片2 k × 2 k碲鎘汞單模塊探測(cè)器進(jìn)行2 × 2拼接，探測(cè)器單獨(dú)封裝后，連接至接地的鉬銅基板，4個(gè)探測(cè)器獨(dú)立的柔性電纜向下穿過(guò)鉬銅安裝板實(shí)現(xiàn)引出，如圖3所示。

圖3 4 k × 4 k碲鎘汞拼接探測(cè)器

Rockwell公司使用35個(gè)2 k × 2 k碲鎘汞探測(cè)器進(jìn)行5 × 7拼接，制成億級(jí)像素的目前世界上最大的焦平面陣列，應(yīng)用于微引力透鏡行星探測(cè)載荷，如圖4所示。

圖4 5 × 7碲鎘汞拼接大面陣探測(cè)器

芯片級(jí)拼接

該拼接方式比較主流的是將探測(cè)器芯片與讀出電路芯片直接倒裝互連形成探測(cè)器模塊，互聯(lián)后的模塊不封裝直接經(jīng)精密拼接實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模探測(cè)器的制備。

以色列SCD公司采用4片520 × 16 InSb探測(cè)器模塊拼接成2048 × 16探測(cè)器。探測(cè)器采用交錯(cuò)排列，相鄰的兩個(gè)子模塊旋轉(zhuǎn)180°后拼接在氮化鋁襯底上。氮化鋁為高溫共燒工藝完成，溫度均勻性?xún)?yōu)于1 ℃。圖5展示了拼接探測(cè)器整體以及襯底上4個(gè)交錯(cuò)排列的探測(cè)器模塊。

圖5 2048 × 16拼接探測(cè)器

國(guó)內(nèi)中電11所研制的多譜段集成TDI線列拼接紅外探測(cè)器，同樣采用模塊旋轉(zhuǎn)180°交錯(cuò)拼接的方式，如圖6。

圖6 中電11所研制的多譜段集成TDI線列紅外探測(cè)器

8模塊拼接超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器

本文研制的超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器采用8片探測(cè)器模塊進(jìn)行芯片級(jí)機(jī)械拼接，如圖 7，為保證拼接后模塊間無(wú)間隙，模塊間采用品字形排列形式，同時(shí)模塊與模塊間重疊一定的像元數(shù)，重疊像元數(shù)要考慮拼接后總的像元數(shù)，同時(shí)還要考慮衛(wèi)星飛行時(shí)偏流角的影響。第二排模塊相對(duì)于第一排模塊水平旋轉(zhuǎn)了180°。對(duì)同一景物，第一排模塊與第二排模塊不是同時(shí)成像，需要通過(guò)電子學(xué)延時(shí)處理，使兩排模塊所成的圖像拼成一幅圖像。

圖7 探測(cè)器拼接排列示意圖

8片探測(cè)器拼接后機(jī)械尺寸達(dá)160 mm×40 mm，常規(guī)微杜瓦封裝結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能使用。紅外探測(cè)器需要在低溫真空環(huán)境下工作，因此采用大冷箱封裝結(jié)構(gòu)，如圖8。

圖8 探測(cè)器冷箱封裝結(jié)構(gòu)

拼接后探測(cè)器與制冷機(jī)冷指耦合而成探測(cè)器制冷機(jī)組件，8個(gè)單模塊探測(cè)器呈品字形排列在拼接基板上，制冷機(jī)為探測(cè)器與拼接基板提供機(jī)械與制冷的平臺(tái)，簡(jiǎn)稱(chēng)冷板，最終由拼接基板、過(guò)渡基板以及制冷機(jī)冷板組成拼接結(jié)構(gòu)，拼接結(jié)構(gòu)通過(guò)制冷機(jī)法蘭上的4根支撐柱固定，如圖 9。成像時(shí)杜瓦各零件溫度為293 K，探測(cè)器與拼接結(jié)構(gòu)各零件溫度為80 K。

