专利名称：一种红外面阵探测器结构建模及结构优化方法
技术领域：
本发明涉及一种红外面阵探测器结构建模及结构优化方法，属于光电子技术领域。
背景技术：
红外焦平面探测器具有灵敏度高、环境适应性好、抗干扰能力强、重量轻、功耗低等优点，被广泛应用于航空航天红外遥感、国防、气象、环境、医学和科学仪器等领域。如图I所示，红外焦平面探测器通常借助倒装焊技术把光敏元芯片I和硅读出电路4 通过铟柱阵列2互联混成，铟柱不仅提供光敏元芯片与硅读出电路输入端的电学连通，同时还起到机械支撑作用。之后在光敏元芯片和硅读出电路的间隙中填入底充胶3材料以提高探测器的焊点可靠性。混成后的探测器经光敏元芯片背减薄以提高量子效率。通常面阵探测器是这样布局的，在探测器中心部分是光敏元阵列区域，光敏元阵列区域四周有N电极和2-5行/列光敏元排布，这里称之为外围区域。为抑制背景噪声、提高信噪比，高灵敏度的红外焦平面探测器通常工作于液氮温度。在快速降温过程中，由于相邻材料热膨胀系数的差异，将在探测器中产生热应力/应变，引起铟柱焊点断裂、相邻材料之间产生分层开裂或者光敏元芯片碎裂，导致器件失效。尤其在大面阵红外探测器中，热失配产生的热应力/应变使器件碎裂的问题尤为明显。研究红外焦平面探测器可靠性的手段主要有基于有限元的结构模拟法，即通过分析热应力/应变评估其结构可靠性。在有限元结构模拟中，对于大面阵红外探测器来说，随着阵列规模的增加，用于描述探测器的结构单元数急剧增加。阵列边长增加一倍，建模体积增加三倍，相应地描述探测器的结构单元数也急剧增加，模拟计算耗时呈指数增长，不能满足结构快速优化需求。基于等效原理，可以利用小面阵模型替代大面阵模型进行快速优化。但这会带来新的问题，即简单的等效方式将导致面阵探测器外围区域中的光敏元行/列数随等效倍数的增加而增加，这显然与实际不符。
发明内容
本发明的目的是解决现有红外焦平面探测器结构建模方法中模拟计算耗时长，不能满足结构快速优化需求，而采用简单的等效方法所建模型与面阵探测器外围区域实际不相符的问题，为此提出一种红外面阵探测器结构建模及结构优化方法。本发明为解决上述技术问题而提出一种红外面阵探测器结构建模方法，该方法的具体步骤如下
O.沿面阵探测器N电极的内边缘将红外面阵探测器分割为两个部分，分别为光敏元阵列区域和外围区域；
2).根据红外面阵探测器的阵列规模#X #，选取一个较小的红外面阵探测器阵列规模 X 来等效阵列规模为# X #的红外面阵探测器进行结构热应力分析，等效前后红外面阵探测器外围区域中的光敏元行/列数保持不变，这里 =#/0&)，其中n=l，2，3…8 ；
3).对分割后的红外面阵探测器结构中材料的热膨胀系数进行设置，将分割后的红外面阵探测器结构中光敏元阵列区域中材料的热膨胀系数沿光敏元阵列排布方向增大到办倍，将分割后的红外面阵探测器结构外围区域中材料的热膨胀系数沿外围区域中光敏元行/列数较大的方向增大到办倍，沿外围区域中光敏元行/列数较小的方向保持不变。所述的步骤2)中对红外面阵探测器进行等效是基于相邻材料间热膨胀失配位移公式得到，其中为热膨胀失配位移，Z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，为降温范围。所述的步骤3)中设定红外面阵探测器的材料的热膨胀系数时，要对分割后的两部分，分别设定其材料热膨胀系数。
本发明为解决上述技术问题还提供一种红外面阵探测器结构优化方法。该方法的具体步骤如下
O ·沿面阵探测器N电极的内边缘将红外面阵探测器分割为两个部分，分别为光敏元阵列区域和外围区域；
2).根据红外面阵探测器的阵列规模#X #，选取一个较小的红外面阵探测器阵列规模 X 来等效阵列规模为# X #的红外面阵探测器进行结构热应力分析，等效前后红外面阵探测器外围区域中的光敏元行/列数保持不变，这里 =#/0&)，其中n=l，2，3…8 ；
