一种用于封装长波QWIP-LED量子阱红外探测器的结构

摘要：在用于封装长波QWIP-LED量子阱探测器的杜瓦研制中，详细阐明了一种用于封装长波QWIP-LED量子阱红外探测器的结构，结构采用侧罩式设计，光信号从红外窗口进入，近红外窗口透出，提出了一种探测器胶接在管座上，管座整体再螺接在冷头的方法，提高探测器的互换性，通过热适配设计，降低低温应力对探测器影响，选择低冷损的TC4材料，降低杜瓦漏热，基本解决了长波QWIP-LED量子阱探测器杜瓦组件的关键技术，性能指标达标，成像效果良好，达到工程封装要求。

1引言

热成像领域中，QWIP-LED器件具有较大的后发优势。Liu等人在1995年首次实现器件模型并进行了长期的改进和优化，N型QWIP-LED器件已由国内相关研究人员成功的研制，其波长为876 nm的近红外光由波长为8.9 μm的中波红外转换而成。基于QWIP-LED/CCD的红外成像系统首先利用QWIP-LED将收集到的中长波红外光转换成红外光并将其出射，然后由CCD收集近红外光，实现电子学图像的获取，因QWIP-LED基于无分像元结构，同时不需要集成电子学读出电路，与InSb、HgCdTe等传统红外热成像器件相比，具有易于大面阵化、低成本等优点。

QWIP-LED存在的意义在于，它改变了中长波红外探测器只能使用高工艺难度的传统红外焦平面器件的现状，通过自身的红外上转换功能，使得使用商用Si图像探测器进行中长波红外探测器成为可能，为红外成像探测提供一种低成本的替代方案。

随着波长向长波扩展及探测灵敏度的提高，长波QWIP-LED量子阱探测器必须工作在深低温下，机械制冷具有微型化、小型化、可控性强和效率高等优点，因此广泛应用于航天航空探测器封装应用中，并且常通过真空杜瓦封装。文中主要介绍长波QWIP-LED量子阱器件杜瓦组件的研制情况。

2设计

2.1器件结构

用传统的光刻、腐蚀等方法制备了台面型器件，如图1所示。上面镀有环状上电极，上电极采用AuGe-Ni/Au制备，器件的下电极采用Ti/Pt/Au材料制备。 

图1 器件台面结构示意图

小面积样片台面的大小为1.26 cm × 1.1 cm，器件有效光出射窗口为1.0 cm × 1.0 cm，最终应用的大面积器件，其台面的大小为1.8 cm ×1.7 cm上、下电极均为环状，中间器件的有效发光面的大小为1.5 cm × 1.5 cm。

2.2管壳结构

（1）结构说明及互换性设计

多数的探测器安装一般是用低温胶胶接在冷头上，利用大视场显微镜对中操作，并经过长时间固化操作，当需要更换探测器或者对损伤探测器进行机理分析时，探测器的取下工艺难度较大，且需要高温加热冷头，探测器温度过高会导致探测器概率性失效，特别是产品研制初级阶段，需要对探测器失效进行反复拆装。

为提高探测器的使用效率，降低因为更换探测器引起的杜瓦制备成本，设计了一种高互换性的管座，如图2所示，引线针采用玻璃珠烧结，采用整体镀金降低表面发射率，芯片宝石片通过低温胶胶接在管座上，一体化管座通过大视场显微镜对中螺接在冷头上，更换器件只需更换管座即可。

图2 高互换性管座

（2）热失配分析

芯片材料不同，材料参数不同，特别是低温环境下，不同材料相互间的热失配会导致芯片在不同方向上发生相当的应力分布和应变变化。

芯片工作温度65 K，芯片热功率202 mW。芯片为GaAs衬底，宝石电极板为Al2O3材料，比较Al2O3和GaAs的热膨胀系数，Al2O3的热膨胀系数大于GaAs，在低温下GaAs比Al2O3收缩得更厉害，它们的组合结构会产生中间向上凸起的形变，由于GaAs衬底的强度是比较低，非常容易损坏。冷头－管座－芯片结构如图3所示。材料的相关参数如表1所示。

