航天用探測(cè)器組件芯片壽命考核方法研究

婁光楠　王成剛　解一文　東海杰

【摘 要】紅外焦平面探測(cè)組件是軍事偵察、預(yù)警衛(wèi)星等航天遙感儀器的核心組件，其應(yīng)用環(huán)境特殊且出現(xiàn)故障無(wú)法修復(fù)，這就對(duì)航天用探測(cè)器組件提出了高可靠、長(zhǎng)壽命的實(shí)際要求。探測(cè)器芯片作為探測(cè)器組件的重要組成部分，其工作壽命直接影響探測(cè)器組件的工作壽命。本文對(duì)航天用探測(cè)器組件的工作環(huán)境、失效模式進(jìn)行了分析，找到導(dǎo)致失效的應(yīng)力，并結(jié)合工作剖面，給出壽命考核方法，以供探討。

【關(guān)鍵詞】探測(cè)器芯片;失效;工作壽命

中圖分類號(hào)： TN407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）22-0031-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.012

0 引言

航天用紅外探測(cè)器是非常具挑戰(zhàn)性和引領(lǐng)性的高科技產(chǎn)品，積極探索和研制“看得更遠(yuǎn)、看得更廣、看得更清、壽命更長(zhǎng)”的紅外探測(cè)器是用戶對(duì)產(chǎn)品應(yīng)用的迫切需求，也是增強(qiáng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技實(shí)力乃至綜合國(guó)力的重要舉措[1]。

紅外探測(cè)器的制造規(guī)模由單元、多元、線列向凝視焦平面成像器件發(fā)展，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元器件數(shù)量增多，芯片尺寸增大，而航天系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器的要求依然是高可靠，長(zhǎng)壽命[2]。當(dāng)前紅外探測(cè)器組件由探測(cè)器芯片、杜瓦、制冷機(jī)三個(gè)主要部件組成，每個(gè)部件失效都會(huì)導(dǎo)致組件不能正常工作。進(jìn)入工作階段后，杜瓦無(wú)需再保持探測(cè)器組件內(nèi)部真空環(huán)境，因此在工作階段，探測(cè)器組件的壽命取決于探測(cè)器芯片和制冷機(jī)。本文僅針對(duì)探測(cè)器芯片的工作壽命考核方法進(jìn)行研究。

1 失效分析

探測(cè)器組件芯片失效分析結(jié)果見(jiàn)表1。

互連結(jié)構(gòu)疲勞失效：紅外焦平面陣列采用In柱法通過(guò)倒裝焊工藝將讀出電路與探測(cè)器互連。這是形成紅外焦平面器件的重要環(huán)節(jié)。此環(huán)節(jié)的主要失效模式表現(xiàn)為：碲鎘汞芯片與讀出電路芯片互連后，經(jīng)過(guò)多次開(kāi)關(guān)機(jī)后盲元逐步增加，性能均勻性下降。與寶石框架的熱失配對(duì)互連銦柱造成較大的剪切應(yīng)力，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)多次溫度沖擊后盲元增多而失效。

性能退化：探測(cè)器芯片在工作過(guò)程中需要一直通電，隨著制冷機(jī)升降溫，還需要進(jìn)行多次的加斷電，電應(yīng)力對(duì)芯片的性能及壽命也會(huì)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致芯片性能退化，盲元數(shù)量增加，無(wú)法滿足航天應(yīng)用的要求。

經(jīng)過(guò)上述分析可以看出，影響探測(cè)器芯片壽命的主要是溫度應(yīng)力和電應(yīng)力，因此探測(cè)器芯片的壽命考核方法中也將是施加此兩種應(yīng)力。

2 確定要求

2.1 工作剖面

根據(jù)以往用戶對(duì)探測(cè)器芯片的要求，通常包括開(kāi)關(guān)機(jī)次數(shù)、加斷電次數(shù)及連續(xù)工作時(shí)間（即累計(jì)通電時(shí)間），本文中的壽命方案也圍繞這三個(gè)指標(biāo)制定。探測(cè)器芯片工作剖面如表2。

2.2 受試產(chǎn)品

探測(cè)器芯片工作壽命分為三部分：一是組件在地面測(cè)試聯(lián)調(diào)及在軌運(yùn)行中需要開(kāi)關(guān)機(jī)N開(kāi)關(guān)機(jī)次;二是組件在地面測(cè)試聯(lián)調(diào)及在軌運(yùn)行中需要探測(cè)器加斷電N加斷電次;三是組件探測(cè)器累計(jì)工作需要T通電小時(shí)。受試產(chǎn)品為性能滿足要求的并經(jīng)過(guò)環(huán)境應(yīng)力篩選，剔除早期失效的，使得參與試驗(yàn)的樣品達(dá)到接近偶然失效期的水平。試驗(yàn)中將把加斷電次數(shù)、累計(jì)工作時(shí)間結(jié)合起來(lái)開(kāi)展。

3 詳細(xì)方案

探測(cè)器芯片工作時(shí)的主要失效機(jī)理為溫度沖擊下的疲勞及電應(yīng)力下的性能退化，因造成盲元增加的失效機(jī)理不同，故需分別進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)和通電兩個(gè)試驗(yàn)。

4 結(jié)論

航天用探測(cè)器組件要求工作壽命長(zhǎng)，為證明滿足用戶要求，通常考核時(shí)間也較長(zhǎng)，本文提出的壽命考核方法可通過(guò)增加試驗(yàn)樣本的方式縮短試驗(yàn)時(shí)間，但應(yīng)保證試驗(yàn)樣本為同工藝、同批次產(chǎn)品，使得試驗(yàn)樣本具有較高的一致性，從而保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性和真實(shí)性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]龔海梅，邵秀梅，李向陽(yáng)，李言謹(jǐn)，張永剛，張燕，劉大福，王小坤，李雪，方家熊.航天現(xiàn)金紅外探測(cè)器組建技術(shù)及應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2012年12月，Vol.41 No.12：3129-3140.

[2]崔軍生，賈衛(wèi)民.紅外探測(cè)器工作壽命的影響分析[J].航空兵器，2011年10月，No.5：39-42.

[3]GJB 899A-2009 可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn).