隨著人類海陸空天活動(dòng)范圍日益擴(kuò)展，光電器件的應(yīng)用端不斷延伸。面對(duì)日益復(fù)雜多樣的服役環(huán)境，第三代制冷紅外探測(cè)器向著SWaP3（Size, Weight, and Power, Performance and Price）方向發(fā)展。探測(cè)器的“小型化”和“輕量化”不僅能使其勝任更多應(yīng)用場(chǎng)景，也意味著系統(tǒng)將具有更高的集成度、更低的功耗，有利于系統(tǒng)向模塊化、多功能發(fā)展。伴隨紅外系統(tǒng)集成化、高效化技術(shù)的突破，可靠性越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
制冷紅外探測(cè)器的可靠性顯露出越來越重要的戰(zhàn)略地位，主要有三個(gè)原因。一是穩(wěn)定的服役屬性是軍用電子設(shè)備的剛需；二是制冷紅外探測(cè)器作為復(fù)雜的光、機(jī)、電、熱系統(tǒng)，涉及到多學(xué)科交叉融合，自身的可靠性問題突出；三是制冷紅外探測(cè)器的應(yīng)用環(huán)境惡劣，探測(cè)器內(nèi)部不僅需要維持低溫（≤85K），探測(cè)器外部也可能面臨著溫度劇變、腐蝕或振動(dòng)沖擊等環(huán)境。
制冷紅外探測(cè)器組件（IDDCA）包括三個(gè)主要的子組件，分別是制冷機(jī)（Cryocooler）、杜瓦（Dewar）和焦平面陣列（IRFPA）。
這三個(gè)子組件的可靠性框圖如下所示。
這是一個(gè)串聯(lián)模型，意味著僅單個(gè)子組件的故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)制冷紅外探測(cè)器組件失效。
圖1 簡(jiǎn)化的IDDCA可靠性框圖
以上表明制冷紅外探測(cè)器組件的可靠性是由每個(gè)子系統(tǒng)的瞬時(shí)可靠性共同作用的結(jié)果，杜瓦組件是保證整機(jī)穩(wěn)定服役的關(guān)鍵，它不僅是芯片的光、機(jī)、電、熱通道，也是封裝芯片的載體。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，浙江玨芯微電子有限公司熊雄等在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“640 x 512小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件可靠性研究”為題的論文。該論文披露了玨芯微電子所研制的對(duì)標(biāo)法國(guó)Lynred公司Leo型號(hào)探測(cè)器，其外形尺寸為119.6 mm x 80 mm x 46.5 mm，重量小于350 g，封裝640 x 512/15μm碲鎘汞器件。產(chǎn)品實(shí)物圖和成像效果圖如下：
圖2 ?(a) 640×512小型化紅外探測(cè)器組件；(b) 成像效果圖
該論文以640 x 512小型化紅外探測(cè)器組件中的杜瓦組件（尺寸為φ 30 mm x 85 mm，重量小于55 g）作為研究對(duì)象，開展了力學(xué)、熱力學(xué)、多余物和真空壽命等四個(gè)維度的可靠性研究。經(jīng)各項(xiàng)可靠性試驗(yàn)后，640 x 512/15 μm小型化杜瓦組件的性能保持良好，該結(jié)果表明此杜瓦組件在總體上具有較高的可靠性，能夠滿足常規(guī)軍事應(yīng)用需求。在此基礎(chǔ)上，該論文還對(duì)小型化制冷紅外探測(cè)器和的可靠性工程的未來發(fā)展提出了展望。
圖3? 640 x 512小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件
根據(jù)該論文中的內(nèi)容可知，在力學(xué)可靠性方面，玨芯微電子已研發(fā)的640 x 512/15 μm小型化杜瓦組件一階固有頻率達(dá)到2300Hz，抗振動(dòng)量級(jí)達(dá)到12.2g，沖擊量級(jí)達(dá)到100g，此抗振動(dòng)沖擊的能力與法國(guó)Lynred公司的Scorpio型號(hào)探測(cè)器基本持平。
在熱力學(xué)可靠性方面，此款小型化杜瓦組件具有良好的環(huán)境溫度適應(yīng)性，能夠適應(yīng)從-55℃到85℃的環(huán)境溫度劇變。且通過對(duì)冷頭的熱力學(xué)仿真分析和工程實(shí)踐優(yōu)化，經(jīng)液氮沖擊和開關(guān)機(jī)試驗(yàn)后，探測(cè)器的盲元率、響應(yīng)率非均勻性和NETD等關(guān)鍵指標(biāo)未出現(xiàn)明顯變差，表明此款小型化杜瓦組件冷頭具有較好的抗溫變性能。
圖4 (a) 640 x 512小型化杜瓦組件抗溫變性能試驗(yàn)前；(b) 試驗(yàn)后芯片盲元分布情況
在多余物控制方面，以隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此款小型化杜瓦組件進(jìn)行多輪振動(dòng)成像試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)后，所有成像過程圖像中均未見多余物。表明640 x 512小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件在多余物控制方面取得了一定成效。
在真空可靠性方面，玨芯微電子以80℃作為試驗(yàn)溫度，對(duì)小型化杜瓦組件進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。從圖中可看出，在經(jīng)歷4000 h的高溫烘烤后，杜瓦組件的靜態(tài)熱負(fù)載仍保持在較穩(wěn)定的狀態(tài)。推測(cè)其在室溫下?lián)碛谐^30年的貯存壽命。
圖5? 加速壽命試驗(yàn)中杜瓦組件靜態(tài)熱負(fù)載波動(dòng)情況
最后，該論文對(duì)640 x 512/15 μm小型化杜瓦組件和可靠性工程的發(fā)展提出了展望。后續(xù)可通過設(shè)備和方法升級(jí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高一致性質(zhì)量控制，并在建立系統(tǒng)性的可靠性分析及試驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行持續(xù)的設(shè)計(jì)迭代和工藝優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)技術(shù)。除此之外，小型化杜瓦組件在兼容性方面也需作出一定的突破，該論文中所提到的640 x 512/15 μm小型化紅外探測(cè)器杜瓦組件還可兼容封裝面陣規(guī)模為320 x 256/30 μm的芯片，并可根據(jù)應(yīng)用需求定制不同規(guī)格的F數(shù)。
