基于制冷型探測器的低熱耗薄膜導(dǎo)電帶研究

李 冉，黃一彬，董 黎，楊秀華，何江玲

?

基于制冷型探測器的低熱耗薄膜導(dǎo)電帶研究

李 冉，黃一彬，董 黎，楊秀華，何江玲

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

對制冷型探測器熱負(fù)載的影響因素進(jìn)行研究。針對內(nèi)引線熱傳導(dǎo)這一主要因素進(jìn)行深入探討，提出了以聚酰亞胺薄膜為基底材質(zhì)的柔性導(dǎo)電帶方案，并給出了該柔性導(dǎo)電帶詳細(xì)制備技術(shù)參數(shù)。經(jīng)檢測和使用驗證，該低熱耗薄膜導(dǎo)電帶可以在80K制冷型探測器中實現(xiàn)可靠電信號連接，對降低制冷型探測器熱負(fù)載貢獻(xiàn)明顯。

聚酰亞胺；制冷型探測器；導(dǎo)電帶；低熱耗薄膜；破壞性拉力

0 引言

熱成像技術(shù)經(jīng)過近30年的發(fā)展，在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。紅外探測器是熱成像的核心部件，隨著國防科技的快速發(fā)展，紅外產(chǎn)品在各類軍事裝備中的應(yīng)用日益凸顯，紅外探測器在火控觀瞄、導(dǎo)航、制導(dǎo)、偵察、告警、光電對抗等方面的應(yīng)用越來越廣泛。

根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，可以選擇非制冷型焦平面探測器和制冷型焦平面探測器（亦稱為焦平面杜瓦）。制冷型探測器因為具有較高的探測率和遠(yuǎn)距離探測、識別性能在熱成像高端產(chǎn)品中占據(jù)核心位置，但因其需要提前制冷到工作溫度點而影響到開機(jī)啟動時間。為滿足制冷型探測器快速啟動的要求，本研究基于減少熱傳導(dǎo)、降低熱輻射和隔絕熱對流是獲得良好絕熱性能這一核心技術(shù)，針對減少杜瓦內(nèi)引線熱傳導(dǎo)展開研究。通過理論分析、方案實施，獲得一種可用于杜瓦真空低溫工作條件下的低熱傳導(dǎo)薄膜導(dǎo)電帶，經(jīng)使用驗證該薄膜導(dǎo)電帶對降低杜瓦熱負(fù)載減小探測器啟動時間貢獻(xiàn)明顯。

1 原理方案

1.1 熱學(xué)性能分析

制冷型探測器用杜瓦最重要的熱學(xué)指標(biāo)是熱負(fù)載[1]，熱負(fù)載定義為杜瓦無功損耗制冷量的大小。要在高真空狀態(tài)下保持內(nèi)部的低溫環(huán)境，必須控制杜瓦的熱負(fù)載指標(biāo)，即必須控制杜瓦內(nèi)部熱量的傳遞。

熱量的傳遞有3種方式：傳導(dǎo)、輻射和對流。

1.1.1 熱傳導(dǎo)計算公式

根據(jù)傅里葉定律：

根據(jù)式(1)可計算出杜瓦的熱傳導(dǎo)損耗。

1.1.2 熱輻射計算公式

根據(jù)斯忒藩-玻爾茲曼定律：

熱輻射＝4(2)

式(2)是一個黑體輻射公式，對非黑體、同軸圓筒結(jié)構(gòu)且夾層雙方材料不同的杜瓦，則實用的計算公式為：

式中：為斯忒藩-玻爾茲曼系數(shù)，＝5.71×10－12W×cm－2×K－4；為輻射體表面積，cm2；1、2分別為材料1、2的輻射系數(shù)，無量綱。

根據(jù)公式(3)可計算出杜瓦真空腔體內(nèi)外壁之間的熱輻射損耗。

1.1.3 關(guān)于對流

氣體的對流主要是依靠氣體分子間的相互碰撞實現(xiàn)的。在氣體中，一個分子接連兩次碰撞之間的平均路程稱為氣體分子的平均自由程。

根據(jù)克勞修斯公式：

式中：為分子平均自由程，cm；為單位體積中的分子數(shù)，cm－3；為分子直徑，cm。

根據(jù)＝，將公式(4)改寫成：

式中：為壓強(qiáng)，mbar；為溫度，K；為玻爾茲曼常數(shù)，J/K。

由于杜瓦內(nèi)部是真空環(huán)境，熱對流可以忽略不計，因此，杜瓦的熱負(fù)載由熱傳導(dǎo)損耗和熱輻射損耗組成。

1.2 理論分析

杜瓦是一個中軸對稱的圓筒狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示，根據(jù)杜瓦真空腔體的尺寸可計算出輻射面積，根據(jù)公式(4)計算出熱輻射損耗。

