隨著航天光學遙感技術的快速發展，航天應用對大視場、大幅寬、高分辨率探測的需求日趨增加，對紅外探測器規模要求越來越大。由于探測器材料、加工工藝等因素限制，航天各類應用對紅外探測器陣列規模的需求已經超出了目前單模塊探測器的研制極限。通過光學拼接方法或者機械拼接方法可以實現大視場、大幅寬、高分辨率成像。光學拼接通過光學的方法將視場分割到不同的空間位置，因此探測器物理位置不會沖突，可直接使用多塊封裝后的單模塊探測器，不存在拼縫，缺點是光學系統復雜。對于紅外成像系統而言，由于受探測器-杜瓦-制冷機一體式結構限定、光學系統后截距較短等約束條件，使得通過光學拼接方法擴大紅外探測器規模的難度大幅增加。機械拼接的優點在于光學系統相對比較簡單，但探測器拼接存在拼接縫。

據麥姆斯咨詢報道，北京空間機電研究所、華北光電技術研究所和中國科學院理化技術研究所的聯合科研團隊在《紅外技術》期刊上發表了以“超長線列紅外探測器拼接結構”為主題的文章。該文章第一作者為楊小樂高級工程師，主要從事紅外遙感器設計研究方面的研究工作。

本文列舉了國內外紅外探測器機械拼接技術發展現狀，介紹一種芯片級的超長線列拼接結構，以及拼接結構設計需考慮因素、具體設計過程，同時給出拼接結構可靠性與低溫下平面度測試方法。

國內外機械拼接發展現狀

機械拼接又稱焦面級拼接，是指將多個標準單模塊探測器通過拼接形成超長線列或超大面陣焦平面，并封裝在一個真空封裝體中，形成一個完整的組件。根據拼接時探測器的形式，可以將拼接分為組件級拼接和芯片級拼接。組件級拼接是將探測器單模塊先進行封裝再進行拼接，芯片級拼接是直接采用單模塊探測器進行拼接。兩種形式應用范圍與特點如表1所示。

表1 兩種機械拼接形式對比

組件級拼接

Raytheon公司將2 k×2 k InSb探測器進行單模塊封裝，如圖1。探測器安裝在金屬基座上，金屬基座上安裝有柔性電纜。多層陶瓷導電結構提供探測器與柔性電纜之間的電氣連接，還支持表面貼裝元件，包括加熱器、溫度傳感器、電阻和電容。其有2邊以及3邊可拼接封裝模塊，3邊模塊可形成4 k × 2 nk的拼接探測器。

圖1 2 k × 2 k InSb單模塊封裝探測器

Raytheon公司使用4個2 k × 2 k InSb單模塊探測器進行2 × 2拼接，如圖2。同時該公司使用16個2 k × 2 k碲鎘汞單模塊探測器進行4 × 4拼接，用于VISTA望遠鏡。

圖2 4 k × 4 k InSb拼接探測器

Rockwell公司使用4片2 k × 2 k碲鎘汞單模塊探測器進行2 × 2拼接，探測器單獨封裝后，連接至接地的鉬銅基板，4個探測器獨立的柔性電纜向下穿過鉬銅安裝板實現引出，如圖3所示。

圖3 4 k × 4 k碲鎘汞拼接探測器

Rockwell公司使用35個2 k × 2 k碲鎘汞探測器進行5 × 7拼接，制成億級像素的目前世界上最大的焦平面陣列，應用于微引力透鏡行星探測載荷，如圖4所示。

圖4 5 × 7碲鎘汞拼接大面陣探測器

芯片級拼接

該拼接方式比較主流的是將探測器芯片與讀出電路芯片直接倒裝互連形成探測器模塊，互聯后的模塊不封裝直接經精密拼接實現超大規模探測器的制備。

以色列SCD公司采用4片520 × 16 InSb探測器模塊拼接成2048 × 16探測器。探測器采用交錯排列，相鄰的兩個子模塊旋轉180°后拼接在氮化鋁襯底上。氮化鋁為高溫共燒工藝完成，溫度均勻性優于1 ℃。圖5展示了拼接探測器整體以及襯底上4個交錯排列的探測器模塊。

圖5 2048 × 16拼接探測器

國內中電11所研制的多譜段集成TDI線列拼接紅外探測器，同樣采用模塊旋轉180°交錯拼接的方式，如圖6。

圖6 中電11所研制的多譜段集成TDI線列紅外探測器

8模塊拼接超長線列紅外探測器

本文研制的超長線列紅外探測器采用8片探測器模塊進行芯片級機械拼接，如圖 7，為保證拼接后模塊間無間隙，模塊間采用品字形排列形式，同時模塊與模塊間重疊一定的像元數，重疊像元數要考慮拼接后總的像元數，同時還要考慮衛星飛行時偏流角的影響。第二排模塊相對于第一排模塊水平旋轉了180°。對同一景物，第一排模塊與第二排模塊不是同時成像，需要通過電子學延時處理，使兩排模塊所成的圖像拼成一幅圖像。

