紅外焦平面探測器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及紅外焦平面探測器結(jié)構可靠性設計領域，具體涉及一種紅外焦平面探 測器。
【背景技術】
[0002] 紅外焦平面探測技術具有光譜響應波段寬、可晝夜工作等優(yōu)點而廣泛應用于導彈 預警、情報偵察、損毀效果評估和農(nóng)、林資源調(diào)查等軍事和民用領域。
[0003] 如圖1所示，帶有銦柱陣列的光敏元芯片3與帶有銦柱陣列的硅讀出電路1通過 倒焊互連工藝連接在一起，互連后形成銦柱陣列2。光敏元芯片3上設有抗反射涂層4。為 提高銦柱焊點的可靠性，通常在光敏元芯片3和硅讀出電路1之間的夾縫中填入底充膠5 以降低銦柱焊點在周期性熱沖擊下可靠性。銦柱通常起到兩方面的作用：1、電連接，即把光 生電信號引出至硅讀出電路進行后續(xù)處理；2、起到機械支撐作用，把光敏元芯片和硅讀出 電路從物理上隔離開來。
[0004] 現(xiàn)如今為提高紅外成像系統(tǒng)的靈敏度和分辨率，要求紅外焦平面探測器的陣列規(guī) 模越做越大、光敏元數(shù)目也越來越多，加之特定的低溫工作環(huán)境，使得大面陣探測器的成品 率很低，通常表現(xiàn)為液氮沖擊中光敏元芯片碎裂和探測器四周邊緣處的銦柱互連失效。所 以，銦柱的具體幾何尺寸對紅外焦平面探測的性能起著至關重要的作用。
[0005] 在紅外焦平面探測器的結(jié)構設計中，現(xiàn)有技術中大多提及光敏元間距，很少涉及 銦柱直徑的選取，卻沒有涉及光敏元間距與銦柱直徑之間關系的文獻，所以，急需獲知紅外 焦平面探測器中光敏元間距與銦柱直徑之間關系，為紅外焦平面探測器結(jié)構的可靠性設計 提供參考依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了紅外焦平面探測器，旨在減少液氮沖擊中光敏元芯片碎裂概率和降 低探測器四周邊緣處銦柱互連失效概率。
[0007] 未解決上述技術問題，本發(fā)明的紅外焦平面探測器包括光敏元芯片、銦柱陣列、底 充膠和硅讀出電路，光敏元芯片通過銦柱陣列與硅讀出電路互連，底充膠填充在光敏元芯 片與硅讀出電路之間的夾縫中，其特征在于，所述銦柱陣列中銦柱的直徑不大于光敏元間 距的1/2。
[0008] 所述銦柱的體積填充比不大于25%，所述體積填充比定義為銦柱的體積除以銦柱 和底充膠組成的中間層的體積。
[0009] 所述銦柱的橫斷面占比不大于25%，所述橫斷面占比定義為銦柱的橫斷面面積除 以銦柱和底充膠組成的中間層的橫斷面面積。
[0010] 所述光敏元芯片為銻化銦（InSb)芯片或碲鎘汞（HgCdTe)芯片或銦鎵砷（InGaAs) 芯片或銦砷銻（InAsSb)芯片或銦砷/鎵銻（InAs/GaSb)芯片或鎵砷/鋁鎵砷（GaAs/ AlGaAs)芯片。
[0011] 本發(fā)明的紅外焦平面探測器中，銦柱的直徑取決于光敏元間距，不大于光敏元間 距的1/2,在歷經(jīng)液氮沖擊時，降低了光敏元芯片碎裂概率和探測器四周邊緣處的銦柱互連 失效概率。
[0012] 本發(fā)明的紅外焦平面探測器中，銦柱的體積填充比不大于25%，銦柱的橫斷面占 比不大于25%，進一步限定了銦柱陣列中銦柱的具體尺寸，提高了大面陣探測器的結(jié)構可 靠性。
【附圖說明】
[0013] 圖1是紅外焦平面探測器結(jié)構示意圖；
[0014] 圖2是紅外焦平面探測器中不同材料的線膨脹系數(shù)隨溫度的變化曲線；
[0015] 圖3是紅外焦平面探測器法線方向最大應變隨銦柱直徑的變化趨勢圖；
[0016] 圖4是銦柱直徑為36微米時，液氮沖擊后紅外焦平面探測器法線方向的應變分布 圖；
[0017] 圖5是銦柱直徑為24微米時，液氮沖擊后紅外焦平面探測器法線方向的應變分布 圖；
[0018] 圖6是銦柱直徑為12微米時，液氮沖擊后紅外焦平面探測器法線方向的應變分布 圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步詳細介紹。
[0020] 下面對128 X 128陣列規(guī)模的銻化銦（InSb)紅外焦平面探測器（光敏元間距為50 微米）進行形變分析，該探測器由光敏元芯片和硅讀出電路通過銦柱陣列互連混成，之后 在光敏元芯片和硅讀出電路之間的夾縫中填入底充膠。
[0021] 銦柱直徑的選擇依賴于光敏元間距，具體通過有限元軟件ANSYS模擬得到。判定 依據(jù)為：液氮沖擊后紅外焦平面探測器法線方向的應變幅度明顯變小，紅外焦平面探測器 上表面屈曲變形明顯減弱。其模擬過程如下：
[0022] 1)銦柱選用VISCO 107單元類型，固化后的底充膠、光敏元芯片和硅讀出電路選 用SOLID 95單元類型，進行直接耦合場分析；
[0023] 2)將光敏元芯片、互連后的銦柱陣列、底充膠和硅讀出電路的楊氏模量、線膨脹系 數(shù)、泊松比及密度輸入材料模型中，所輸入材料參數(shù)均隨溫度發(fā)生變化。具體數(shù)值如表1和 圖2所示，表1為不同溫度下，紅外焦平面探測器中不同材料的楊氏模量、泊松比，圖2是紅 外焦平面探測器中不同材料的線膨脹系數(shù)隨溫度的變化曲線。
[0024] 表1.不同溫度下，紅外焦平面探測器中不同材料的楊氏模量、泊松比
[0025]
[0026] 在50K至370K的范圍內(nèi)，底充膠的線膨脹系數(shù)可用下式描述，α = 22. 46X 10 6+5· 04X10 8X (T-273)，式中，T 的單位取開爾文。
[0027] 3)建立幾何模型，即將光敏元芯片、互連后的銦柱陣列、底充膠和硅讀出電路的幾 何尺寸輸入；
[0028] 4)設定紅外焦平面探測器的溫度處處均勻、一致，進行瞬態(tài)分析，紅外焦平面探測 器的溫度從室溫急劇降低到液氮溫度，或者從液氮溫度緩慢升高到室溫；
[0029] 5)設定非線性大變形分析；設置分析環(huán)境的收斂準則；進行運算求解；查看液氮 沖擊后或者升至室溫后整個紅外焦平面探測器的形變幅度及分布。
[0030] 6)改變銦柱直徑大小，即逐步增加或減小銦柱的直徑；以探測器法線方向應變大 小為判據(jù)，得到整個紅外焦平面探測器法線方向應變幅度隨銦柱直徑的變化趨勢圖。由此 獲得滿足要求的銦柱直徑選取范圍，用以降低紅外焦平面探測器的熱變形。
[0031] 下面詳細介紹上述步驟：
[0032] a.基于等效方法建立紅外焦平面探測器的結(jié)構分析模型，考慮計算效率，這里我 們選用32X32等效128X 128陣列規(guī)模，光敏元間距50微米。
[0033] b.設定探測器的具體結(jié)構參數(shù)，包括光敏元芯片