制冷型紅外探測器有響應(yīng)快、靈敏度高和探測距離遠(yuǎn)的特點，在智能光電裝備中應(yīng)用廣泛。然而在實際應(yīng)用場景中會經(jīng)歷沖擊激勵，引起沖擊響應(yīng)，為了確保制冷型紅外探測器能夠勝任復(fù)雜多變的苛刻環(huán)境，在設(shè)計階段進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜環(huán)境適應(yīng)性研究十分必要。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，浙江玨芯微電子有限公司的科研團(tuán)隊在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“基于沖擊響應(yīng)譜的紅外探測器引線鍵合研究”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為熊雄高級工程師，主要從事紅外探測器封裝技術(shù)方面的研究工作。

本文針對紅外探測器引線鍵合技術(shù)，建立有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析引線弧形，綜合考慮引線材料特性選擇最佳引線材料，并進(jìn)行一系列工藝優(yōu)化及杜瓦加固，最后通過沖擊響應(yīng)譜試驗對引線鍵合質(zhì)量進(jìn)行評估。

沖擊響應(yīng)譜試驗條件

沖擊試驗一般分為經(jīng)典沖擊和沖擊響應(yīng)譜試驗兩種。經(jīng)典沖擊一般有半正弦波、梯形波和鋸齒波3種，大量研究表明試件即使通過了經(jīng)典沖擊試驗，在實際使用環(huán)境中仍會損壞，因此不適合采用經(jīng)典沖擊作為檢測條件的試驗規(guī)范。GJB 150A中也明確規(guī)定只有證明測量數(shù)據(jù)在經(jīng)典脈沖的容差內(nèi)，才允許采用梯形波和鋸齒波的經(jīng)典沖擊試驗，其他均以沖擊響應(yīng)譜作為瞬態(tài)沖擊的試驗標(biāo)準(zhǔn)。與經(jīng)典沖擊相比，沖擊響應(yīng)譜試驗不僅研究沖擊波本身，而且更加關(guān)注沖擊作用與系統(tǒng)的效果，估計沖擊對結(jié)構(gòu)的損傷大小，更加接近真實的沖擊環(huán)境。因此，本研究以沖擊響應(yīng)譜試驗作為衡量紅外探測器中引線鍵合質(zhì)量的檢測條件。

考慮到?jīng)_擊響應(yīng)譜是針對不同頻率的響應(yīng)進(jìn)行計算，可將紅外探測器的耦合作用分解為多個線性單自由度系統(tǒng)，對于每個單自由度系統(tǒng)進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜計算，取系統(tǒng)響應(yīng)的最大值，然后結(jié)合紅外探測器的固有頻率便可得出整個系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)譜。圖1為單自由度（SDOF）系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)振動模型。

圖1 SDOF系統(tǒng)沖擊響應(yīng)振動模型

圖中，a為輸入運動，b為響應(yīng)運動，m為載荷質(zhì)量，k、c分別為SDOF的剛度系數(shù)與阻尼系數(shù)。根據(jù)沖擊響應(yīng)譜的頻率范圍和取樣間隔，得到各個小波分量頻率，該頻率即為各個SDOF的固有頻率，然后計算各SDOF在激勵下的響應(yīng)曲線，取其峰值并結(jié)合各小波分量頻率即得到?jīng)_擊響應(yīng)譜。

基于應(yīng)用需求，為研制能適應(yīng)沖擊響應(yīng)譜為1000 g量級（試驗參數(shù)如圖2）的高可靠紅外探測器，本研究重點攻關(guān)杜瓦封裝中的引線鍵合加固設(shè)計與工藝優(yōu)化。

圖2 沖擊試驗參數(shù)

引線鍵合設(shè)計

紅外探測器在運輸、試驗和使用中會經(jīng)歷各種振動和熱環(huán)境，封裝杜瓦也同樣受到環(huán)境的影響。杜瓦內(nèi)部引線鍵合一般分為同一水平面的和不同水平面的鍵合，后者由于引線弧形不對稱及受力不平衡，更容易產(chǎn)生過大應(yīng)力應(yīng)變甚至斷裂的風(fēng)險。如圖3所示，杜瓦封裝內(nèi)基板與引線環(huán)鍵合時，第一、二焊點間隔距離遠(yuǎn)且不在同一水平面上，其中，引線水平方向跨距為ΔL、垂直方向跨高為ΔH。

