红外焦平面探测器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及红外焦平面探测器结构可靠性设计领域，具体涉及一种红外焦平面探 测器。
【背景技术】
[0002] 红外焦平面探测技术具有光谱响应波段宽、可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。
[0003] 如图1所示，带有铟柱阵列的光敏元芯片3与带有铟柱阵列的硅读出电路1通过 倒焊互连工艺连接在一起，互连后形成铟柱阵列2。光敏元芯片3上设有抗反射涂层4。为 提高铟柱焊点的可靠性，通常在光敏元芯片3和硅读出电路1之间的夹缝中填入底充胶5 以降低铟柱焊点在周期性热冲击下可靠性。铟柱通常起到两方面的作用：1、电连接，即把光 生电信号引出至硅读出电路进行后续处理；2、起到机械支撑作用，把光敏元芯片和硅读出 电路从物理上隔离开来。
[0004] 现如今为提高红外成像系统的灵敏度和分辨率，要求红外焦平面探测器的阵列规 模越做越大、光敏元数目也越来越多，加之特定的低温工作环境，使得大面阵探测器的成品 率很低，通常表现为液氮冲击中光敏元芯片碎裂和探测器四周边缘处的铟柱互连失效。所 以，铟柱的具体几何尺寸对红外焦平面探测的性能起着至关重要的作用。
[0005] 在红外焦平面探测器的结构设计中，现有技术中大多提及光敏元间距，很少涉及 铟柱直径的选取，却没有涉及光敏元间距与铟柱直径之间关系的文献，所以，急需获知红外 焦平面探测器中光敏元间距与铟柱直径之间关系，为红外焦平面探测器结构的可靠性设计 提供参考依据。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了红外焦平面探测器，旨在减少液氮冲击中光敏元芯片碎裂概率和降 低探测器四周边缘处铟柱互连失效概率。
[0007] 未解决上述技术问题，本发明的红外焦平面探测器包括光敏元芯片、铟柱阵列、底 充胶和硅读出电路，光敏元芯片通过铟柱阵列与硅读出电路互连，底充胶填充在光敏元芯 片与硅读出电路之间的夹缝中，其特征在于，所述铟柱阵列中铟柱的直径不大于光敏元间 距的1/2。
[0008] 所述铟柱的体积填充比不大于25%，所述体积填充比定义为铟柱的体积除以铟柱 和底充胶组成的中间层的体积。
[0009] 所述铟柱的横断面占比不大于25%，所述横断面占比定义为铟柱的横断面面积除 以铟柱和底充胶组成的中间层的横断面面积。
[0010] 所述光敏元芯片为锑化铟（InSb)芯片或碲镉汞（HgCdTe)芯片或铟镓砷（InGaAs) 芯片或铟砷锑（InAsSb)芯片或铟砷/镓锑（InAs/GaSb)芯片或镓砷/铝镓砷（GaAs/ AlGaAs)芯片。
[0011] 本发明的红外焦平面探测器中，铟柱的直径取决于光敏元间距，不大于光敏元间 距的1/2,在历经液氮冲击时，降低了光敏元芯片碎裂概率和探测器四周边缘处的铟柱互连 失效概率。
[0012] 本发明的红外焦平面探测器中，铟柱的体积填充比不大于25%，铟柱的横断面占 比不大于25%，进一步限定了铟柱阵列中铟柱的具体尺寸，提高了大面阵探测器的结构可 靠性。
【附图说明】
[0013] 图1是红外焦平面探测器结构示意图；
[0014] 图2是红外焦平面探测器中不同材料的线膨胀系数随温度的变化曲线；
[0015] 图3是红外焦平面探测器法线方向最大应变随铟柱直径的变化趋势图；
[0016] 图4是铟柱直径为36微米时，液氮冲击后红外焦平面探测器法线方向的应变分布 图；
[0017] 图5是铟柱直径为24微米时，液氮冲击后红外焦平面探测器法线方向的应变分布 图；
[0018] 图6是铟柱直径为12微米时，液氮冲击后红外焦平面探测器法线方向的应变分布 图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细介绍。
[0020] 下面对128 X 128阵列规模的锑化铟（InSb)红外焦平面探测器（光敏元间距为50 微米）进行形变分析，该探测器由光敏元芯片和硅读出电路通过铟柱阵列互连混成，之后 在光敏元芯片和硅读出电路之间的夹缝中填入底充胶。
[0021] 铟柱直径的选择依赖于光敏元间距，具体通过有限元软件ANSYS模拟得到。判定 依据为：液氮冲击后红外焦平面探测器法线方向的应变幅度明显变小，红外焦平面探测器 上表面屈曲变形明显减弱。其模拟过程如下：
[0022] 1)铟柱选用VISCO 107单元类型，固化后的底充胶、光敏元芯片和硅读出电路选 用SOLID 95单元类型，进行直接耦合场分析；
[0023] 2)将光敏元芯片、互连后的铟柱阵列、底充胶和硅读出电路的杨氏模量、线膨胀系 数、泊松比及密度输入材料模型中，所输入材料参数均随温度发生变化。具体数值如表1和 图2所示，表1为不同温度下，红外焦平面探测器中不同材料的杨氏模量、泊松比，图2是红 外焦平面探测器中不同材料的线膨胀系数随温度的变化曲线。
[0024] 表1.不同温度下，红外焦平面探测器中不同材料的杨氏模量、泊松比
[0025]
[0026] 在50K至370K的范围内，底充胶的线膨胀系数可用下式描述，α = 22. 46X 10 6+5· 04X10 8X (T-273)，式中，T 的单位取开尔文。
[0027] 3)建立几何模型，即将光敏元芯片、互连后的铟柱阵列、底充胶和硅读出电路的几 何尺寸输入；
[0028] 4)设定红外焦平面探测器的温度处处均匀、一致，进行瞬态分析，红外焦平面探测 器的温度从室温急剧降低到液氮温度，或者从液氮温度缓慢升高到室温；
[0029] 5)设定非线性大变形分析；设置分析环境的收敛准则；进行运算求解；查看液氮 冲击后或者升至室温后整个红外焦平面探测器的形变幅度及分布。
[0030] 6)改变铟柱直径大小，即逐步增加或减小铟柱的直径；以探测器法线方向应变大 小为判据，得到整个红外焦平面探测器法线方向应变幅度随铟柱直径的变化趋势图。由此 获得满足要求的铟柱直径选取范围，用以降低红外焦平面探测器的热变形。
[0031] 下面详细介绍上述步骤：
[0032] a.基于等效方法建立红外焦平面探测器的结构分析模型，考虑计算效率，这里我 们选用32X32等效128X 128阵列规模，光敏元间距50微米。
[0033] b.设定探测器的具体结构参数，包括光敏元芯片