基于內(nèi)聚力模型的紅外焦平面探測器失效分析.pdf

1、紅外焦平面探測器（Infrared Focal Plane Array, IRFPA）是航空航天紅外遙感、氣象、國防和科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)探測和追蹤的重要組件。為提高靈敏度和信噪比，InSb面陣探測器需要通過制冷設(shè)備從300K的室溫迅速地下降至液氮溫度（77K）。然而在熱沖擊過程中，由于 InSb面陣探測器特定的層狀結(jié)構(gòu)、低溫工作環(huán)境和各材料間線膨脹系數(shù)等材料參數(shù)屬性的不同性，將會在InSb面陣探測器的器件內(nèi)部引起過應(yīng)力/變，進(jìn)而導(dǎo)致

2、光敏元芯片（ InSb）分層，甚至?xí)辛鸭y萌生、擴(kuò)展。上述分層和碎裂問題嚴(yán)重制約著紅外焦平面探測器的可靠性和適用性，已經(jīng)成為紅外焦平面探測器批量生產(chǎn)中的主要障礙之一。
　　本文是以課題組前期對 InSb面陣探測器的結(jié)構(gòu)仿真為背景，基于有限元分析和雙線性內(nèi)聚力模型相結(jié)合，在128×128陣列 InSb焦平面探測器的等效有限元模型中選取出Von Mises應(yīng)力最大的N電極區(qū)域進(jìn)行預(yù)置裂紋處理，即在N電極和InSb芯片的接觸面內(nèi)以及In

3、Sb芯片的內(nèi)部添加內(nèi)聚力元素并且合理地選取 InSb芯片的裂紋擴(kuò)展參數(shù)，進(jìn)而形成預(yù)置裂紋，模擬出 InSb光敏元芯片分層、碎裂的裂紋過程以及分層、碎裂失效后的應(yīng)力/變分布特征。InSb芯片的分層失效數(shù)據(jù)顯示，在處于同一位置的兩內(nèi)聚節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)中，只有 Z軸上的相對應(yīng)變量是隨著加載時(shí)間慢慢增大的，驗(yàn)證了本文選取I型失效模式研究InSb芯片分層失效中裂紋擴(kuò)展的正確性。
　　采用降溫載荷模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：InSb面陣探測器的形變方向

4、與實(shí)際的形變方向是相反的，尤其是在InSb光敏元芯片與In柱陣列的連接處較為明顯。鑒于材料參數(shù)的線彈性，調(diào)整參考溫度并且采用升溫載荷模式，模擬出分層后N電極正上方區(qū)域的 InSb芯片呈帶狀凸起，N電極附近局部剖面呈現(xiàn)對稱的鐘型分布，而且 InSb芯片上表面形成的凸起和凹陷部分呈周期性的二維分布，上述仿真結(jié)果幾乎與實(shí)際的InSb面陣探測器形變照片是完全匹配的。在InSb芯片發(fā)生分層和碎裂失效后，表面上均存在著較大的應(yīng)力梯度，其中應(yīng)力梯度密

5、集區(qū)域和裂縫最大值區(qū)域是和實(shí)際的InSb芯片碎裂最大概率區(qū)域相吻合的。
　　最后，給出一種新型三維裂紋擴(kuò)展模擬方法，詳細(xì)地給出了添加內(nèi)聚力元素的 APDL程序，并對計(jì)算過程中出現(xiàn)的不收斂性做出簡要的分析。本文給出了課題組前期分析所不具有的InSb面陣探測器結(jié)構(gòu)分析理論，而且演示了InSb芯片的裂紋萌生、擴(kuò)展以及裂紋擴(kuò)展后的應(yīng)力/變分布特征，完善了課題組前期的InSb面陣探測器結(jié)構(gòu)分析的理論體系，為研究器件的失效裂紋擴(kuò)展提供了參考依