一種多波段與雙透鏡集成的紅外探測器氣密性封裝組件

多光譜紅外探測技術(shù)能豐富遙感載荷的圖像信息，提高圖像的反演精度，而多透鏡和多波段探測器集成封裝設(shè)計(jì)能縮小光學(xué)載荷體積，同時(shí)節(jié)約制冷資源。多波段紅外焦平面集成封裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)多波段多通道紅外探測技術(shù)工程化應(yīng)用的前提。并且為了降低光學(xué)系統(tǒng)體積并有效利用制冷資源，透鏡常與紅外焦平面封裝集成于同一氣密組件中，這對組件封裝提出更高的要求。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《光學(xué)學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“多通道紅外中長波芯片與雙透鏡集成組件封裝技術(shù)”為主題的文章。該文章第一作者為朱海勇。

本文設(shè)計(jì)并研制了一種多波段與雙透鏡集成的紅外探測器氣密性封裝組件，并分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組件多波段芯片焦平面配準(zhǔn)、濾光片低溫低形變支撐、透鏡光學(xué)配準(zhǔn)和低溫形變控制以及組件背景輻射雜散抑制等封裝技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，對航天用紅外多波段集成組件的小型化和集成化有一定的借鑒意義。

組件封裝

器件及探測器排布

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，中長波紅外組件分別由3個(gè)紅外通道5.8~6.7 μm、6.75~7.15 μm和7.24~7.6 μm組成。探測器采用光導(dǎo)型碲鎘汞紅外探測芯片，工作溫度為85 K，每個(gè)光譜通道探測器由4個(gè)光敏元成“一字型”排列，光敏元尺寸為0.056 mm × 0.056 mm。組件紅外探測器敏感元位置排列和敏感元尺寸如圖1所示。

圖1 光敏元排布及尺寸圖

圖1為三個(gè)紅外探測光敏元的排列模型。由于組件的三個(gè)工作波段之間有光譜重合，這將會影響組件光譜，而光譜的形狀和帶外響應(yīng)將直接影響到圖像的反演精度。因此為了減小波段間的串?dāng)_，將臨近的波段錯開，波段按如圖1所示排列。從左至右L2、L3和L1分別代表6.75~7.15 μm、7.24~7.6 μm和5.8~6.7 μm波段。

多個(gè)通道組裝在一個(gè)組件內(nèi)，光敏元的位置必須符合光學(xué)配準(zhǔn)，定位的不準(zhǔn)同時(shí)會引入空間光譜串音。拼接芯片需采用高精度對位及定位技術(shù)，需保證沿光軸方向精確定位，所有敏感元相對于X軸和Y軸偏轉(zhuǎn)≤0.01 mm，任意兩個(gè)敏感元表面相對于XZ平面的距離變化范圍≤0.03 mm。

探測器組件對器件封裝的精度提出了更高的要求，為了能夠達(dá)到高精度對準(zhǔn)，采用光刻的方法在過渡電極板上做十字對準(zhǔn)線，對準(zhǔn)線的寬度不大于0.02 mm，與X、Z軸不平行度小于1°。探測器在安裝在管殼內(nèi)時(shí)，以十字對準(zhǔn)線為基準(zhǔn)固定好。并通過大視場高倍率投影儀嚴(yán)格控制探測器拼接精度實(shí)現(xiàn)XY平面高精度定位和配準(zhǔn)，采用在低溫膠固化周期內(nèi)多次復(fù)檢并實(shí)時(shí)調(diào)整保證最終精度。通過超長工作距離Z軸顯微鏡，檢測光敏元與基準(zhǔn)面的高度差。

組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為組件的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，組件分別由底座、寶石電極板、透鏡支撐、透鏡保護(hù)環(huán)、密封壓座、密封環(huán)、透鏡1、透鏡2、光闌、濾光片、濾光片支撐環(huán)和導(dǎo)熱片In組成。組件的總質(zhì)量不超過65克，組件封裝完成后在密封壓座上對位安裝冷光闌。組件采用氣密密封的封裝形式，該組件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：采用寶石電極板實(shí)現(xiàn)電學(xué)信號的輸出，外殼零件采用金屬加工制備、各部件間以螺紋配合螺絲連接，組件內(nèi)具有雙層光闌結(jié)構(gòu)，通過密封壓座與透鏡1間的銦擠壓工藝實(shí)現(xiàn)組件的密封，透鏡支撐包含光闌定位面、透鏡2定位面和透鏡1定位面。

低應(yīng)力濾光片支撐設(shè)計(jì)

中波組件在濾光片上表面光斑R大小為0.1 mm，在光闌上表面光斑R大小為0.074 mm，光闌孔設(shè)計(jì)尺寸為0.38 mm，因此，為了實(shí)現(xiàn)光闌不擋光，光闌對中工藝偏差需要控制在0.01 mm以內(nèi)，為了不引起空間光譜串音，濾光片劃片工藝偏差控制在0.020 mm以內(nèi)，濾光片對中工藝偏差控制在0.03 mm以內(nèi)。濾光片通過拼接固定在光闌上安裝在組件管殼內(nèi)，濾光片下表面至光敏面的高度為0.3 mm。為了降低雜散光和光串概率，對濾光片支架內(nèi)外表面進(jìn)行發(fā)黑處理。并且光闌孔的大小按照光學(xué)系統(tǒng)的視場角計(jì)算得到，考慮到對中時(shí)難免存在偏差，因此在理論計(jì)算值的基礎(chǔ)上適當(dāng)放余量，最終的到光闌孔的尺寸。

