紅外焦平面陣列芯片開關(guān)機循環(huán)壽命的試驗方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種紅外焦平面陣列芯片開關(guān)機循環(huán)壽命的試驗方法及裝置，該方法包括如下步驟：選擇若干只紅外焦平面陣列芯片作為樣品，統(tǒng)計各只樣品的初始盲元率；進行預(yù)設(shè)次數(shù)的開關(guān)機循環(huán)壽命試驗，并統(tǒng)計試驗結(jié)束后各只樣品的最終盲元率；根據(jù)所述初始盲元率以及所述最終盲元率，利用單邊估計，計算在預(yù)設(shè)置信水平下紅外焦平面陣列芯片的盲元率上限；根據(jù)所述盲元率上限以及紅外焦平面陣列芯片對應(yīng)的盲元率失效判據(jù)，確定紅外焦平面陣列芯片的開關(guān)機循環(huán)壽命。本發(fā)明所需樣品量少、試驗周期短、工程實施代價小，方法上具有科學(xué)性和合理性，解決了IRFPA芯片開關(guān)機循環(huán)壽命評價的難題。
【專利說明】紅外焦平面陣列芯片開關(guān)機循環(huán)壽命的試驗方法及裝置 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明涉及紅外探測器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種紅外焦平面陣列芯片開關(guān)機循環(huán) 壽命的試驗方法及裝置。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 紅外焦平面陣列（IRFPA)芯片是高性能紅外系統(tǒng)的核心部件，在航天、航空、工業(yè) 等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。目前正在向焦平面超高密度集成探測器元、高性能、高可靠 性、進一步小型化、非致冷的方向發(fā)展，且正在由第二代陣列技術(shù)向第三代微型化高密度和 高性能紅外焦平面陣列技術(shù)方向發(fā)展。
[0003] 在不同的任務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域中，紅外焦平面陣列探測器系統(tǒng)需要不同頻率地開關(guān)機。 而碲鎘汞（HgCdTe)、銻化銦（InSb)等探測器材料需要在低溫下抑制噪聲才能正常工作，工 作溫度一般達到60K?90K。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，紅外焦平面陣列探測器系統(tǒng)需要在幾分鐘 內(nèi)達到工作溫度，這使得IRFPA芯片在短時間內(nèi)經(jīng)受很大的溫度沖擊。對于大面積的IRPFA 芯片，溫度沖擊應(yīng)力影響更為顯著。
[0004] IRFPA芯片包括光敏元件和讀出電路兩部分，它通常采用倒裝式紅外焦平面的結(jié) 構(gòu)（見圖1)，其中紅外光敏陣列與硅讀出電路之間通過銦柱互連起來。這樣就可以把高量 子效率的紅外探測器陣列和工藝上相當成熟的硅讀出電路耦合為一體，從而制成高性能的 紅外焦平面陣列。在溫度沖擊應(yīng)力下，探測器陣列與讀出電路之間的銦柱可能會由于應(yīng)力 過載或疲勞而導(dǎo)致間歇開路或斷開，這會導(dǎo)致IRFPA芯片出現(xiàn)盲元，影響探測器性能下降。
[0005] 在紅外焦平面陣列探測器系統(tǒng)應(yīng)用之前，需要對IRFPA芯片進行開關(guān)機循環(huán)壽命 考核，評估是否滿足系統(tǒng)應(yīng)用要求。紅外焦平面陣列探測器系統(tǒng)對IRFPA芯片的開關(guān)機循 環(huán)壽命提出了明確的要求，這需要科學(xué)合理、可工程實施的試驗方法。目前，IRFPA芯片的 開關(guān)機循環(huán)壽命沒有成熟的考核試驗方法，在IRFPA芯片的開關(guān)機循環(huán)壽命試驗方法上也 沒有明確的要求。較多使用的技術(shù)方案就是利用液氮或斯特林制冷機開展溫度循環(huán)試驗， 開關(guān)機一定的次數(shù)。但是這種方法對試驗樣品的需求量大，但由于IRFPA芯片價格昂貴，生 產(chǎn)數(shù)量很少，因此試驗代價太高，可行性差。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006] 基于此，為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種IRFPA芯片開關(guān)機循環(huán) 壽命試驗方法，將IRFPA芯片上的每個像兀視為一個樣品，模擬IRFPA芯片的應(yīng)用工況，開 展開關(guān)機循環(huán)壽命試驗。