圖9 探測(cè)器拼接結(jié)構(gòu)

拼接結(jié)構(gòu)要求

拼接結(jié)構(gòu)工作在80 K，拼接結(jié)構(gòu)影響探測(cè)器組件的成像性能，同時(shí)其可靠性直接決定探測(cè)器的可靠性。紅外探測(cè)器作為紅外遙感器的核心，一旦在軌發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題，將直接導(dǎo)致紅外遙感器在軌失去成像能力。因此其在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮以下因素。

1）拼接精度：因采用品字形長(zhǎng)線列拼接，需要根據(jù)探測(cè)器的幾何位置對(duì)圖像進(jìn)行幾何校正以保證圖像顯示正常，拼接結(jié)果是幾何校正的輸入，直接影響校正效果。因此需要考慮以下精度。

① 搭接誤差（垂直線列方向）：相鄰兩個(gè)探測(cè)器首尾像元搭接，搭接處像元的對(duì)準(zhǔn)誤差小于半個(gè)像元。

② 直線性和平行性要求（線列方向）：每一排探測(cè)器的所有像元在同一直線上，其非直線度誤差小于半個(gè)像元；第一排探測(cè)器與第二排探測(cè)器平行，其不平行度誤差小于半個(gè)像元。

2）低溫平面度（垂直于探測(cè)器表面）：8片探測(cè)器所有像元必須在同一平面上，以保證具有同樣的成像效果。探測(cè)器工作在80 K，需要保證低溫下平面度誤差小于一個(gè)焦深，因此要求常溫拼接時(shí)所有模塊平面度誤差小于半個(gè)焦深。不同的光學(xué)系統(tǒng)焦深不同，對(duì)探測(cè)器平面度要求也不同。拼接結(jié)構(gòu)在80 K低溫下會(huì)發(fā)生變形，因此需要通過(guò)拼接材料以及厚度選取在設(shè)計(jì)上保證其變形小于一個(gè)焦深。

3）安全系數(shù)：拼接結(jié)構(gòu)上除探測(cè)器外還有電學(xué)引出多層陶瓷、濾光片等，由于各材料熱膨脹系數(shù)有差異，在80 K低溫下，會(huì)因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)不一致使探測(cè)器、多層陶瓷、濾光片以及拼接結(jié)構(gòu)各層受熱應(yīng)力，因此必須保證在80 K以及降溫過(guò)程中各材料所受應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，并留有余量；

4）導(dǎo)熱性：拼接結(jié)構(gòu)一方面保證制冷機(jī)冷指到探測(cè)器的冷量傳遞熱阻小，與冷指有良好的熱拼配性；另一方面保證溫度均勻性，否則探測(cè)器各模塊工作溫度不一致，導(dǎo)致探測(cè)性能有差異。

拼接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拼接基板

為保證探測(cè)器拼接精度，利用讀出電路與拼接基板設(shè)計(jì)的標(biāo)識(shí)在拼接設(shè)備上進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)涂膠工藝，將探測(cè)器芯片拼接在拼接基板上。拼接精度關(guān)鍵在于拼接設(shè)備的精度和拼接基板定位標(biāo)識(shí)的加工精度以及邊緣分辨率。因此拼接基板需要選擇易于圖形刻蝕，同時(shí)具有高溫度均勻性，并且與探測(cè)器讀出電路硅熱膨脹系數(shù)匹配的材料。本項(xiàng)目拼接基板采用寶石材料，采用光刻工藝制備拼接標(biāo)識(shí)。通過(guò)專(zhuān)用的涂膠工裝保證涂膠的均勻性，利用二次加工方法，去除邊緣厚膠邊，保證光刻圖形的分辨率。在拼接平面度方面，設(shè)備基臺(tái)平面度為5 μm，拼接基板精度優(yōu)于5 μm，采用上述工藝，最壞情況下，拼接后全視場(chǎng)平面度優(yōu)于15 μm。

