InSb多元探测器玻璃杜瓦贮存寿命研究

来源:用户上传      作者:王洋　张宏飞　孟超　司俊杰

　　摘要：      InSb红外探测器是红外系统的核心部件， 探测器的寿命在很大程度上决定着系统的寿命， 直接影响着系统的使用及保障。 因此， 探测器的寿命如何评价及采用何种试验方法来评价至关重要， 但由于红外系统的敏感性， 可查阅的国外资料比较少， 并且寿命试验周期长、 费用高， 国内至今未形成有效的寿命试验、 分析与评价方法。  本文采用15个InSb多元探测器开展了贮存试验研究， 应力水平分别为70 ℃、 80 ℃、 90 ℃。 测试试验过程中不同温度下热负载的变化， 对试验数据进行统计分析及处理， 获得了寿命加速模型t=2.18×10-8·exp（0.79/KT）， 激活能为0.79 eV， 评估了探测器在30 ℃下寿命可以达到30.76年。
　　关键词：      探测器;  InSb; 寿命试验; 贮存寿命; 玻璃杜瓦
　　中图分类号：     TN215; TJ760.7文献标识码：    A文章编号：     1673-5048（2020）02-0092-05
　　0引言
　　玻璃杜瓦內部真空度的保持时间直接关系到探测器的贮存寿命， 这种由于真空度下降导致器件失效的寿命称为贮存寿命， 影响真空度主要原因有杜瓦漏气和材料放气。
　　杜瓦漏气是不可避免的。 严格来说， 一切真空器件漏气是绝对的， 不漏是相对的。 通常气体分子能渗透不同金属、 非金属材料的晶格进入器件内部， 但在探测器工作温度范围内数量级很小， 而制造工艺不良带来的漏气远比材料渗透大几个数量级[1]。 对于玻璃杜瓦而言， 优化生产工艺、 减少接缝、 材料预处理都能有效降低产品的漏气率。
　　材料放气主要源于杜瓦内部滤光片支架、 冷光阑等金属材料[2]。 玻璃杜瓦经过高温排气之后， 真空内壁溶解、 吸附的气体相对漏气基本可忽略。 材料放气速率随温度升高而加大， 通过高温烘烤试验可以得到产品加速寿命。
　　本文选用制冷型InSb多元探测器样本进行高温贮存试验， 对杜瓦性能进行测试并分析， 由此对InSb多元红外探测器的高温贮存寿命开展研究。
　　1玻璃杜瓦真空寿命分析
　　1.1玻璃杜瓦漏气
　　在忽略杜瓦内部放气的条件下， 根据式（1）计算玻璃杜瓦组件理论寿命：
　　式中：  t为从P0到Pt所需的时间， s; Pt为器件正常工作允许最低真空度， Pa;  P0为器件封离排气系统时真空度， Pa; V为器件真空总容积， L; Q为氦气总漏气速率， Pa·L/s。
　　加速试验所选用器件的真空总容积V为2 812.758 6 mm3，Q0≤8×10-15 He.atm.cc/s， P0≤1×10-6 Pa， 而且玻璃杜瓦组件真空度Pt≥0.1 Pa时失效[3]。 通过计算可得器件的真空寿命在11年（He）以上。 气体的漏率与质量数成反比。 氦气的漏率是空气漏率的2.7倍， 氦漏率下计算的器件寿命11年换算为空气下的寿命应为30年以上。 在玻璃杜瓦组件不发生更大的物理破坏导致漏气增加的情况下， 玻璃杜瓦组件的漏率不会增加， 因此不考虑玻璃杜瓦内部放气的条件下， 试验所用探测器的玻璃杜瓦的寿命至少能够达到30年。
　　1.2玻璃杜瓦放气
　　玻璃杜瓦内部的各个零件在大气环境下溶解、 吸附了一些气体， 这些零件被封装之后， 所溶解、 吸附的气体会慢慢释放出来， 放气的速率除了与材料性质、 制造工艺、 预处理有关外， 环境温度是影响玻璃杜瓦真空度的主要原因[4]：
　　由式（2）可知， 环境温度越高， 玻璃杜瓦内部材料的放气速率越大。 通过对玻璃杜瓦进行真空、 高温烘烤除气后， 玻璃杜瓦表面的气体可以脱附很多。 但由于InSb探测器本身可承受的温度有限， 对其烘烤温度不能过高， 导致玻璃杜瓦组件在常温下有不可忽略的放气， 这是影响玻璃杜瓦组件真空寿命的主要因素。 因此选择贮存温度作为应力， 对器件进行加速真空寿命试验。
　　1.3玻璃杜瓦真空寿命试验方法
　　真空寿命是红外探测器可靠性的重要部分。 对于高可靠、 长寿命周期的产品而言， 寿命试验所需的时间很长。 这种试验的数据更加真实可靠， 但其成本高、 时间长、 管理工作繁重。 为了缩短试验时间， 在不改变产品故障模式和失效机理的前提下， 通过加大应力的方法来缩短试验时间， 并利用高应力水平下的寿命特征去外推正常应力水平下的寿命特征。 这一试验方法称为加速寿命试验。 加速寿命试验能够有效地的缩短试验时间， 降低成本， 使研究长寿命周期的探测器玻璃杜瓦寿命成为可能， 因而被广泛应用。
　　航空兵器2020年第27卷第2期王洋， 等： InSb多元探测器玻璃杜瓦贮存寿命研究2加速真空寿命试验设计
　　2.1加速试验设计
　　（1） 加速寿命试验选用的产品为某型探测器玻璃杜瓦， 所有产品均为相同工艺、 相同材料、 不同批次的合格产品;
　　（2） 选择贮存温度作为加速应力， 最高温度不超过产品的失效温度（95 ℃）， 确保器件失效机理一致， 试验方法为恒定应力加速试验， 采用定时截尾;
　　（3） 以玻璃杜瓦热负载超出100 mW[5]为失效判据。