[0007] 本發(fā)明實施例的內(nèi)容如下：
[0008] -種紅外焦平面陣列芯片開關(guān)機循環(huán)壽命的試驗方法，包括如下步驟：
[0009] 選擇若干只紅外焦平面陣列芯片作為樣品，統(tǒng)計各只樣品的初始盲元率；
[0010] 進行預(yù)設(shè)次數(shù)的開關(guān)機循環(huán)壽命試驗，并統(tǒng)計試驗結(jié)束后各只樣品的最終盲元 率；
[0011] 根據(jù)所述初始盲元率以及所述最終盲元率，利用單邊估計，計算在預(yù)設(shè)置信水平 下紅外焦平面陣列芯片的盲元率上限；
[0012] 根據(jù)所述盲元率上限以及紅外焦平面陣列芯片對應(yīng)的盲元率失效判據(jù)，確定紅外 焦平面陣列芯片的開關(guān)機循環(huán)壽命。
[0013] 本發(fā)明實施例中還提供一種用于實施上述試驗方法的試驗裝置，包括制冷機和杜 瓦瓶，所述紅外焦平面陣列芯片貼裝在所述制冷機的冷指上，所述杜瓦瓶罩設(shè)在所述紅外 焦平面陣列芯片的上方且與所述制冷機的冷指形成密閉空間。
[0014] 本發(fā)明通過將IRPFA芯片上的每個像元視為一個試驗單元，根據(jù)IRPFA芯片的應(yīng) 用工況來開展模擬開關(guān)機循環(huán)試驗，定數(shù)截尾，計算試驗前后的盲元率變化，然后計算在一 定置信水平時IRFPA芯片在開關(guān)機溫度沖擊應(yīng)力下的盲元率上限，并據(jù)此評估IRFPA芯片 到達盲元率失效判據(jù)所能經(jīng)受的開關(guān)機循環(huán)次數(shù)，即實現(xiàn)了開關(guān)機循環(huán)壽命的評估。本發(fā) 明所需樣品量少、試驗周期短、工程實施代價小，方法上具有科學(xué)性和合理性，解決了 IRFPA 芯片開關(guān)機循環(huán)壽命評價的難題。鑒于IRFPA芯片價格昂貴，工程研制進度緊張的現(xiàn)狀，本 發(fā)明提出的技術(shù)方案可帶來巨大經(jīng)濟效益，能節(jié)省大量的試驗經(jīng)費，并且大大縮短了研制 周期。 【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0015] 圖1為IRFPA芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明實施中IRFPA芯片開關(guān)機循環(huán)壽命的試驗方法的流程示意圖；
[0017] 圖3為本發(fā)明實施例中IRFPA芯片開關(guān)機循環(huán)壽命的試驗裝置的示意圖；
[0018] 圖4為本發(fā)明實施例中開關(guān)機循環(huán)壽命試驗的溫度應(yīng)力剖面。 【【具體實施方式】】
[0019] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步描述。
[0020] 如圖2所示，一種IRFPA芯片開關(guān)機循環(huán)壽命的試驗方法，包括如下步驟：
[0021] Sl選擇若干只紅外焦平面陣列芯片作為樣品，統(tǒng)計各只樣品的初始盲元率；
[0022] S2進行預(yù)設(shè)次數(shù)的開關(guān)機循環(huán)壽命試驗，并統(tǒng)計試驗結(jié)束后各只樣品的最終盲元 率；
[0023] S3根據(jù)所述初始盲元率以及所述最終盲元率，利用單邊估計，計算在預(yù)設(shè)置信水 平下紅外焦平面陣列芯片的盲元率上限；
[0024] S4根據(jù)所述盲元率上限以及紅外焦平面陣列芯片對應(yīng)的盲元率失效判據(jù)，確定紅 外焦平面陣列芯片的開關(guān)機循環(huán)壽命。