圖3 鍵合引線示意圖

圖3中，引線弧形是由劈刀運動軌跡決定的，在鍵合第一焊點后，劈刀先向上運動高度h1；然后向左運動距離l1；最后向下運動高度h2并鍵合第二焊點形成最終的引線弧形。

通過引線弧形各點數(shù)據(jù)建立模型并進(jìn)行有限元分析，建立的紅外探測器模型中，底部法蘭面進(jìn)行固定支撐約束，其余各部件進(jìn)行綁定約束，仿真的引線材料為30 μm的鉑絲，設(shè)定1000 g沖擊響應(yīng)譜試驗條件，分別沿X、Y、Z三軸正方向進(jìn)行仿真，最終得到3個方向的單軸沖擊仿真結(jié)果。圖4中ΔH為7000 μm時，Y軸正方向引線位移的仿真結(jié)果，最大位移為0.2672 mm。將10根引線弧形的仿真結(jié)果整合后得到圖5。

圖4 沿Y軸沖擊的弧形位移仿真結(jié)果

圖5 弧形仿真結(jié)果：（a）為弧高與位移的關(guān)系；（b）為弧高與應(yīng)力的關(guān)系

圖5中結(jié)果顯示，在1000 g沖擊響應(yīng)譜試驗條件下，Y軸正方向沖擊對弧形的位移與應(yīng)力影響最大，Z軸正方向的沖擊對其影響最小，X軸居中。且隨著弧高逐漸增大，弧形應(yīng)力與位移也逐漸變大。因此為了減小1000 g沖擊響應(yīng)譜條件下引線形變及斷裂的可能，需要弧高盡可能小。

除了考慮鍵合引線弧形外，鍵合引線的材料對鍵合質(zhì)量也有直接關(guān)系，并影響紅外探測器組件長期使用的可靠性和穩(wěn)定性。紅外探測器封裝對引線材料的要求是：低電阻的歐姆連接、漏熱小、可塑性好、鍵合處的機械強度高以及鍵合完成后對杜瓦真空度影響小。常用的引線材料有：金絲、銀絲、鉑絲、硅鋁絲、鋁絲和銅絲等，表1列出了常用引線材料的部分物理參數(shù)。

表1 鍵合引線部分物理參數(shù)

紅外探測器為了獲得可以接受的制冷時間，必須相應(yīng)地降低杜瓦組件的靜態(tài)熱負(fù)載。因此紅外探測器的引線選擇除了考慮鍵合性能外，還要兼顧引線漏熱。此外，為避免紅外探測器在實際應(yīng)用過程中發(fā)生共振現(xiàn)象導(dǎo)致紅外探測器損壞，材料的固有頻率則需要被考慮。通過對鍵合引線受力分析及綜合考慮材料多種特性之后，最終優(yōu)選30 μm鉑絲為鍵合材料且確定了其鍵合弧形參數(shù)。

引線鍵合工藝優(yōu)化

引線鍵合的可靠性受多種因素影響，如鍵合表面材質(zhì)、鍵合表面狀態(tài)、引線材料、鍵合參數(shù)及杜瓦整體抗振性能等。在基板、引線環(huán)及鍵合引線材料確定的前提下，引線鍵合的質(zhì)量則只與鍵合表面狀態(tài)、鍵合參數(shù)和杜瓦整體抗振性能有關(guān)。我們將鍵合表面狀態(tài)因素設(shè)定為A，鍵合參數(shù)因素設(shè)定為B，杜瓦整體抗振性能因素為C，則鍵合引線發(fā)生各種斷裂等失效的概率為P（ABC）。以玨芯微電子的制冷型紅外探測器為例，在過去30個制冷型紅外探測器共計900根引線1000 g沖擊響應(yīng)譜試驗中，存在26根為鍵合參數(shù)不適合導(dǎo)致失效，存在25根因鍵合表面狀態(tài)問題導(dǎo)致的失效，存在11根因杜瓦整體抗振性能差導(dǎo)致的引線斷裂失效。

