非制冷紅外焦平面探測器的可靠性測試

李兵偉 李金 高竹 張鵬

1.駐某軍代室； 2.煙臺艾睿光電科技有限公司

一、引言

隨著數模混合集成電路技術與微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems）技術的不斷發展，非制冷紅外焦平面探測器制造技術也逐漸成熟并投入商用。與制冷型紅外探測器相比，非制冷型紅外探測器在集成化、小型化[2]等諸多方面具有很大優勢。目前主流的非制冷紅外焦平面探測器采用基于表面MEMS工藝的微測輻射熱計與專用集成電路（ASIC, Application Specific Integrated Circuit）單片集成的技術路線來實現。

可靠性是指產品在規定的條件下、在規定的時間內完成規定功能的能力。可靠性與電子工業的發展密切相關[1]，隨著電子產品復雜度、元件密度越來越高，使用環境越來越苛刻，可靠性的概念正變得越來越重要[2]。使用最為廣泛的一個衡量可靠性的參數是MTTF，定義為產品在出現故障前時間的期望值。MTTF是進行零件壽命周期推算的主要手段，是針對高頻率故障零件給出重點對策及零件壽命延長的技術改造依據。

目前非制冷紅外探測器由于其體積小，成本低及容易使用維護等優點，廣泛應用國防裝備及民用監控、測溫等領域。但與產品本身大幅度應用及推廣相比，非制冷紅外產品的可靠性評估手段遠遠落后，目前行業標準基本處于完全空白的狀態。各探測器生產廠家有一些零散的、小范圍的評估手段，但都不夠成熟和系統。本文針對這一現狀，結合電子產品國軍標相關要求和非制冷紅外探測器的具體情況，提出了一種非制冷紅外焦平面探測器的MTTF的試驗方法，希望能對各非制冷紅外探測器生產廠家、客戶的評價手段的豐富和行業標準的完善起到積極作用。

二、試驗樣品

煙臺艾睿光電公司作為國內領先的非制冷紅外探測器生產廠商，具備完整的設計、研發、生產、測試非制冷紅外焦平面探測器的能力，從業至今已有十年的市場經驗，熟悉非制冷紅外焦平面探測器的一系列標準法規，具有完善的非制冷紅外焦平面探測器的質量管理規范化和標準化體系。本文選取煙臺艾睿光電科技有限公司生產的17μm、640x512面陣、VOX金屬封裝探測器進行試驗，數量為10支。

三、試驗方案

（一）故障定級與加權

一級故障：喪失全部或主要功能的故障。權數k1=1;

包括：真空失效，無圖像，不上電，功耗異常等。

二級故障：喪失次要功能或主要性能退化的故障。權數k2=0.5～0.7；

包括：（1）成像功能：壞行，壞列，盲元簇，斑，雪花，彗尾，花屏，砂屏等。

（2）探測器性能：

a) 平均響應率(SITF)：波動大于10%；

b) 噪聲等效溫差(NETD)：波動大于10%；

c) 響應率不均勻性：大于3%；

d) 盲元率：大于0.1%；

三級故障：不影響規定功能實現的故障。權數k2=0.1～0.2；

包括：管腳彎曲，管殼刮傷，鍺窗劃傷等。

當不允許加權計算時，一級和二級故障算為責任故障數，本文試驗中不加權。

（二）試驗參數

本文選定的試驗方法為定時截尾試驗，試驗參數可以根據客戶指定參數計算。

如果客戶指標選定：

MTTF檢驗值的上限值θ0(客戶提供的MTTF規定值)；

MTTF的下限值θ1(客戶提供的MTTF最小可接受值)；

鑒別比d；

生產方風險率α；

使用方風險率β；

等參數，則只需要按照已知參數計算接收故障數a和試驗總時間T0即可，計算方法如下：

1.確定合格判定數a

a）故障不允許加權時，合格判定數a由下面公式確定。

b）故障加權時，合格判定數a由下面公式確定。

2.確定試驗截至時間T0

a）故障不允許加權時，試驗截至時間T0由公式

b）故障加權時，試驗截至時間T0由公式

如果客戶指標中只有θ1（期望MTTF）而未明確規定d、α、β時，可在表1中選擇。本文試驗選擇方案17，判決故障數a=2,θ1=3000,T0=4.3＊3000=12900h。