[0025] 具體的，IRFPA芯片由許多像元組成，對于一個MXN面陣的芯片，則可將該IRFPA 芯片視為一個包含了 MXN像元的樣本母體。為了便于后續(xù)的盲元率計算，可根據(jù)實際像元 總數(shù)來確定像元的單位Unit，如以千或萬為單位。IRFPA芯片的敏感性能參數(shù)以盲元率來 表征。
[0026] 開關(guān)機循環(huán)壽命試驗裝置見圖3,其中，IRPFA芯片102貼裝在制冷機101的冷指 上1011，制冷機101提供IRPFA芯片工作時所需的60K?90K的低溫，杜瓦瓶103罩設(shè)在 IRPFA芯片的上方，與制冷機101的冷指形成密閉空間，為IRPFA芯片提供一個真空絕熱環(huán) 境，保證IRPFA芯片102能在恒定低溫下工作。
[0027] 為進行預(yù)設(shè)次數(shù)的開關(guān)機循環(huán)壽命試驗，根據(jù)IRFPA芯片的典型應(yīng)用要求，確定 開關(guān)機循環(huán)壽命試驗的溫度應(yīng)力剖面；如圖4所示，在3至5分鐘之內(nèi)溫度迅速從300K降 至80K，然后維持5分鐘的80K低溫，再迅速升至300K的高溫。根據(jù)該溫度應(yīng)力剖面，通過 焦湯制冷機或斯特林制冷機實現(xiàn)升降溫，升降溫的時間甚至可以更短，據(jù)此模擬IRFPA芯 片的定時開關(guān)機循環(huán)。
[0028] 選擇若干只IRFPA芯片作為試驗樣品，為節(jié)省樣品費用，可選用2至3只，統(tǒng)計每 只樣品的初始盲元率〇 initial_1()SS，即統(tǒng)計初始狀態(tài)各個樣品無效像元數(shù)量與總像元數(shù)量的比 值。
[0029] 然后通過制冷機進行預(yù)設(shè)次數(shù)的開關(guān)機循環(huán)壽命試驗，參照IRFPA芯片的驗收考 核條件，進行500至1000次循環(huán)后截尾，中間不進行性能參數(shù)測試，試驗結(jié)束后統(tǒng)計各只 樣品的最終盲元率〇 md_1()SS，則各個IRFPA芯片樣品的初始盲元率和最終盲元率之差，就是 IRFPA芯片的試驗盲元率O ltjss，即 ?loss 〇en-dloss 〇init-lioasls °
[0030] 根據(jù)初始盲元率以及所述最終盲元率，利用單邊估計，計算在預(yù)設(shè)置信水平下 IRFPA芯片的盲元率上限；然后再根據(jù)所述盲元率上限以及IRFPA芯片對應(yīng)的盲元率失效 判據(jù)，確定紅外焦平面陣列芯片的開關(guān)機循環(huán)壽命。
[0031] 在一種【具體實施方式】中，通過如下公式計算IRFPA芯片的盲元率上限：
[0032] A= Z ,/(2" 2) ? Unit 2 cycle ss
[0033] 其中，X為盲元率上限；
[0034] X 2a (2r+2)指X 2分布（即卡方分布）的a分位數(shù)，自由度為2r+2 ;
[0035] a為預(yù)設(shè)置信水平，通常對于元器件而言，取a = 60% ;
[0036] cycle為所述預(yù)設(shè)次數(shù)，一般取500至1000 ;
[0037] ss為全部樣品的總像元數(shù)量，即ss = M ? N ? n，n為樣品數(shù)量；
[0038] Unit為像元數(shù)量單位，當面陣像元數(shù)量較多，進行X2分布的a分位數(shù)查表時會 不方便，因此取像元數(shù)量單位Unit (千或萬）以方便計算；
[0039] r為盲元數(shù)，其數(shù)量單位與總像元數(shù)量單位保持一致，r = M ? N ? 01()SS/Unit。
[0040] 在一種【具體實施方式】中，根據(jù)IRFPA芯片允許的盲元率上限，外推在盲元率失效 判據(jù)F下的開關(guān)機循環(huán)壽命次數(shù)LifeCycle :
[0041] LtfeCyde = (F- Xl〇iHUkd hJ/A n -
[0042] 其中，E Oinitial ltjss是各樣品的初始盲元率之和，n為樣品的數(shù)量，X為盲元率上 限。