图3 冷头－管座－芯片结构

表1 材料的相关参数

焦平面模块粘接到宝石电极板上面，由于冷头采用紫铜材料，如果将宝石片直接胶接在冷头上，由于冷头的热膨胀系数比宝石片大，低温下紫铜比Al2O3收缩得更厉害，这种情况下，整体产生向上的张应力。

由于管座采用热膨胀系数很低的因瓦，紫铜受到的应力要比GaAs衬底下表面受到的应力比大，因瓦的上表面与宝石片之间为胶接，因瓦在低温下对宝石电极板会产生向下的拉扯，形变上表现为下凹，GaAs衬底产生压应力，张应力从而被部分消减。经过分析对比，管座厚度1.5 mm，芯片的低温应力最小，最大应力（光敏元区域）为27 MPa，满足要求，热失配较小，器件能够正常工作，如图4所示。

图4 芯片应力分布

2.3杜瓦结构

（1）结构说明

杜瓦采用侧罩式设计，如图5所示，制冷机冷量由芯柱传输到冷平台（冷头），芯柱采用TC4材料，冷平台（冷头）材料采用紫铜材料，冷平台（冷头）与探测器宝石片之间通过因瓦管座螺接，螺栓预紧力控制在5 cN∙m，冷平台（冷头）与管座之间通过铟片接触，光信号从红外窗口进入，近红外窗口透出，采用电铸冷屏外表面镀金内表面发黑，以降低背景辐射导致的器件暗电流，将探测器封装在高真空环境下，探测器信号通过引线引出。

图5 杜瓦结构示意图

（2）低冷损设计

冷损（也被称做漏热）是杜瓦的一个重要参数，杜瓦的漏热由四部分组成：热传导漏热、辐射漏热、焦耳漏热和对流漏热。焦耳漏热跟自身的额定功率有关。对流漏热由杜瓦的真空度决定，杜瓦激光密封后要对其进行高真空烘烤排气，排气口相应位置真空度可达到10-6 Pa，夹封后杜瓦工作时其内部真空度一般也小于1 × 10-4Pa，对流漏热非常小，可以忽略不计，其中热传导漏热最重要的部分。较低的冷损是杜瓦设计、研制的重要目标之一，低冷损可以显著降低对制冷机制冷性能及系统功耗的要求。

红外上转换器件结构只有两个电极，仅有两根引线，芯柱传导漏热在整个热传导中占比最大，TC4材料具有较小的热传导系数，质量更小，是理想的芯柱材料。由于杜瓦芯柱的截面都非常小，而且同为轴对称结构，可将其导热简化为一维稳态热传导模型，一维稳态热传导公式为：

综上所述，估算液氮温度下，采用TC4材料的芯柱材料的固体传导漏热大约为160 mW，相对于国内传统不锈钢芯柱传导漏热318 mW降低50%左右，杜瓦整体漏热也因此减小。

3性能指标

通过对低寄生热负载、探测器高互换性和高可靠性等关键技术的攻关，QWIP-LED量子阱探测器杜瓦组件成像效果良好，其主要指标情况如表2所示，杜瓦封装后如图6所示。

表2 主要性能指标

图6 杜瓦组件照片

4成像试验

基于红外上转换探测器采用光学读出代替了传统的电学读出，因此在系统光学包括杜瓦窗口、成像透镜，以及CCD的选择和匹配也将是总体方案需要关注的。成像演示系统由主光学系统、冷光阑、基于红外上转换的探测器、小型深低温制冷机和CCD探测系统组成。

工作在红外波段的主光学系统，收集目标辐射的红外能量，成像在红外上转换器件上。图7为2.0 V – 13 mA – 62 K下成像效果。

图7 成像效果

5结论

作为红外成像探测的一种低成本的替代方案，QWIP-LED量子阱探测器改变了中长波红外探测器只能使用工艺难度较高的传统红外焦平面器件的现状，其杜瓦的工程封装非常急切。在长波QWIP-LED量子阱探测器的杜瓦研制中，详细阐明了一种侧罩式结构——光信号从红外窗口进入，近红外窗口透出。着重解决了低冷损设计、探测器互换性设计和芯片热失配设计等关键技术，封装后的长波QWIP-LED量子阱探测器杜瓦组件成像效果良好。