圖10為拼接基板版圖示意圖，其中設(shè)計(jì)了8模塊讀出電路粘接標(biāo)記、濾光片支架粘接標(biāo)記、二極管粘接標(biāo)記、寶石片中心、調(diào)平標(biāo)記及平行度測(cè)試標(biāo)記。

圖10 8模塊探測(cè)器拼接版圖示意圖

制冷機(jī)冷板

制冷機(jī)需要為探測(cè)器提供機(jī)械安裝與制冷的平臺(tái)，本項(xiàng)目采用4根支撐柱支撐冷板的方案，如圖11。探測(cè)器拼接基板安裝在冷板上，冷板選取低熱膨脹系數(shù)的殷鋼，緩解拼接基板低溫變形。為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用冷板單獨(dú)支撐技術(shù)，制冷機(jī)冷指的冷量通過(guò)導(dǎo)熱帶傳遞給冷板，冷指對(duì)冷板不起支撐作用。導(dǎo)熱帶為彎曲結(jié)構(gòu)，低溫下收縮變型后長(zhǎng)度仍留有余量，長(zhǎng)度方向剛度很小，不會(huì)影響冷板面型。

圖11 制冷機(jī)冷指與冷板

拼接結(jié)構(gòu)

美國(guó)雷神公司在拼接探測(cè)器結(jié)構(gòu)中采用了鉬銅、殷鋼等材料作為拼接結(jié)構(gòu)的底座，但是鉬銅或殷鋼的熱膨脹系數(shù)與讀出電路硅有很大差別，直接將探測(cè)器安裝在其上將產(chǎn)生熱變形與熱應(yīng)力，必須在兩者之間插入一種平衡材料，來(lái)抵消這種熱變形與熱應(yīng)力，從而使探測(cè)器在幾百次的熱循環(huán)中始終能保證較高的可靠性。雷神公司最新的產(chǎn)品中使用了SiC材料。本項(xiàng)目制冷機(jī)冷板與探測(cè)器拼接基板熱膨脹系數(shù)同樣差異較大，兩者在低溫下也會(huì)產(chǎn)生變形、熱應(yīng)力，因此在寶石與殷鋼中插入一種平衡材料作為過(guò)渡板，然后建立有限元模型，分析整個(gè)拼接結(jié)構(gòu)的熱變形與熱應(yīng)力。有限元模型如圖12。

圖12 有限元模型

拼接結(jié)構(gòu)有制冷機(jī)冷板、過(guò)渡板、拼接基板，考慮到殷鋼的熱膨脹系數(shù)隨組份變化，根據(jù)材料的易加工性確定各層材料的厚度后，仿真中代入過(guò)渡板、拼接基板、支撐柱幾何尺寸、熱膨脹系數(shù)和溫度分布，根據(jù)熱應(yīng)力以及低溫變形要求，反向求解冷板殷鋼的熱膨脹系數(shù)，從而使拼接結(jié)構(gòu)同時(shí)滿(mǎn)足應(yīng)力以及變形的要求。

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算表明，冷板材料殷鋼的熱膨脹系數(shù)為4.2 × 10??/℃ ~ 4.8 × 10??/℃時(shí)，各材料應(yīng)力滿(mǎn)足要求，如表2所示。同時(shí)平面度滿(mǎn)足小于一個(gè)焦深的要求，殷鋼熱膨脹系數(shù)為4.6 × 10??/℃為最佳值，Z向位移差值13 μm。