內(nèi)管熱傳導(dǎo)損耗可根據(jù)杜瓦內(nèi)管的壁厚及內(nèi)管有效絕熱長度，按公式(2)可計算出內(nèi)管熱傳導(dǎo)損耗。本研究針對互聯(lián)引線熱傳導(dǎo)，熱輻射損耗以及內(nèi)管熱傳導(dǎo)在此不再累述。

目前絕大部分焦平面杜瓦均選用金絲，導(dǎo)熱系數(shù)317.9W×m－1×K－1，作為互聯(lián)引線絲材。根據(jù)互聯(lián)引線的直徑和有效引線長度，按公式(1)計算出單根5mm引線熱傳導(dǎo)損耗約為1mW，按照每個焦平面杜瓦中需要40根互聯(lián)引線計算可知互聯(lián)引線熱耗約40mW。根據(jù)公式(2)可知，如果互聯(lián)引線的直徑足夠細(xì)（截面積足夠?。┣矣行чL度足夠長，那么該互聯(lián)引線的熱傳導(dǎo)損耗可忽略，但事實上由于焦平面杜瓦結(jié)構(gòu)尺寸以及相關(guān)工藝技術(shù)等條件的制約，互聯(lián)引線熱傳導(dǎo)損耗是焦平面杜瓦熱負(fù)載的主要貢獻(xiàn)之一。

圖1 杜瓦內(nèi)引線互聯(lián)示意圖

1.3 理論設(shè)計

借鑒薄膜生長[2]工藝特點，在耐低溫材料聚酰亞胺[3]薄膜上沉積金屬理論上可以獲得納米厚度的金屬層，通過光刻技術(shù)可獲得任意圖形的線路，獲得極小的引線截面積。由于聚酰亞胺基材對光刻圖線起到良好的支撐作用，導(dǎo)線長度可以做到互聯(lián)引線長度的4倍以上，達(dá)到50mm，因此可以通過熱傳導(dǎo)公式：

計算得到薄膜導(dǎo)電帶的熱傳導(dǎo)能耗可以有效減少3/4。

考慮到聚酰亞胺的熱傳導(dǎo)系數(shù)僅為0.12W×m－1×K－1是金熱傳導(dǎo)系數(shù)的3.8×10－4倍，因此相較金絲引線而言聚酰亞胺薄膜本身熱傳導(dǎo)能耗也很小。

根據(jù)上述理論分析對聚酰亞胺薄膜導(dǎo)電帶設(shè)計如下（導(dǎo)電帶布線圖如圖2所示）：

1）聚酰亞胺薄膜：厚度0.12mm，長度40mm，寬度10mm，每片薄膜上制備20根金線；

2）金屬導(dǎo)線材料Au：厚度1000?，長度40mm，刻蝕后線條寬度0.1mm。

圖2 薄膜導(dǎo)電帶布線圖

根據(jù)上述設(shè)計參數(shù)計算可知：聚酰亞胺薄膜熱耗約0.3mW，每個金線條熱耗約0.4mW。若按照每個焦平面杜瓦需要40根內(nèi)部引線計算，薄膜導(dǎo)電帶的熱耗僅約15mW。

2 設(shè)計方案的實現(xiàn)

在聚酰亞胺薄膜表面首先濺射[4]100?鈦，以增加金屬薄膜與聚酰亞胺基底之間的附著力，再沉積1000?金；按照布線設(shè)計刻蝕[5]出所需布線圖案；按照薄膜導(dǎo)電帶外形尺寸進(jìn)行薄膜打孔、切割，最終獲得聚酰亞胺薄膜導(dǎo)電帶。

3 測試結(jié)果分析

3.1 金屬電極焊接牢固性能測試

對多片聚酰亞胺導(dǎo)電帶進(jìn)行電極焊接牢固性能測試，測試方式為：在電極的任意位置上金絲球焊[4]10個焊點，分別對焊點進(jìn)行破壞性拉力測試[5]，獲得焊點可承受最大破壞力。

