制冷型紅外探測器組件降溫性能優化

范博文,張 懿,王 冠,孟令偉

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

制冷型紅外探測器由于其靈敏度高、分辨率高、探測距離遠等優勢,幾乎壟斷了高端軍事裝備如末端制導、告警系統、軍事夜視偵查、紅外搜索和跟蹤、紅外探雷等領域。同時,由于制冷型紅外探測器的小型化趨勢,其在電力、熔煉、安防、醫藥等諸多非軍事領域中的應用也呈發展上升趨勢。

探測器組件降溫性能的優劣依靠組件降溫時間的長短來表征。探測器組件降溫時間短,降溫性能好,則能使探測器更快的進行工作并輸出紅外圖像。“天下武功,唯快不破”,尤其是在軍事裝備中的應用背景下,探測器組件能夠快速啟動、掌握戰場主動權,是作戰部隊“能打仗、打勝仗”的關鍵。在這樣的背景下,研究組件降溫機理,優化組件結構,提高組件降溫性能變得尤為關鍵和重要。

本文以640×512紅外焦平面探測器制冷組件為例,通過分析了影響降溫時間的因素,制定優化方案,完成組件制備和驗證,以達到縮短降溫時間的目的。

2 優化方案設計

探測器內部熱傳導致冷的冷量傳遞路徑如圖1所示。冷量由斯特林制冷機產生,經由杜瓦內部冷指冷臺金屬結構,傳導至使用粘接劑與冷臺耦合的結構件,再經過電學引出框架,最終傳導至探測器芯片[1]。

圖1 探測器結構冷量熱傳導路徑

熱傳導過程的熱流率可由下式計算:

(1)

式中,Ф為熱流率,單位為瓦特(W);tw1、tw2為固體壁面溫度;δ為物體厚度;A為傳熱面積;λ為導熱系數,單位是W/mK,是物質導熱能力的量度,導熱系數越大,物體熱傳導能力越強。所以從理論上,可以提高熱傳導熱流率的方法有提高傳熱材質的導熱系數,降低傳熱材質的傳熱厚度,提高傳熱面積以及提高傳熱材質壁面間溫差。熱傳導方式冷量的傳遞經由冷指冷臺金屬結構、冷臺-結構件粘接劑、結構件、電學引出框架最終傳遞至探測器芯片,以傳熱學的熱阻理論,各結構間熱阻是單線串聯方式,如圖2

所示。理論上,提高上述各結構的熱傳導熱流率都會提高整體的熱傳導熱流率。

圖2 熱阻串聯

Fig.3 Thermal resistance series

由于探測器芯片直接粘接與電學框架表面進行粘接,對于電學框架及芯片-框架粘接膠狀態的改變可能會導致芯片降溫時內部熱應力狀態的變化[2],從而影響芯片性能,同時,考慮到電學框架的厚度相對較薄,在熱傳導中所占熱阻比重較小,故本文的優化方案中不涉及電學框架狀態的更改。下文從冷指冷臺材料、冷臺-結構件粘接劑、結構件形狀與材料這幾個維度進行優化方案設計。

(1)結構件優化

現有的結構件材質為氧化鋁。經過調研,氮化鋁陶瓷導熱系數較現有的氧化鋁陶瓷有較大的優勢,且氮化鋁陶瓷材料其他力學性能與現有的氧化鋁陶瓷材料接近,可作為結構件優化的替代材料之一[3]；另外,碳化硅材料也可作為結構件材料,其導熱系數介于氧化鋁陶瓷與氮化鋁陶瓷材料之間,比熱容更低,熱膨脹系數與硅讀出電路更匹配[4],加工難度小,加工工藝一致性更強[5]。上述三種結構件材料的相關性能參數見表1。

表1 現有結構件材料相關性能參數(293 K)

現有的結構件外形為倒梯形結構(如圖3(a)所示),其優點為與電學框架接觸面積較大,傳熱面積更大,缺點是結構件重量大,導致其熱容較大,降溫較慢,同時由于其結構較復雜,加工中容易出現崩邊和應力損傷等缺陷。由于結構件的厚度影響到探測器整體的光學接口,故不進行修改。從降低結構件熱容的角度出發,將結構件由倒梯形改為體積更小的圓柱形結構(如圖3(b)所示)。優化后結構件傳熱面積有所減小,但其重量明顯降低,熱容隨之降低,同時提高了結構件加工一致性和成品率。

(a)倒梯形結構件 (b)圓柱形結構件

圖3 倒梯形結構件與圓柱形結構件

Fig.3 Inverted trapezoidal structural member and cylindrical one

結合對結構件材質和外形兩個維度的考慮,最終確定使用氮化鋁圓柱與氧化鋁圓柱這兩款結構件優化方案。

(2)冷臺-結構件粘接劑優化

金屬冷臺與陶瓷結構件通過環氧粘接劑進行粘接。在粘接劑的厚度及粘接面積不變的情況下,提高粘接劑的導熱系數是提高粘接劑熱傳導熱流率的主要途徑。經過驗證,能夠進行冷臺-結構件粘接的粘接劑有兩款,兩款粘接劑的部分參數如表2所示。