3).对分割后的红外面阵探测器结构中材料的热膨胀系数进行设置，将分割后的 Χ 红外面阵探测器结构中光敏元阵列区域中材料的热膨胀系数沿光敏元阵列排布方向增大到办倍，将分割后的红外面阵探测器结构外围区域中材料的热膨胀系数沿外围区域中光敏元行/列数较大的方向增大到办倍，沿外围区域中光敏元行/列数较小的方向保持不变；
4).对得到的红外面阵探测器设定相应的结构参数，包括铟柱的直径、高度、底充胶填充轮廓、光敏元阵列芯片的结构尺寸和硅读出电路的结构尺寸；
5).进行有限元网络划分，施加对称边界条件和初始状态条件，同时对硅读出电路的下表面中心点施加零自由度约束；
6).对设定好的红外面阵探测器进行瞬态分析，记录光敏元阵列上的应力值和应力分布；
7).调整步骤4)中所述设定的结构参数，包括括铟柱的直径、高度、底充胶填充轮廓，重复步骤4)到6)，得出所述#X#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最佳结构参数。所述的步骤2)中对红外面阵探测器进行等效是基于相邻材料间热膨胀失配位移公式得到，其中为热膨胀失配位移，Z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，为降温范围。所述的步骤3)中设定红外面阵探测器的材料的热膨胀系数时，要对分割后的两部分，分别设定其材料热膨胀系数。所述的步骤5)中初始状态条件为整个红外面阵探测器的初始温度为室温，降温结束时的温度为77K。所述的步骤7)中对设定的结构参数进行调整时，只改变其中的一个结构参数，保持其余的结构参数不变，重复步骤4)到6)，得出#X#阵列规模红外焦平面探测器的结构应力与每个结构参数之间的关系。所述的光敏元芯片为锑化铟芯片、碲镉汞芯片、铟镓砷芯片、铟砷锑芯片、铟砷/镓锑芯片或镓砷/铝镓砷芯片。本发明的有益效果是本发明以N电极内边缘为界把面阵探测器分割为两部分，光敏元阵列区域和外围区域，对于光敏元阵列区域，基于等效原理，利用小面阵等效大面阵进行结构应力分析及结构快速优化，而对外围区域，基于等效原理，仅在外围区域中光敏元行/列数较大的方向进行等效变换，而在外围区域中光敏元行/列数较小的方向不进行等效变换，这样就能避免在进行大面阵探测器结构分析及优化过程中所建模型外围区 域与实际不符的问题，提高建模的准确性。
图I是红外面阵探测器结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步说明。下面以外围区域包含有3行/列光敏元的128 X 128红外焦平面探测器为例来详细说明本发明的具体实施方式
。本发明的一种红外面阵探测器结构建模方法的实施例 其具体的步骤如下
I.根据红外焦平面探测器的阵列规模128X128，确定一个较小的探测器阵列规模，这里选用16 X 16来等效128 X 128，等效后面阵探测器外围区域中的光敏元行/列数3保持不变。2.利用ANSYS软件建立16X16阵列模型，其外围区域中的光敏元排布设定为3行/列，以N电极内边缘为界把该探测器结构模型中的光敏元阵列芯片、铟柱阵列、底充胶和硅读出电路均分割成两部分，根据器件的结构对称性，采用1/8结构建立有限元模型。3.根据热失配位移公式Z 7，在热冲击降温范围确定的前提下，热失配位移正比于焊点距面阵中心的距离和相邻材料热膨胀系数之差的乘积。对大面阵探测器结构分析来说，光敏元数目增加，相应地增加了焊点距离对称中心轴的距离，而相邻材料的热膨胀系数之差保持不变。为了取得同样热失配效果，也可以人为增加相邻材料的热膨胀系数之差，同时保持探测器横向尺寸不变，总体上使得在上述两种情况下，焊点距对称中心轴的距离和相邻材料热膨胀系数之差的乘积保持不变。基于上述等效理论，对分割后的小面阵(16X16)探测器结构中材料的热膨胀系数设置如下其一、将上述分割后16X16小面阵探测器结构中心区域的光敏元阵列、铟柱阵列、底充胶和硅读出电路沿X轴和Y轴方向的热膨胀系数都增大到8倍；其二、将分割后16X 16小面阵探测器结构外围区域的N电极、3行/列光敏元排布、3行/列铟柱排布、充底胶和硅读出电路沿Y轴方向的热膨胀系数增大到8倍，而沿X轴方向的热膨胀系数不变，这就保证了外围区域在等效变换前后不发生变化，从而建立了与128X128面阵等效的16X16小面阵探测器结构分析模型。本发明的一种红外面阵探测器结构优化方法的实施例
