多光譜紅外探測技術能豐富遙感載荷的圖像信息，提高圖像的反演精度，而多透鏡和多波段探測器集成封裝設計能縮小光學載荷體積，同時節約制冷資源。多波段紅外焦平面集成封裝技術是實現多波段多通道紅外探測技術工程化應用的前提。并且為了降低光學系統體積并有效利用制冷資源，透鏡常與紅外焦平面封裝集成于同一氣密組件中，這對組件封裝提出更高的要求。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術物理研究所的科研團隊在《光學學報》期刊上發表了以“多通道紅外中長波芯片與雙透鏡集成組件封裝技術”為主題的文章。該文章第一作者為朱海勇。

本文設計并研制了一種多波段與雙透鏡集成的紅外探測器氣密性封裝組件，并分別從結構設計、組件多波段芯片焦平面配準、濾光片低溫低形變支撐、透鏡光學配準和低溫形變控制以及組件背景輻射雜散抑制等封裝技術進行系統研究，對航天用紅外多波段集成組件的小型化和集成化有一定的借鑒意義。

組件封裝

器件及探測器排布

根據系統設計要求，中長波紅外組件分別由3個紅外通道5.8~6.7 μm、6.75~7.15 μm和7.24~7.6 μm組成。探測器采用光導型碲鎘汞紅外探測芯片，工作溫度為85 K，每個光譜通道探測器由4個光敏元成“一字型”排列，光敏元尺寸為0.056 mm × 0.056 mm。組件紅外探測器敏感元位置排列和敏感元尺寸如圖1所示。

圖1 光敏元排布及尺寸圖

圖1為三個紅外探測光敏元的排列模型。由于組件的三個工作波段之間有光譜重合，這將會影響組件光譜，而光譜的形狀和帶外響應將直接影響到圖像的反演精度。因此為了減小波段間的串擾，將臨近的波段錯開，波段按如圖1所示排列。從左至右L2、L3和L1分別代表6.75~7.15 μm、7.24~7.6 μm和5.8~6.7 μm波段。

多個通道組裝在一個組件內，光敏元的位置必須符合光學配準，定位的不準同時會引入空間光譜串音。拼接芯片需采用高精度對位及定位技術，需保證沿光軸方向精確定位，所有敏感元相對于X軸和Y軸偏轉≤0.01 mm，任意兩個敏感元表面相對于XZ平面的距離變化范圍≤0.03 mm。

探測器組件對器件封裝的精度提出了更高的要求，為了能夠達到高精度對準，采用光刻的方法在過渡電極板上做十字對準線，對準線的寬度不大于0.02 mm，與X、Z軸不平行度小于1°。探測器在安裝在管殼內時，以十字對準線為基準固定好。并通過大視場高倍率投影儀嚴格控制探測器拼接精度實現XY平面高精度定位和配準，采用在低溫膠固化周期內多次復檢并實時調整保證最終精度。通過超長工作距離Z軸顯微鏡，檢測光敏元與基準面的高度差。

組件結構設計

圖2 組件結構設計

圖2為組件的封裝結構設計，組件分別由底座、寶石電極板、透鏡支撐、透鏡保護環、密封壓座、密封環、透鏡1、透鏡2、光闌、濾光片、濾光片支撐環和導熱片In組成。組件的總質量不超過65克，組件封裝完成后在密封壓座上對位安裝冷光闌。組件采用氣密密封的封裝形式，該組件結構的特點為：采用寶石電極板實現電學信號的輸出，外殼零件采用金屬加工制備、各部件間以螺紋配合螺絲連接，組件內具有雙層光闌結構，通過密封壓座與透鏡1間的銦擠壓工藝實現組件的密封，透鏡支撐包含光闌定位面、透鏡2定位面和透鏡1定位面。