表2 粘接劑部分參數

現有工藝使用的粘接劑為B型。B型粘接劑在導熱系數指標上優于A型粘接劑,在提高熱傳導熱流率方面上使用B型粘接劑降溫性能更優。由于粘接劑的力學強度影響著組件整體的環境適應性,在力學強度及膨脹系數匹配方面,A型粘接劑較B型粘接劑力學強度更高,膨脹系數與金屬及陶瓷更加匹配。故方案設計同時考慮以上兩款粘接劑,在滿足組件的環境適應性的前提下,優選降溫性能更好的方案。

(3)冷指-冷臺材料優化

冷指結構為薄壁管,減小由冷指傳導引起的杜瓦漏熱,從而既降低制冷機的熱負載,又能夠保證較高的強度。經過驗證,目前能夠使用于本文所研究的探測器組件的冷指-冷臺結構有兩款,兩款結構的部分參數如表3所示。

表3 冷指-冷臺結構部分參數

該款探測器組件現有工藝使用的冷指材料為A型,A型冷指-冷臺結構在導熱系數指標上高于B型結構,在提高熱傳導熱流率方面上,使用A型結構降溫性能更優。但為了驗證冷指-冷臺結構導熱性能差異對探測器組件整體降溫性能的影響,方案設計時加入B型冷指-冷臺結構作為對照。

綜合上述分析,設計試制四只優化方案探測器組件,用于交叉對比驗證。為了驗證優化方案組件的環境可靠性,對其進行開關機試驗及振動實驗,優化方案統計如表4所示。

表4 優化方案統計表

3 驗證結果分析

(1)降溫時間對比

為了減少其他工藝因素對組件降溫時間驗證過程的影響,本項目工藝過程中嚴格控制工藝參數,結構件粘接使用貼片儀進行,固化條件保持一致并在測試降溫時間時適配相同制冷機。各方案測得的降溫時間如表5所示。

表5 降溫時間統計表

交叉對比四種優化方案的降溫時間,可以定性分析采用不同優化方案對探測器降溫性能的影響:

對比方案1與方案2,方案1采用B型粘接劑而方案2采用A型粘接劑,由于B型粘接劑在導熱系數上優于A型粘接劑,故在實際驗證時方案1的降溫性能較方案2更優；

對比方案1與方案3,方案1采用氮化鋁結構件而方案3采用碳化硅結構件,由于氮化鋁材質在導熱系數上優于碳化硅材質,故在實際驗證時方案1的降溫性能較方案3更優；

對比方案1與方案4,方案1采用A型冷指-冷臺結構而方案4采用B型冷指-冷臺結構,由于B型粘接劑在導熱系數上優于A型粘接劑,故在實際驗證時方案1的降溫性能較方案2更優。

可知,四種優化方案組件的降溫時間均比對照組的平均降溫時間有明顯的減少,這說明優化方案從實驗上符合上文理論分析的結果。

(2)可靠性對比

可靠性對比為了驗證優化后的封裝方案能夠滿足組件環境可靠性的要求,需要對四只優化后的探測器組件進行環境可靠性實驗,驗證方法包括開關機實驗和振動實驗。表6、表7分別展示了開關機實驗及振動實驗要求。

表6 開關機實驗要求

表7 振動實驗要求

四只探測器組件經過開關機驗證后測試性能均正常。隨后對四只探測器進行振動實驗,實驗后測試性能,方案1組件出現探測器芯片無法到溫的異常情況。解剖探測器之后發現該探測器結構件與冷臺粘接膠失效斷裂。顯微照片可見(圖4),固化后的粘接劑大部分附著于冷臺一側,這說明粘接劑與冷臺之間的粘接強度無異常,失效界面為粘接劑與結構件的接觸面。

經分析,導致該失效現象的原因有二。一是粘接強度不足:結構件優化后,結構件與粘接劑的粘接面積有所減少,同時由于B型粘接劑的粘接強度較A型低,兩個原因最終綜合表現為粘接強度不足；二是冷臺結構材質與結構件材質熱膨脹系數不匹配和降溫速率加快導致粘接界面熱應力增大:優化前,冷臺材料和結構件材料的熱膨脹系數分別為6.4×10-6/K和7×10-6/K,方案1組件冷臺材料和結構件材料的熱膨脹系數分別為6.4×10-6/K和4.2×10-6/K,較優化前的熱膨脹系數差更大,這就導致在溫度發生變化時界面間熱應力也更高,從而誘發粘接劑的失效斷裂[6]。

圖4 失效表面顯微照片(冷臺)

4 結 論

通過本文上述分析可知,提升探測器組件的降溫性能應綜合以下幾方面因素進行優化:

1)選擇比熱容小、導熱系數高的材料,以提高傳熱速度,減小熱阻;

2)盡量選擇熱膨脹系數較為匹配的材料,以適應低溫工作環境；

3)涉及粘接工藝時,盡量選擇粘接強度高的粘接劑,以提高環境可靠性。

綜合以上因素可得出結論,本文研究的640×512紅外焦平面探測器組件降溫性能較好的方案為使用氮化鋁材質的圓形結構件,冷頭采用可伐材料,使用A型粘接劑。降溫時間從6′05″縮短至4′54″,性能優化幅度達20 %。