表1中給出了4片聚酰亞胺薄膜導(dǎo)電帶電極焊點的測試結(jié)果。

根據(jù)表1給出最大拉力點承受最大拉力數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)可以繪出拉力測試結(jié)果分布圖，如圖3所示。

薄膜導(dǎo)電帶電極的平均承受拉力大于5.5g，最小承受拉力大于4g且承受拉力呈均勻分布趨勢。在后續(xù)的工藝改進(jìn)中，譬如優(yōu)化金屬薄膜磁控濺射工藝，對改善焊點牢固性能依然有提升的空間。

3.2 電極間電學(xué)性能測試

在36V電壓下測試線間阻抗大于10MW，線條導(dǎo)通電阻小于0.5W。

3.3 熱耗測試

采用靜態(tài)熱耗測試方法[6]分別對采取聚酰亞胺薄膜導(dǎo)電帶互聯(lián)和金絲互聯(lián)的同一型號杜瓦進(jìn)行靜態(tài)熱耗測試。采用薄膜導(dǎo)電帶互聯(lián)的杜瓦其靜態(tài)熱耗值約為100mW左右；采用金絲互聯(lián)的杜瓦其熱耗值約為130mW左右。由此可見，聚酰亞胺薄膜導(dǎo)電帶對降低杜瓦熱負(fù)載的貢獻(xiàn)明顯。

表1 焊點承受最大拉力數(shù)據(jù)表

圖3 焊點拉力測試結(jié)果分布圖

4 結(jié)論

采用了聚酰亞胺薄膜上生長金屬薄膜制備的導(dǎo)電帶具有低溫下良好的柔韌性和電學(xué)性能，經(jīng)實際應(yīng)用驗證該薄膜導(dǎo)電帶能夠有效降低焦平面杜瓦熱負(fù)載，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 龍杰勛, 劉凱全, 盧德明, 等. GJB224-2003 熱像儀用多元金屬杜瓦瓶通用規(guī)范[S]. 2003.

[2] 鐘迪生. 真空鍍膜: 光學(xué)材料的選擇與應(yīng)用[M]. 沈陽: 遼寧大學(xué)出版社, 2001.

[3] CHARLES A HARPER. 電子封裝材料與工藝[M]. 沈卓身, 賈松良, 譯. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社. 2006.

[4] 李娟, 汪榮順. 小型高真空多層絕熱杜瓦日蒸發(fā)率性能研究[J]. 低溫與超導(dǎo), 2006(6): 404-407.

[5] 宗飛, 黃美權(quán), 葉德洪, 等. 電子封裝中的固相焊接: 引線鍵合[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備, 2011(7): 34-39.

[6] 劉長宏, 高健, 陳新, 等. 引線鍵合工藝參數(shù)對封裝質(zhì)量的影響因素分析[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2006(11): 828-832.

[8] 孫瑞婷. 微組裝技術(shù)中的金絲鍵合工藝研究[J]. 艦船電子對抗, 2013(4): 116-120.

[9] 屠幼萍, 譚榮, 張貴峰, 等. 聚酰亞胺在低溫真空環(huán)境下的直流電氣特性[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2013(4): 194-200.

[10] 鄧榮, 饒炯輝, 張曉暉. 環(huán)境輻射對紅外輻射溫差的影響[J]. 紅外技術(shù), 2010, 32(7): 411-415.

[11] 田立萍, 朱穎峰, 王微, 等. 制冷型紅外焦平面探測器引線鍵合質(zhì)量優(yōu)化研究[J]. 紅外技術(shù), 2012, 34(12): 699-704.

Researchon Conduction Band of Low Thermal Consumption Film Based on the Cooled Detector

LI Ran，HUANG Yi-Bing，DONG Li，YANG Xiu-hua，HE Jiang-lin

（，650223，）

The influence factors of thermal load of FPA detector was studied. Based on the main heat conduction factors, a scheme using polyimide film as flexible cable has been put forward and technology parameters have been given. This kind of thin-film-connector was verified by test and usage. It can be used in cooling detector at 80K temperature well to make electrical connections reliable. It also contributes to reduce the cooled detector thermal load.

polyimide，cooled detector，thin film flexible cable，low thermal consumption film，destructive tension

TN305

A

1001-8891(2015)03-0193-03

2014-04-25；

2014-12-23.

李冉（1975-），男，碩士研究生，高級工程師，主要從事紅外探測器杜瓦封裝及制造技術(shù)研究。