表1 標準型定時試驗統計方案簡表

（三）試驗載荷和任務剖面

1.循環周期

一個試驗周期由兩個工作循環構成，第一個工作循環為電應力和溫度應力的組合(72h)，第二個工作循環為振動應力和電應力的組合(24h)，共計96h。

2.溫度應力

每個試驗周期被試驗產品共經歷5個工作溫度，包括極限高溫（75℃）、極限低溫（-55℃）、高溫（55℃）、低溫（-45℃）和常溫（25℃），極限高、低溫工作時間各占總試驗時間的10%(7.2h)，常規高、低溫工作時間各占總試驗時間的25%(18h)，常溫工作時間占總試驗時間的30%(21.6h)，溫度變化速率不超過10℃/min。試驗循環如圖1所示。

在第一個試驗周期的起始點進行低溫貯存試驗，在第五個試驗周期的極限高溫工作期進行高溫貯存試驗，低溫貯存和高溫貯存的貯存時間均為4h。

3.電應力

電應力：按產品規格輸入標稱電壓，波動范圍為標稱電壓的±10%，在每個工作循環內，施加標稱電壓時間為50%，施加標稱電壓上、下限時間各占25%，高溫時電應力一般工作于上限值，低溫時電應力一般工作于下限值，在每個試驗周期的第一個工作循環內，隨機斷電9.6h。

4.振動應力

若無客戶條件則按照GJB 150.16A-2009或GJB 548B-2005要求進行隨機振動總試驗時間的25%(24h)。

5.沖擊應力

溫度沖擊：每2個試驗周期結束后，對產品進行溫度沖擊，試驗溫度-45℃～+63℃，3個循環，方法參照GJB 150.5A-2009，也可根據實際項目需求選擇條件。

機械沖擊：每2個試驗周期結束后，對產品進行機械沖擊，沖擊量級根據實際項目需求選擇條件，若無項目條件則按照GJB 150.18A-2009或GJB 548B-2005條件進行。

6.濕度應力

對于探測器產品來說，濕度試驗一般不進行；若有需要，則在最后一個試驗循環的高溫階段進行，濕度按照項目要求，地面移動裝備參考GJB 150.9A-2009選擇95%±5%；對于船用和機載設備，可參考GJB 899A-2009附錄B選擇。

圖1 試驗循環組成圖

圖2 試驗循環路線圖

四、試驗數據及分析

表2～表5分別是10支探測器樣品在初測、第1、第7、第14試驗周期后的測試數據，從數據可以看到平均響應率、噪聲等效溫差、響應率非均勻性及功耗都符合標準；從圖3可以看到SiTF和NETD波動也都在10%以內；樣品7的盲元率在試驗完成后超標準，所以判斷責任故障數r = 1。

表2 被試品初始測試數據

表3 第1周期結束后測試數據

要求 ≥11mV/K ≤50mK ≤3% ≤0.1% ≤250mW樣品1 15.904 39.277 0.89% 0.011% 188.459樣品2 15.376 37.679 0.76% 0.003% 180.585樣品3 15.43 38.865 1.09% 0.014% 181.12樣品4 16.13 37.979 1.07% 0.007% 188.96樣品5 15.004 39.92 1.30% 0.001% 177.905樣品6 15.653 39.248 1.22% 0.006% 190.828樣品7 15.619 37.186 0.88% 0.005% 181.25樣品8 16.421 38.412 0.92% 0.004% 178.549樣品9 16.15 35.239 0.96% 0.006% 181.968樣品10 15.018 38.465 0.96% 0.020% 182.198

表4 第7周期結束后測試數據

表5 第14周期結束后測試數據

圖3 10支被試品經過14個試驗周期后的SiTF與NETD的變化率

五、MTTF計算

（一）合格與否的判斷

因為責任故障數r = 1，小于接收故障數a = 2，所以做接收判決。

（二）估計MTTF的觀測值

其中T為實際試驗時間。由于r = 1，所以本次試驗的直接觀測值為13440h。

（三）估計MTTF的驗證值

估計MTTF的驗證值時，若無特別規定，推薦置信水平C=1-2β。由公式（6）～（8）和查表[8]就可以得到驗證值（驗證區間）為：當置信度為60%時，驗證區間滿足（4489,60269），也就是說MTTF>4489h的概率為80%。

六、結語

本文結合電子產品相關國軍標和非制冷紅外探測器的實際情況，制定了有針對性的MTTF試驗方案，并進行了試驗驗證。方案的制定和試驗結果如下：本文對非制冷紅外探測器有可能產生的故障進行分級并加權，介紹試驗參數的設計和試驗數據的理論計算，制定符合非制冷紅外探測器的試驗載荷和任務剖面，形成了完整的試驗方案。對試驗數據分析，試驗結果表明：非制冷紅外探測器在可信度60%時，MTTF的驗證區間為（4489,60269），即MTTF>4489h的概率為80%。