圖7 探測器拼接排列示意圖

8片探測器拼接后機械尺寸達160 mm×40 mm，常規微杜瓦封裝結構已經不能使用。紅外探測器需要在低溫真空環境下工作，因此采用大冷箱封裝結構，如圖8。

圖8 探測器冷箱封裝結構

拼接后探測器與制冷機冷指耦合而成探測器制冷機組件，8個單模塊探測器呈品字形排列在拼接基板上，制冷機為探測器與拼接基板提供機械與制冷的平臺，簡稱冷板，最終由拼接基板、過渡基板以及制冷機冷板組成拼接結構，拼接結構通過制冷機法蘭上的4根支撐柱固定，如圖 9。成像時杜瓦各零件溫度為293 K，探測器與拼接結構各零件溫度為80 K。

圖9 探測器拼接結構

拼接結構要求

拼接結構工作在80 K，拼接結構影響探測器組件的成像性能，同時其可靠性直接決定探測器的可靠性。紅外探測器作為紅外遙感器的核心，一旦在軌發生質量問題，將直接導致紅外遙感器在軌失去成像能力。因此其在設計時需要綜合考慮以下因素。

1）拼接精度：因采用品字形長線列拼接，需要根據探測器的幾何位置對圖像進行幾何校正以保證圖像顯示正常，拼接結果是幾何校正的輸入，直接影響校正效果。因此需要考慮以下精度。

① 搭接誤差（垂直線列方向）：相鄰兩個探測器首尾像元搭接，搭接處像元的對準誤差小于半個像元。

② 直線性和平行性要求（線列方向）：每一排探測器的所有像元在同一直線上，其非直線度誤差小于半個像元；第一排探測器與第二排探測器平行，其不平行度誤差小于半個像元。

2）低溫平面度（垂直于探測器表面）：8片探測器所有像元必須在同一平面上，以保證具有同樣的成像效果。探測器工作在80 K，需要保證低溫下平面度誤差小于一個焦深，因此要求常溫拼接時所有模塊平面度誤差小于半個焦深。不同的光學系統焦深不同，對探測器平面度要求也不同。拼接結構在80 K低溫下會發生變形，因此需要通過拼接材料以及厚度選取在設計上保證其變形小于一個焦深。

3）安全系數：拼接結構上除探測器外還有電學引出多層陶瓷、濾光片等，由于各材料熱膨脹系數有差異，在80 K低溫下，會因為熱膨脹系數不一致使探測器、多層陶瓷、濾光片以及拼接結構各層受熱應力，因此必須保證在80 K以及降溫過程中各材料所受應力小于材料許用應力，并留有余量；

4）導熱性：拼接結構一方面保證制冷機冷指到探測器的冷量傳遞熱阻小，與冷指有良好的熱拼配性；另一方面保證溫度均勻性，否則探測器各模塊工作溫度不一致，導致探測性能有差異。

拼接結構設計

拼接基板

為保證探測器拼接精度，利用讀出電路與拼接基板設計的標識在拼接設備上進行對準，通過涂膠工藝，將探測器芯片拼接在拼接基板上。拼接精度關鍵在于拼接設備的精度和拼接基板定位標識的加工精度以及邊緣分辨率。因此拼接基板需要選擇易于圖形刻蝕，同時具有高溫度均勻性，并且與探測器讀出電路硅熱膨脹系數匹配的材料。本項目拼接基板采用寶石材料，采用光刻工藝制備拼接標識。通過專用的涂膠工裝保證涂膠的均勻性，利用二次加工方法，去除邊緣厚膠邊，保證光刻圖形的分辨率。在拼接平面度方面，設備基臺平面度為5 μm，拼接基板精度優于5 μm，采用上述工藝，最壞情況下，拼接后全視場平面度優于15 μm。

圖10為拼接基板版圖示意圖，其中設計了8模塊讀出電路粘接標記、濾光片支架粘接標記、二極管粘接標記、寶石片中心、調平標記及平行度測試標記。

圖10 8模塊探測器拼接版圖示意圖

制冷機冷板

制冷機需要為探測器提供機械安裝與制冷的平臺，本項目采用4根支撐柱支撐冷板的方案，如圖11。探測器拼接基板安裝在冷板上，冷板選取低熱膨脹系數的殷鋼，緩解拼接基板低溫變形。為了提高系統的可靠性，采用冷板單獨支撐技術，制冷機冷指的冷量通過導熱帶傳遞給冷板，冷指對冷板不起支撐作用。導熱帶為彎曲結構，低溫下收縮變型后長度仍留有余量，長度方向剛度很小，不會影響冷板面型。