[0043] 由此，可實現(xiàn)IRFPA芯片開關(guān)機循環(huán)壽命的評估，判定其是否滿足紅外探測器系 統(tǒng)的應(yīng)用要求。
[0044] 為了更清晰地說明本發(fā)明實施例中的方案，下面結(jié)合一個實際試驗范例來說明。
[0045] 采用640X480面陣的IRFPA芯片作為試驗樣品，樣品共3只，按照紅外探測器系 統(tǒng)應(yīng)用條件要求，經(jīng)歷模擬開關(guān)機循環(huán)壽命試驗1000次后，試驗前后的盲元率情況如下 表：
[0046]
【權(quán)利要求】
1. 一種紅外焦平面陣列芯片開關(guān)機循環(huán)壽命的試驗方法，其特征在于，包括如下步 驟： 選擇若干只紅外焦平面陣列芯片作為樣品，統(tǒng)計各只樣品的初始盲元率； 進行預(yù)設(shè)次數(shù)的開關(guān)機循環(huán)壽命試驗，并統(tǒng)計試驗結(jié)束后各只樣品的最終盲元率； 根據(jù)所述初始盲元率以及所述最終盲元率，利用單邊估計，計算在預(yù)設(shè)置信水平下紅 外焦平面陣列芯片的盲元率上限； 根據(jù)所述盲元率上限以及紅外焦平面陣列芯片對應(yīng)的盲元率失效判據(jù)，確定紅外焦平 面陣列芯片的開關(guān)機循環(huán)壽命。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列芯片開關(guān)機循環(huán)壽命的試驗方法，其特征在 于，進行預(yù)設(shè)次數(shù)的開關(guān)機循環(huán)壽命試驗的過程包括如下步驟： 根據(jù)紅外焦平面陣列芯片的典型應(yīng)用要求，確定開關(guān)機循環(huán)壽命試驗的溫度應(yīng)力剖 面； 根據(jù)所述溫度應(yīng)力剖面，利用制冷機進行預(yù)設(shè)次數(shù)的溫度循環(huán)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列芯片開關(guān)機循環(huán)壽命的試驗方法，其特征在 于，通過如下公式計算在預(yù)設(shè)置信水平下紅外焦平面陣列芯片的盲元率上限：
其中，λ為所述盲元率上限；X2a (2r+2)為卡方分布的α分位數(shù)，自由度為2r+2 ; α 為所述預(yù)設(shè)置信水平；cycle為所述預(yù)設(shè)次數(shù)；ss為全部樣品的總像元數(shù)量；Unit為像元 數(shù)量單位；r為盲元數(shù),其數(shù)量單位與總像元數(shù)量單位保持一致,即r = s · (Oinitialjtjss-Omd+ 1〇ss)/Unit,其中s為單個樣品的像元數(shù)量，Oinitialjtjss為所述初始盲元率，O endjtjss為所述最終 盲元率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列芯片開關(guān)機循環(huán)壽命的試驗方法，其特征在 于，通過如下公式確定紅外焦平面陣列芯片的開關(guān)機循環(huán)壽命：
其中，LifeCycle為所述開關(guān)機循環(huán)壽命，SOinitial ltjss為所有樣品的初始盲元率之和， η為樣品的個數(shù)，F(xiàn)為所述盲元率失效判據(jù)，λ為所述盲元率上限。
5. -種用于實施權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列芯片開關(guān)機循環(huán)壽命的試驗方法 的試驗裝置，其特征在于，包括制冷機和杜瓦瓶，所述紅外焦平面陣列芯片貼裝在所述制冷 機的冷指上，所述杜瓦瓶罩設(shè)在所述紅外焦平面陣列芯片的上方且與所述制冷機的冷指形 成密閉空間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的試驗裝置，其特征在于，所述制冷機為焦湯制冷機或斯特林 制冷機。
【文檔編號】G01J5/10GK104374481SQ201410693200
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】楊少華, 王曉晗, 賴燦雄, 恩云飛, 黃云, 陳輝 申請人:工業(yè)和信息化部電子第五研究所