濾光片支架與濾光片通常采用膠粘接固定，濾光片靠近邊緣位置處的鍍膜區(qū)域不可避免存在與膠接觸，成為粘接面。其次，濾光片基體的熱膨脹系數(shù)與濾光片支架材料熱膨脹系數(shù)存在差異時(shí)，濾光片膜層在低溫工作時(shí)將承受低溫應(yīng)力。試驗(yàn)表明這種熱失配引起的應(yīng)力會導(dǎo)致濾光片光譜特性的變化，從而引起光譜的變形。

為減小低溫下應(yīng)力和形變，在濾光片支架的邊緣設(shè)計(jì)有四條應(yīng)力釋放槽，如圖3所示。在采用應(yīng)力槽設(shè)計(jì)后，濾光片支架的形變得到明顯的改善，這也對濾光片在低溫下形位偏移的改善有一定作用。并且為了減小濾光片支架低溫形變，濾光片支架采用低膨脹系數(shù)的合金材料，濾光片兩端通過耐低溫膠實(shí)現(xiàn)與濾光片支撐框固定，并嚴(yán)格控制耐低溫膠量，以防止耐低溫膠滲入濾光片底面和濾光片支架上面，減小低溫下濾光片組件由于熱失配引起的形變應(yīng)力。

圖3 濾光片支架形變曲線

譜形控制是多通道多波段集成組件的關(guān)鍵技術(shù)。在集成多通道芯片封裝組件中，由于芯片間的距離較小，波段間串?dāng)_不可避免，主要為光學(xué)串?dāng)_。由幾何光學(xué)分析可知，縮小濾光片與芯片距離能有效降低光學(xué)串?dāng)_，組件采用將濾光片以“橋”式結(jié)構(gòu)安裝至芯片近表面。其次散射是造成光學(xué)串?dāng)_的因素之一，入射光經(jīng)過零件表面的途徑分為反射、透射、吸收和散射。為了降低零件表面散射，首先對透鏡和濾光片表面膜層透過率和吸收率進(jìn)行嚴(yán)格控制；其二，零件表面的散射與零件表面的粗糙度RMS有關(guān)，對零件表面進(jìn)行拋光處理，同時(shí)，在零件組裝前對零件表面進(jìn)行鏡檢和清潔。其三，減小低溫下光學(xué)零件表面形變可以有效減小光學(xué)余量，從而減小散射面積。

圖4 組件低溫下的（a）光譜曲線（b）定量化光譜曲線

雙透鏡光學(xué)配準(zhǔn)及力熱分析

多個(gè)通道組裝在一個(gè)管殼內(nèi)，其相應(yīng)位置必須符合光學(xué)配準(zhǔn)，定位的不準(zhǔn)同時(shí)會引入空間光譜串音。拼接芯片采用高精度對位及定位技術(shù)，光敏元首先通過大視場投影儀高倍放大，沿光軸方向精確定位，保證所有敏感元相對于X軸和Y軸偏轉(zhuǎn)≤0.01 mm，任意兩個(gè)敏感元表面相對于XZ平面的距離變化范圍≤0.03 mm。電極板與透鏡支撐、管殼底進(jìn)行對中裝配時(shí)，在大視場投影儀下，用專用對中夾具對中，實(shí)現(xiàn)光敏元與透鏡支撐對準(zhǔn)，保證平行光敏元中心與雙透鏡中心的配準(zhǔn)。

透鏡由于光滑容易滑動，且易碎不適于通過打孔螺絲的形式進(jìn)行機(jī)械固定，透鏡2的固定采用膠結(jié)固定，在起到固定作用的同時(shí)，又不會發(fā)生機(jī)械和光學(xué)特性等的變化。透鏡1則是采用密封壓座、軟金屬和螺絲進(jìn)行固定，密封壓座與透鏡通過軟金屬接觸。

組件封裝的漏率是密封過程的一個(gè)指標(biāo)，組件裝配完成后采用真空除氣，充N?保護(hù)氣體后，金屬圈密封及螺絲處點(diǎn)膠加固封裝形成最后的組件，利用靈敏度達(dá)到2×10?1? Torr.L/s氦質(zhì)譜檢漏儀對組件的密封進(jìn)行檢測，并通過軟金屬實(shí)現(xiàn)密封壓座和透鏡結(jié)合部位密封，實(shí)現(xiàn)組件的密封性優(yōu)于8×10?? Torr.L /s技術(shù)指標(biāo)。