圖11 制冷機冷指與冷板

拼接結構

美國雷神公司在拼接探測器結構中采用了鉬銅、殷鋼等材料作為拼接結構的底座，但是鉬銅或殷鋼的熱膨脹系數與讀出電路硅有很大差別，直接將探測器安裝在其上將產生熱變形與熱應力，必須在兩者之間插入一種平衡材料，來抵消這種熱變形與熱應力，從而使探測器在幾百次的熱循環中始終能保證較高的可靠性。雷神公司最新的產品中使用了SiC材料。本項目制冷機冷板與探測器拼接基板熱膨脹系數同樣差異較大，兩者在低溫下也會產生變形、熱應力，因此在寶石與殷鋼中插入一種平衡材料作為過渡板，然后建立有限元模型，分析整個拼接結構的熱變形與熱應力。有限元模型如圖12。

圖12 有限元模型

拼接結構有制冷機冷板、過渡板、拼接基板，考慮到殷鋼的熱膨脹系數隨組份變化，根據材料的易加工性確定各層材料的厚度后，仿真中代入過渡板、拼接基板、支撐柱幾何尺寸、熱膨脹系數和溫度分布，根據熱應力以及低溫變形要求，反向求解冷板殷鋼的熱膨脹系數，從而使拼接結構同時滿足應力以及變形的要求。

經過仿真計算表明，冷板材料殷鋼的熱膨脹系數為4.2 × 10??/℃ ~ 4.8 × 10??/℃時，各材料應力滿足要求，如表2所示。同時平面度滿足小于一個焦深的要求，殷鋼熱膨脹系數為4.6 × 10??/℃為最佳值，Z向位移差值13 μm。

表2 不同殷鋼熱膨脹系數對應的最大應力

殷鋼熱膨脹系數為4.6×10??/℃時，芯片法向變形以及芯片受到應力仿真結果如圖13、圖14。

圖13 芯片法向變形（殷鋼熱膨脹系數為4.6e-6）

圖14 芯片應力云圖（殷鋼熱膨脹系數為4.6e-6）

平面度測試

材料的安全系數無法實測，可以通過探測器制冷機組件溫度沖擊試驗驗證其可靠性。中電11所針對多譜段集成TDI線列拼接紅外探測器，開展了低溫60 K到室溫共計300次開關機溫度沖擊試驗，驗證拼接組件的可靠性。

低溫下的平面度可以在相機集成后，通過測試不同視場即不同模塊的最佳焦面位置進行評估，但必須提前排除鏡頭光學系統場曲的影響，同時整機集成后發現問題會對系統研制進度造成嚴重影響，為此本文提出一種非接觸式的探測器組件級低溫平面度測試方法。將探測器紅外窗口玻璃改用可透可見光的熔石英玻璃，采用高精度拼接儀對探測器拼接基板拼接標識處進行高度測量，從而得到拼接結構的平面度，如圖15所示，拼接儀的光源通過半反半透鏡、光學系統照亮拼接組件上的拼接標記，拼接標記的反射光線通過拼接儀的光學系統由顯微攝像系統接收，又經過圖像采集系統，使拼接標記成像于顯示系統上，如圖16，經過圖像處理系統可以計算出拼接標記的高度，測試精度為0.1 μm。

圖15 低溫平面度測試系統原理

圖16 拼接基板上標識

實際測試如圖17，更換窗口后的探測器制冷機組件倒扣在拼接儀上，用真空泵對杜瓦抽真空，通過制冷機制冷，待探測器溫度穩定在80 K以后，再進行測試，經實際測試本項目拼接結構在低溫下平面度誤差小于20 μm，與仿真結果基本一致。如圖18，橫坐標為探測器模塊編號，縱坐標為芯片法向變形量。

圖17 拼接系統的測試

圖18 低溫平面度實測結果

結論

結合8模塊拼接長線列紅外探測器的研制，參考國內外機械拼接技術，本文采用芯片級機械拼接方案。針對機械拼接結構提出了拼接精度、低溫平面度、安全系數、導熱性能4個核心的設計要點，同時結合設計要點，給出拼接結構具體設計過程，詳細介紹了拼接基板、過渡板、制冷機冷板的材料選擇以及具體參數，并給出拼接結構仿真內容與結果。最后給出拼接結構需要經過開關機溫度沖擊考核以及平面度測試考核，提出了一種基于可見光拼接儀的高精度非接觸式平面度測試方法，經測試8模塊長線列拼接紅外探測器測試平面度小于20 μm，與仿真結果基本一致。