[发明专利]一种含底充胶的大面阵红外探测器结构优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外焦平面探测器结构设计，特别是一种含底充胶的大面阵红外探测器结构优化方法。

背景技术

红外焦平面探测技术具有光谱响应波段宽、能昼夜工作等优点而广泛应用于导弹预警、情报侦察、损毁效果评估和农、林资源调查等军事和民用领域。

红外焦平面探测器通常借助倒装焊技术由光敏元阵列芯片和硅读出电路通过铟柱互联混成。铟柱不仅提供光敏元阵列芯片与其对应的硅读出电路输入端的电学连通，同时还起到机械支撑作用。为了提高红外焦平面探测器的信噪比，红外焦平面探测器通常工作于液氮温区。

为了提高分辨率，要求探测器的阵列规模越来越大，相应的光敏元阵列芯片的尺寸也随之增加，由于相邻材料热膨胀系数的差异，在液氮温区工作时，它们之间由热失配而产生的热应力会造成铟柱电连接失效或者光敏元阵列芯片碎裂，严重影响了红外焦平面探测器的寿命及成品率。对于铟柱电连接失效，较为常用的解决方法是往红外光敏元阵列芯片和硅读出电路之间的缝隙中填充含有一定比例硅微粉的环氧树脂胶，称之为底充胶。底充胶不仅填满红外光敏元阵列芯片和硅读出电路之间的缝隙，并且还包围着连接光敏元与硅读出电路的铟柱阵列。底充胶的加入改善了铟柱的电连接失效，但其相对较大热膨胀系数，再加上对光敏元阵列芯片的束缚，引起光敏元阵列芯片中热应力急剧增加，加大了光敏元阵列芯片的碎裂几率，严重地制约了大面阵红外探测器的成品率。如图1所示，该探测器制作过程如下：分别制作光敏元阵列芯片3和硅读出电路1、光刻掩模后，在光敏元阵列芯片3和硅读出电路1上分别沉积铟薄层，厚度为3-15微米；浮胶、剥离铟柱、形成铟柱列阵2，倒装焊、填充底充胶、固化后光敏元阵列芯片3减薄、生长抗反射涂层4。

在探测器的结构设计中，通常需要通过分析应力/应变评估探测器结构的可靠性。有限元模拟法常用于阵列规模较小的倒装焊器件的结构应力分析。为了提高红外焦平面探测器的分辨率，要求探测器的阵列规模越来越大，相应的光敏元和铟柱的数量也成倍增加。相应地在分析过程中划分的单元数也急剧增加，结构优化速度大大降低，不能满足快速设计需求。

举例来说，对于128×128规模的红外焦平面探测器来说，铟柱的数量为16384个，假如铟柱用200个单元进行网格化分，铟柱的单元数将达328万个，即便借助探测器结构的对称性，采用1/8结构进行建模分析，所划分的单元数也将达160万个，这还不包括光敏元阵列芯片和硅读出电路的单元数。如此多的单元数对仿真平台要求很高，计算过程很慢，不能满足实际需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大面阵红外探测器的结构优化方法，用以解决大面阵红外探测器结构应力分析中建模单元多，求解速度慢、数据存储占用空间大、后处理耗时多的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种含底充胶的大面阵红外探测器结构优化方法，其特征在于，步骤如下：

a)       根据大面阵红外焦平面探测器的阵列规模                                                ，确定一个较小的探测器阵列规模，这里（n=1,2,3…）；

b)       根据相邻材料间热膨胀失配位移公式：，进而建立起等效于阵列规模红外焦平面探测器的有限元模型：将步骤a）所述阵列规模探测器结构中光敏元阵列与铟柱、底充胶的热膨胀系数之差增加倍，这里阵列规模探测器结构中铟柱焊点距对称中心轴的距离为阵列规模的；根据器件结构的对称性，这里采用1/8结构进行建模；

上式中：为热膨胀失配位移，L为面阵探测器中铟柱焊点距对称中心轴的距离，和分别为面阵探测器中相邻材料的热膨胀系数，相邻材料是指所述光敏元阵列与铟柱、底充胶，为降温范围；

c)       对步骤b）中得到的阵列规模探测器有限元模型，设定相应的结构参数，包括铟柱的直径、高度和光敏元阵列芯片的厚度；设定材料参数和材料分析模型；

d)       进行有限元网络划分，这里采用自由网格划分；

e)       确定边界条件和初始状态；

f)       求解所述阵列规模探测器的结构应力，记录光敏元阵列芯片上的最大应力和应力分布；

g)       调整步骤c）中所述设定的结构参数，铟柱的直径、或铟柱的高度、或光敏元阵列芯片的厚度，重复步骤d）到f），得出所述阵列规模红外焦平面探测器的结构应力与结构参数之间的关系，确定最小应力值对应的结构参数，即得到阵列规模大面阵红外焦平面探测器的结构最优参数。