　　2.2加速试验参数设计
　　（1） 应力的选取
　　加速应力水平数为3个， 分别为T1=70 ℃、 T2=80 ℃、 T3=90 ℃。
　　（2） 样品数量
　　每个温度点的样品数量为5个。
　　（3） 样品检测
　　样品检测均采用同一台设备， 同一人操作， 相同的检测方法， 最大程度地降低外界因素对测量结果的影响。 通过产品的失效规律和施加应力大小来确定产品的测试周期， 在可能存在较多产品失效的时间段内， 应测得集中一些; 而在不大可能失效的时间段内可少测几次。 尽量避免产品失效过于集中在少数几个测试周期内。 　　3试验结果及真空寿命分析
　　3.1试验结果总体情况
　　加速寿命试验采用定时截尾， 70 ℃下贮存4 351 h， 没有杜瓦失效; 80 ℃下贮存2 291 h， 失效率为20%; 90 ℃下贮存2 123 h， 失效率为80%。 加速寿命试验总体试验情况如表1所示。
　　3.2试验结果数据处理
　　3.2.1真空寿命拟合
　　由式（2）可知， 在相同的温度下， 放气速率是一定的， 因此， 杜瓦出气量与高温贮存时间成线性关系[6]， 又因为真空度与热负载成线性关系， 所以热负载与高温贮存时间也是线性关系。 可以用最小二乘法对试验数据进行直线拟合处理， 得到热负载为100 mW时的高温贮存时间， 即该试验件的高温贮存寿命。 考虑到测试数据时， 因为环境、 设备以及人为操作等的影响， 测量值有较大的波动范围， 因此设定阀值M， 当实际测量值与拟合值做差大于M时， 则认为该测量值误差太大需舍弃。 舍弃误差大的测量值后， 再一次对剩余的测量值重新拟合， 得到了最终的拟合关系：
　　对拟合关系进行求解， 计算y=100 mW时的高温贮存时间t， 即该器件的高温贮存寿命， 拟合结果如表2和图1所示。 由于探测器生产过程都是由人工操作， 每个器件都存在微小的差异性， 试验结果也不同， 故每个器件的拟合寿命也不尽相同。
　　4结论
　　本文通过对玻璃杜瓦真空寿命影响因素的分析， 以温度作为加速因子， 对玻璃杜瓦器件进行真空加速寿命试验。 重点阐述了试验方法和试验数据的处理， 得到玻璃杜瓦的真空寿命方程： t=2.18×10-8e0.787 47KT。 通過该方程得到玻璃杜瓦30 ℃贮存寿命达到30.76年， 完全可以达到产品的使用要求。
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　　Abstract： InSb infrared detectors are the key components of an infrared system， and the lifetime of detector determins the lifetime of a system greatly and affect the application of the system directly， so it is very important how to evaluate the detector life and what kind of test method to be used. Due to  sensitiveness of the infrared system，  few materials can be consulted， and long cycle and high cost of lifetime experiment， there is not any effective lifetime test， and analysis & evaluation method. In this paper， a storagelifetime experiment is tested with 15 InSb multielement detectors， and selected temperatures is 70  ℃， 80  ℃，and 90  ℃ respectively. The changing of thermal load is tested under different temperatures， and the testing results are statistical analyzed and processed. The accelerated lifetime model t=2.18×10-8. exp（0.79/KT） is obtained， and the activation energy is 0.79 eV. The lifetime of the detector under 30  ℃ is evaluated up to 30.76 years.
　　Key words： detector; InSb; lifetime test; storagelifetime; glass dewar
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