表2 不同殷鋼熱膨脹系數(shù)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力

殷鋼熱膨脹系數(shù)為4.6×10??/℃時(shí)，芯片法向變形以及芯片受到應(yīng)力仿真結(jié)果如圖13、圖14。

圖13 芯片法向變形（殷鋼熱膨脹系數(shù)為4.6e-6）

圖14 芯片應(yīng)力云圖（殷鋼熱膨脹系數(shù)為4.6e-6）

平面度測(cè)試

材料的安全系數(shù)無(wú)法實(shí)測(cè)，可以通過(guò)探測(cè)器制冷機(jī)組件溫度沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性。中電11所針對(duì)多譜段集成TDI線列拼接紅外探測(cè)器，開(kāi)展了低溫60 K到室溫共計(jì)300次開(kāi)關(guān)機(jī)溫度沖擊試驗(yàn)，驗(yàn)證拼接組件的可靠性。

低溫下的平面度可以在相機(jī)集成后，通過(guò)測(cè)試不同視場(chǎng)即不同模塊的最佳焦面位置進(jìn)行評(píng)估，但必須提前排除鏡頭光學(xué)系統(tǒng)場(chǎng)曲的影響，同時(shí)整機(jī)集成后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題會(huì)對(duì)系統(tǒng)研制進(jìn)度造成嚴(yán)重影響，為此本文提出一種非接觸式的探測(cè)器組件級(jí)低溫平面度測(cè)試方法。將探測(cè)器紅外窗口玻璃改用可透可見(jiàn)光的熔石英玻璃，采用高精度拼接儀對(duì)探測(cè)器拼接基板拼接標(biāo)識(shí)處進(jìn)行高度測(cè)量，從而得到拼接結(jié)構(gòu)的平面度，如圖15所示，拼接儀的光源通過(guò)半反半透鏡、光學(xué)系統(tǒng)照亮拼接組件上的拼接標(biāo)記，拼接標(biāo)記的反射光線通過(guò)拼接儀的光學(xué)系統(tǒng)由顯微攝像系統(tǒng)接收，又經(jīng)過(guò)圖像采集系統(tǒng)，使拼接標(biāo)記成像于顯示系統(tǒng)上，如圖16，經(jīng)過(guò)圖像處理系統(tǒng)可以計(jì)算出拼接標(biāo)記的高度，測(cè)試精度為0.1 μm。

圖15 低溫平面度測(cè)試系統(tǒng)原理

圖16 拼接基板上標(biāo)識(shí)

實(shí)際測(cè)試如圖17，更換窗口后的探測(cè)器制冷機(jī)組件倒扣在拼接儀上，用真空泵對(duì)杜瓦抽真空，通過(guò)制冷機(jī)制冷，待探測(cè)器溫度穩(wěn)定在80 K以后，再進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)實(shí)際測(cè)試本項(xiàng)目拼接結(jié)構(gòu)在低溫下平面度誤差小于20 μm，與仿真結(jié)果基本一致。如圖18，橫坐標(biāo)為探測(cè)器模塊編號(hào)，縱坐標(biāo)為芯片法向變形量。

圖17 拼接系統(tǒng)的測(cè)試

圖18 低溫平面度實(shí)測(cè)結(jié)果

結(jié)論

結(jié)合8模塊拼接長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器的研制，參考國(guó)內(nèi)外機(jī)械拼接技術(shù)，本文采用芯片級(jí)機(jī)械拼接方案。針對(duì)機(jī)械拼接結(jié)構(gòu)提出了拼接精度、低溫平面度、安全系數(shù)、導(dǎo)熱性能4個(gè)核心的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)要點(diǎn)，給出拼接結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)過(guò)程，詳細(xì)介紹了拼接基板、過(guò)渡板、制冷機(jī)冷板的材料選擇以及具體參數(shù)，并給出拼接結(jié)構(gòu)仿真內(nèi)容與結(jié)果。最后給出拼接結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)機(jī)溫度沖擊考核以及平面度測(cè)試考核，提出了一種基于可見(jiàn)光拼接儀的高精度非接觸式平面度測(cè)試方法，經(jīng)測(cè)試8模塊長(zhǎng)線列拼接紅外探測(cè)器測(cè)試平面度小于20 μm，與仿真結(jié)果基本一致。