低應力濾光片支撐設計

中波組件在濾光片上表面光斑R大小為0.1 mm，在光闌上表面光斑R大小為0.074 mm，光闌孔設計尺寸為0.38 mm，因此，為了實現光闌不擋光，光闌對中工藝偏差需要控制在0.01 mm以內，為了不引起空間光譜串音，濾光片劃片工藝偏差控制在0.020 mm以內，濾光片對中工藝偏差控制在0.03 mm以內。濾光片通過拼接固定在光闌上安裝在組件管殼內，濾光片下表面至光敏面的高度為0.3 mm。為了降低雜散光和光串概率，對濾光片支架內外表面進行發黑處理。并且光闌孔的大小按照光學系統的視場角計算得到，考慮到對中時難免存在偏差，因此在理論計算值的基礎上適當放余量，最終的到光闌孔的尺寸。

濾光片支架與濾光片通常采用膠粘接固定，濾光片靠近邊緣位置處的鍍膜區域不可避免存在與膠接觸，成為粘接面。其次，濾光片基體的熱膨脹系數與濾光片支架材料熱膨脹系數存在差異時，濾光片膜層在低溫工作時將承受低溫應力。試驗表明這種熱失配引起的應力會導致濾光片光譜特性的變化，從而引起光譜的變形。

為減小低溫下應力和形變，在濾光片支架的邊緣設計有四條應力釋放槽，如圖3所示。在采用應力槽設計后，濾光片支架的形變得到明顯的改善，這也對濾光片在低溫下形位偏移的改善有一定作用。并且為了減小濾光片支架低溫形變，濾光片支架采用低膨脹系數的合金材料，濾光片兩端通過耐低溫膠實現與濾光片支撐框固定，并嚴格控制耐低溫膠量，以防止耐低溫膠滲入濾光片底面和濾光片支架上面，減小低溫下濾光片組件由于熱失配引起的形變應力。

圖3 濾光片支架形變曲線

譜形控制是多通道多波段集成組件的關鍵技術。在集成多通道芯片封裝組件中，由于芯片間的距離較小，波段間串擾不可避免，主要為光學串擾。由幾何光學分析可知，縮小濾光片與芯片距離能有效降低光學串擾，組件采用將濾光片以“橋”式結構安裝至芯片近表面。其次散射是造成光學串擾的因素之一，入射光經過零件表面的途徑分為反射、透射、吸收和散射。為了降低零件表面散射，首先對透鏡和濾光片表面膜層透過率和吸收率進行嚴格控制；其二，零件表面的散射與零件表面的粗糙度RMS有關，對零件表面進行拋光處理，同時，在零件組裝前對零件表面進行鏡檢和清潔。其三，減小低溫下光學零件表面形變可以有效減小光學余量，從而減小散射面積。

圖4 組件低溫下的（a）光譜曲線（b）定量化光譜曲線

雙透鏡光學配準及力熱分析

多個通道組裝在一個管殼內，其相應位置必須符合光學配準，定位的不準同時會引入空間光譜串音。拼接芯片采用高精度對位及定位技術，光敏元首先通過大視場投影儀高倍放大，沿光軸方向精確定位，保證所有敏感元相對于X軸和Y軸偏轉≤0.01 mm，任意兩個敏感元表面相對于XZ平面的距離變化范圍≤0.03 mm。電極板與透鏡支撐、管殼底進行對中裝配時，在大視場投影儀下，用專用對中夾具對中，實現光敏元與透鏡支撐對準，保證平行光敏元中心與雙透鏡中心的配準。

透鏡由于光滑容易滑動，且易碎不適于通過打孔螺絲的形式進行機械固定，透鏡2的固定采用膠結固定，在起到固定作用的同時，又不會發生機械和光學特性等的變化。透鏡1則是采用密封壓座、軟金屬和螺絲進行固定，密封壓座與透鏡通過軟金屬接觸。

組件封裝的漏率是密封過程的一個指標，組件裝配完成后采用真空除氣，充N?保護氣體后，金屬圈密封及螺絲處點膠加固封裝形成最后的組件，利用靈敏度達到2×10?1? Torr.L/s氦質譜檢漏儀對組件的密封進行檢測，并通過軟金屬實現密封壓座和透鏡結合部位密封，實現組件的密封性優于8×10?? Torr.L /s技術指標。