首先对红外焦平面探测器的结构进行建模，该建模方法的具体步骤如上述实施例所述，这里就不再详述，下面对建模后的结构优化的过程进行说明，其具体步骤如下
I.对建立的模型进行结构优化，需设定相应的结构参数，包括铟柱直径、高度，底充胶填充轮廓，和光敏元阵列芯片的厚度；这里选取铟柱的直径为28微米，高度为16微米，光敏元芯片厚度为10微米；这里需要对分割后的两部分，分别设定材料参数(热膨胀系数)，光敏元芯片和硅读出电路是各向异性的弹性材料，铟柱用粘塑性Anand模型来描述，底充胶用时间相关的弹性模型描述。2.进行有限元网络划分，施加对称边界条件和初始条件，这里边界条件指在对称面ABCD和ABFE处施加面对称条件，同时对硅读出电路的下表面中心点B点施加零自由度约束；初始条件为整个器件的温度为室温(300K)，降温结束时的温度为77K ，进行瞬态分析可得出光敏元芯片上的最大应力值和应力分布。3.调整步骤I中所述设定的结构参数，包括铟柱的直径、高度(底充胶的厚度与铟柱的高度等同)，调整时，只改变其中的一个结构参数，保持其余的结构参数不变，重复步骤I和2，可得出128 X 128面阵探测器的结构应力与结构参数之间的关系，从而明确最小应力值所对应的最佳结构参数，即为外围包含有3行/列光敏元排布的128X 128红外焦平面探测器的最优结构参数。上述计算是利用结构仿真软件ANSYS在工作站上进行的。用16X 16小面阵等效外围区域包含有3行/列光敏元排布的128 X 128大面阵探测器，这里16 X 16小面阵探测器的建模是以N电极内边缘为界把该模型的光敏元阵列、铟柱阵列、底充胶和硅读出电路切分成内外两部分，分别设定材料参数。中心区域的铟柱阵列、底充胶、光敏元阵列和硅读出电路沿X轴、Y轴方向的热膨胀系数都增加到8倍，和128 X 128阵列规模相比，16 X 16阵列规模边长尺寸减小了 7/8。有效降低了有限元模型的单元数，实现了快速优化的目的。而外部区域的3行/列光敏元排布、3行/列铟柱排布、底充胶和硅读出电路沿Y轴方向的热膨胀系数增大到8倍，而沿X轴方向的热膨胀系数不变，使外围光敏元排布在等效变换前后行/列数3保持不变，实现了结构快速优化的同时，外围区域光敏元排布及其对应部分的体积不再倍增，从而使得所建模型更贴近真实器件，准确度高、结构优化速度快。
权利要求
1.ー种红外面阵探测器结构建模方法，其特征在于该方法的具体步骤如下 O .沿面阵探测器N电极的内边缘将红外面阵探测器分割为两个部分，分别为光敏元阵列区域和外围区域； 2).根据红外面阵探测器的阵列规模ガX#，选取ー个较小的红外面阵探测器阵列规摸 X 来等效阵列规模为if Xガ的红外面阵探测器进行结构热应力分析，等效前后红外面阵探测器外围区域中的光敏元行/列数保持不变，这里 =，其中n=l，2，3…8 ； 3).对分割后的红外面阵探测器结构中材料的热膨胀系数进行设置，将分割后的 红外面阵探测器结构中光敏元阵列区域中材料的热膨胀系数沿光敏元阵列排布方向增大到办倍，将分割后的红外面阵探测器结构外围区域中材料的热膨胀系数沿外围区域中光敏元行/列数较大的方向増大到為倍，沿外围区域中光敏元行/列数较小的方向保持不变。
2.根据权利要求I所述的红外面阵探测器结构建模方法，其特征在于所述的步骤2)中对红外面阵探测器进行结构等效是基于相邻材料间热膨胀失配位移公式得到，Jァ=Z (ひ7- aj Jハ其中」ァ为热膨胀失配位移，Z为面阵探測器中铟柱焊点距对称中心轴的距离，L和~分别为面阵探测器中相邻材料的热膨胀系数，为降温范围。