圖5 （a）壓力下鏡片1內(nèi)表面形變（b）溫度荷下鏡片1內(nèi)表面形變

由于透鏡采用低溫冷光學(xué)設(shè)計(jì)，且為了保證探測器工作環(huán)境，對組件內(nèi)進(jìn)行充N?保護(hù)氣，組件隨載荷發(fā)射后外部為真空環(huán)境，透鏡1內(nèi)外面存在壓差，這將導(dǎo)致透鏡1表面受壓力和低溫的影響導(dǎo)致變形，透鏡曲率發(fā)生變化從而影響紅外光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。對比圖5（a）和（b）可以得出結(jié)論：組件在充1個(gè)大氣壓下透鏡1內(nèi)表面分別在氣壓和低溫下的形變方向相反，且相較于1個(gè)大氣壓差導(dǎo)致的透鏡1的形變，低溫下的透鏡1的形變占據(jù)主導(dǎo)地位，但仍可以看到調(diào)節(jié)組件內(nèi)氣壓來緩解透鏡1的低溫下形變的可能。

圖6為透鏡1內(nèi)外表面中心在組件充N?保護(hù)氣氣壓下的形變趨勢圖。從圖6可以看到，隨著N?保護(hù)氣氣壓的增加，透鏡1內(nèi)外表面中心的形變量都隨之減小，這表明增加N?保護(hù)氣氣壓有利于減小低溫下透鏡的形變。且透鏡1內(nèi)外表面中心的形變量與N?保護(hù)氣氣壓近似成線性關(guān)系。

圖6 透鏡1表面中心隨組件氣壓變形曲線

為了分析透鏡形變對紅外相機(jī)的成像的影響，分別對組件透鏡內(nèi)外變形表面以Zernike多項(xiàng)式擬合，再結(jié)合某一紅外光學(xué)系統(tǒng)并并以調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）和波像差作為成像評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析。

組件雜散光分析

對紅外光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行雜散光分析和抑制是保證光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的前提，如果對組件的雜散光抑制不足，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致組件失效。如Meteosat-5/7系列成像儀曾由于雜散光抑制不足導(dǎo)致相機(jī)關(guān)機(jī)。集成多波段紅外探測器組件作為紅外光學(xué)載荷的一部分，且組件中的許多表面靠近探測器，能被探測器直接“看到”，在雜散光分析時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖7（a）~（c）是對組件零件關(guān)鍵表面的雜散光分析，分別為光闌1、透鏡1、透鏡2、透鏡支撐、光闌2、濾光片支架。它們的表面輻射均可以通過透射、一次反射或散射到達(dá)探測器表面。

圖7 組件雜散光分析

產(chǎn)品及主要性能指標(biāo)

封裝完成后的組件進(jìn)行了一系列的環(huán)境試驗(yàn)性試驗(yàn)及低溫老煉試驗(yàn)考核，包鑒定級正弦和隨機(jī)力學(xué)振、85~295 K溫度循環(huán)和1500 h的老練試驗(yàn)，組件在可靠性試驗(yàn)完成后，對組件的漏率、器件性能進(jìn)行復(fù)測，沒有發(fā)生芯片脫落、電極開路等失效故障，組件無一失效。組件篩選前后信號和噪聲變化如圖8所示，信號和噪聲變化率均低AOS于10%，均通過了力學(xué)和溫度的試驗(yàn)。

圖8 環(huán)境試驗(yàn)前后信號與噪聲對比圖

通過多通道紅外焦平面拼接技術(shù)、低形變多濾光片支撐接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和透鏡形變控制等關(guān)鍵技術(shù)研究，對組件進(jìn)行高精密研制，得到了高性能的多光譜集成的紅外探測器組件。電學(xué)性能測試結(jié)果表明探測器工作正常，組件性能正常。

結(jié)論

多波段和多通道紅外探測器為空間遙感提供更豐富的遙感信息，而多透鏡與探測器集成化可以減小載荷體積和節(jié)約制冷資源，多波段多通道紅外探測器與多透鏡集成化將成為組件封裝發(fā)展趨勢之一。設(shè)計(jì)并研制一種集成多通道紅外探測器和透鏡的紅外封裝組件，對組件多波段不同焦平面的拼接、光學(xué)透鏡面型控制和共軸配準(zhǔn)、濾光片支架低形變控制、防光串和組件背景輻射雜散光抑制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。組件的3波段不同焦平面探測器拼接精度優(yōu)于±5 μm，焦平面探測器分別與濾光片和透鏡的光學(xué)配準(zhǔn)精度偏差優(yōu)于±8 μm和±15 μm，濾光片支架和透鏡在低溫的形變得到改善，低溫下的透鏡形變對光學(xué)成像質(zhì)量的影響可以忽略；多波段間光學(xué)串?dāng)_低于6%，串音低于5%；解決了多波段與雙透鏡集成紅外探測器組件的高精度配準(zhǔn)、濾光片支架低形變控制、透鏡面型控制以及串?dāng)_的小型化高性能的探測器封裝問題，并得到成功應(yīng)用。

論文鏈接：

DOI: 10.3788/AOS232011

審核編輯：劉清