圖5 （a）壓力下鏡片1內表面形變（b）溫度荷下鏡片1內表面形變

由于透鏡采用低溫冷光學設計，且為了保證探測器工作環境，對組件內進行充N?保護氣，組件隨載荷發射后外部為真空環境，透鏡1內外面存在壓差，這將導致透鏡1表面受壓力和低溫的影響導致變形，透鏡曲率發生變化從而影響紅外光學系統的成像質量。對比圖5（a）和（b）可以得出結論：組件在充1個大氣壓下透鏡1內表面分別在氣壓和低溫下的形變方向相反，且相較于1個大氣壓差導致的透鏡1的形變，低溫下的透鏡1的形變占據主導地位，但仍可以看到調節組件內氣壓來緩解透鏡1的低溫下形變的可能。

圖6為透鏡1內外表面中心在組件充N?保護氣氣壓下的形變趨勢圖。從圖6可以看到，隨著N?保護氣氣壓的增加，透鏡1內外表面中心的形變量都隨之減小，這表明增加N?保護氣氣壓有利于減小低溫下透鏡的形變。且透鏡1內外表面中心的形變量與N?保護氣氣壓近似成線性關系。

圖6 透鏡1表面中心隨組件氣壓變形曲線

為了分析透鏡形變對紅外相機的成像的影響，分別對組件透鏡內外變形表面以Zernike多項式擬合，再結合某一紅外光學系統并并以調制傳遞函數（MTF）和波像差作為成像評價指標進行分析。

組件雜散光分析

對紅外光學系統進行雜散光分析和抑制是保證光學系統成像質量的前提，如果對組件的雜散光抑制不足，嚴重時將導致組件失效。如Meteosat-5/7系列成像儀曾由于雜散光抑制不足導致相機關機。集成多波段紅外探測器組件作為紅外光學載荷的一部分，且組件中的許多表面靠近探測器，能被探測器直接“看到”，在雜散光分析時需要重點關注。

圖7（a）~（c）是對組件零件關鍵表面的雜散光分析，分別為光闌1、透鏡1、透鏡2、透鏡支撐、光闌2、濾光片支架。它們的表面輻射均可以通過透射、一次反射或散射到達探測器表面。

圖7 組件雜散光分析

產品及主要性能指標

封裝完成后的組件進行了一系列的環境試驗性試驗及低溫老煉試驗考核，包鑒定級正弦和隨機力學振、85~295 K溫度循環和1500 h的老練試驗，組件在可靠性試驗完成后，對組件的漏率、器件性能進行復測，沒有發生芯片脫落、電極開路等失效故障，組件無一失效。組件篩選前后信號和噪聲變化如圖8所示，信號和噪聲變化率均低AOS于10%，均通過了力學和溫度的試驗。

圖8 環境試驗前后信號與噪聲對比圖

通過多通道紅外焦平面拼接技術、低形變多濾光片支撐接結構設計和透鏡形變控制等關鍵技術研究，對組件進行高精密研制，得到了高性能的多光譜集成的紅外探測器組件。電學性能測試結果表明探測器工作正常，組件性能正常。

結論

多波段和多通道紅外探測器為空間遙感提供更豐富的遙感信息，而多透鏡與探測器集成化可以減小載荷體積和節約制冷資源，多波段多通道紅外探測器與多透鏡集成化將成為組件封裝發展趨勢之一。設計并研制一種集成多通道紅外探測器和透鏡的紅外封裝組件，對組件多波段不同焦平面的拼接、光學透鏡面型控制和共軸配準、濾光片支架低形變控制、防光串和組件背景輻射雜散光抑制等關鍵技術進行了重點研究。組件的3波段不同焦平面探測器拼接精度優于±5 μm，焦平面探測器分別與濾光片和透鏡的光學配準精度偏差優于±8 μm和±15 μm，濾光片支架和透鏡在低溫的形變得到改善，低溫下的透鏡形變對光學成像質量的影響可以忽略；多波段間光學串擾低于6%，串音低于5%；解決了多波段與雙透鏡集成紅外探測器組件的高精度配準、濾光片支架低形變控制、透鏡面型控制以及串擾的小型化高性能的探測器封裝問題，并得到成功應用。

論文鏈接：

DOI: 10.3788/AOS232011

審核編輯：劉清