在1000 g沖擊響應(yīng)譜試驗條件下，30根引線即單個紅外探測器通過試驗的概率并不高，即鍵合工藝仍然有較大的優(yōu)化空間。在以鉑絲作為鍵合引線材料后，為了進(jìn)一步提高鍵合強度，主要采用直接加固和間接加固的方式。直接加固方式包括對鍵合表面的潔凈處理、鍵合工藝參數(shù)的優(yōu)化以及植球等方式。其中，鍵合表面潔凈處理在一般清潔表面污染方式的基礎(chǔ)上增加了等離子清洗工藝；鍵合工藝參數(shù)的優(yōu)化可通過設(shè)計正交試驗，取鍵合三要素鍵合壓力、超聲功率、超聲時間構(gòu)成3因素4水平的正交實驗，并對結(jié)果進(jìn)行極差分析從而得出最佳的鍵合工藝參數(shù)；植球則是指在第二焊點鍵合結(jié)束后，再對第二焊點進(jìn)行球焊操作，植球后的引線強度往往比未植球時高。間接加固方式為對杜瓦冷指頂端輔助加固從而對懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)強化，在減少其振動的同時而間接減少鍵合引線的受力。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所也提出了一種杜瓦冷指頂端輔助加固的力學(xué)強化方式。

采用推拉力試驗機對工藝優(yōu)化后的鍵合引線進(jìn)行測試，測試速度為500 μm/s，設(shè)定負(fù)載40 g。圖6為工藝優(yōu)化前后鍵合引線拉力強度值對比。

圖6 鍵合引線拉力強度對比

沖擊響應(yīng)譜試驗

對引線鍵合優(yōu)化后的紅外探測器進(jìn)行1000 g沖擊試驗，試驗參數(shù)如圖2，加載方向±X、±Y、±Z每向3次。圖8為試驗流程。

圖8 沖擊響應(yīng)譜試驗過程

沖擊響應(yīng)譜試驗一般包括圖中9個步驟，試驗開始前首先調(diào)節(jié)設(shè)備沖擊響應(yīng)譜，使其輸出與試驗條件一致，接著確認(rèn)紅外探測器試驗前狀態(tài)，然后就可以開始試驗。試驗時按X、-X、Y、-Y、Z、-Z的順序進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜試驗，試驗完成后確認(rèn)探測器的狀態(tài)。

試驗結(jié)束后分析得到：4個紅外探測器試驗樣品經(jīng)過1000 g量級沖擊響應(yīng)譜試驗后未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷，鍵合引線亦保持正常的電氣連接功能。因此，對鍵合引線受力進(jìn)行理論分析、綜合考慮鍵合引線材料及工藝優(yōu)化這一體系措施對于提高鍵合引線在沖擊響應(yīng)譜試驗下的可靠性是有效且可行的。

結(jié)論與展望

本研究通過建立有限元模型對紅外探測器杜瓦封裝中的鍵合引線進(jìn)行模態(tài)分析，綜合考慮鍵合材料的物性參數(shù)，最終選定了鉑絲作為鍵合材料并確定了其弧形參數(shù)。在對引線鍵合工藝進(jìn)行優(yōu)化后得到了符合期望的引線鍵合質(zhì)量，且通過了1000 g量級沖擊響應(yīng)譜試驗。本研究給基于沖擊響應(yīng)譜試驗條件下如何提高鍵合引線可靠性提供了新的思路。然而，該研究仍然有優(yōu)化的空間：

1）由于缺少高速攝像設(shè)備，對于鍵合引線在沖擊環(huán)境下的實際運動軌跡未能捕捉到；

2）下一步，可通過設(shè)備升級及采用多種檢測方法來更好地把控鍵合一致性；

3）建立多變量系統(tǒng)性的仿真平臺，獲得更接近真實情況的引線鍵合仿真數(shù)據(jù)；

4）完善鍵合引線材料數(shù)據(jù)庫，做到針對不同情況快速篩選合適的引線材料。

審核編輯：劉清