3.根据权利要求I所述的红外面阵探测器结构建模方法，其特征在于所述的步骤3)中设定红外面阵探测器的材料的热膨胀系数时，要对分割后的两部分，分别设定其材料热膨胀系数。
4.ー种红外面阵探测器结构优化方法，其特征在于该方法的具体步骤如下 O ·沿面阵探测器N电极的内边缘将红外面阵探测器分割为两个部分，分别为光敏元阵列区域和外围区域； 2).根据红外面阵探测器的阵列规模ガX#，选取ー个较小的红外面阵探测器阵列规摸 X 来等效阵列规模为if Xガ的红外面阵探测器进行结构热应力分析，等效前后红外面阵探测器外围区域中的光敏元行/列数保持不变，这里 =，其中η=1，2，3…8 ； 3).对分割后的红外面阵探测器结构中材料的热膨胀系数进行设置，将分割后的 红外面阵探测器结构中光敏元阵列区域中材料的热膨胀系数沿光敏元阵列排布方向增大到办倍，将分割后的红外面阵探测器结构外围区域中材料的热膨胀系数沿外围区域中光敏元行/列数较大的方向増大到為倍，沿外围区域中光敏元行/列数较小的方向保持不变； 4).对得到的红外面阵探测器设定相应的结构參数，包括铟柱的直径、高度、底充胶填充轮廓、光敏元阵列芯片的结构尺寸和硅读出电路的结构尺寸； 5).进行有限元网络划分，施加对称边界条件和初始状态条件，同时对硅读出电路的下表面中心点施加零自由度约束； 6).对设定好的红外面阵探测器进行瞬态分析，记录光敏元阵列中的最大应カ值和应カ分布； 7).调整步骤4)中所述设定的结构參数，包括铟柱的直径、高度、底充胶填充轮廓，重复步骤4)到6)，得出所述JiXii阵列规模红外探測器的结构应力与结构參数之间的关系，确定最小应カ值对应的最佳结构參数。
5.根据权利要求4所述的红外面阵探测器结构优化方法，其特征在干所述的步骤2)中对红外面阵探测器进行结构等效是基于相邻材料间热膨胀失配位移公式得到，Jァ=Z (ひ7- aj Jハ其中」ァ为热膨胀失配位移，Z为面阵探測器中铟柱焊点距对称中心轴的距离，L和~分别为面阵探测器中相邻材料的热膨胀系数，为降温范围。
6.根据权利要求4所述的红外面阵探测器结构优化方法，其特征在于所述的步骤3)中设定红外面阵探测器的材料的热膨胀系数时，要对分割后的两部分，分别设定其材料热膨胀系数。
7.根据权利要求4所述的红外面阵探测器结构优化方法，其特征在于所述的步骤5)中初始状态条件为整个红外面阵探测器的初始温度为室温，降温结束时的温度为77Κ。
8.根据权利要求4所述的红外面阵探测器结构优化方法，其特征在于所述的步骤7)中对设定的结构參数进行调整时，只改变其中的ー个结构參数，保持其余的结构參数不变，重复步骤4)到6)，得出JiXii阵列规模红外焦平面探測器的结构应力与每个结构參数之间的关系。
9.根据权利要求4所述的红外面阵探测器结构优化方法，其特征在于所述的光敏元芯片为锑化铟芯片、碲镉汞芯片、铟镓砷芯片、铟砷锑芯片、铟神/镓锑芯片或镓神/铝镓砷芯片。
全文摘要
本发明涉及一种红外面阵探测器结构建模及结构优化方法，首先根据红外面阵探测器的结构特点，将红外面阵探测器结构模型分割为两个部分，光敏元阵列区域和外围区域，分别设定光敏元阵列区域和外围区域的材料热膨胀系数及分析模型，基于等效原理，利用小面阵等效大面阵对大面阵红外探测器进行热应力分析及结构优化，预期降低探测器的碎裂几率，提高成品率。本发明适用于红外面阵探测器结构可靠性设计，具有建模准确和结构参数优化快速的双重功能，解决了大面阵红外探测器结构建模与优化时存在的数据存储占用空间大、求解速度慢等缺点，为分析大面阵红外探测器中的热应力提供了一条新途径。
文档编号G06F17/50GK102682147SQ20111043530
公开日2012年9月19日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者余倩, 吴景艳, 孟庆端, 张晓玲, 张立文, 普杰信, 李鹏飞 申请人:河南科技大学