付安英,马 睿
(国营795厂 陕西咸阳 712099)
摘 要:硫化铅红外探测器是用于航空航天、军事等高科技领域可探测1～3μm波长微弱红外辐射的光敏器件。通过对硫化铅红外探测器的设计和工艺研究,在理论分析和工艺试验的基础上,优化探测器光敏元制膜材料配方、改进光敏元保护工艺以及红外探测器装配工艺,解决了器件在特殊环境下使用的性能稳定性和可靠性问题。从而为研制高可靠性硫化铅红外探测器找到了有效的途径。
关键词:硫化铅光敏元;高可靠性;红外探测器;优化及稳定性
中图分类号:TP211 文献标识码:A 文章编号:1004373X(2007)0400402
ReliabilityResearchofPbSIRDetector
FUAnying,MARui(TheStateRunNo.795Factory,Xianyang,712099,China)
Abstract:PbSIRdetectorisakindofphotosensitivedetectorwhichcandectectfaintinfraredraywithwavelengthfrom1～3μmandcanbeusedinhighthchfieldsuchasspaceflight,militaryaffairsandsoon.BasedontheprincipleofPbSIRde2tectordesignandtheresearchoftechnologicalprocess,consideringthetheroyandthepractice,filmmakematericalprescriptionandprotectivetechnologyofdetectorphotosensitiveunitandtheassemblytechnologyofIRdetectorareoptimized.Meanwhile,stabilieandreliabilieuseoftheapplianceinparticularsurraundingscanbepledged.QualifiedapplianceofPbSIRdetectorisfi2nallymaufactured.
Keywords:PbSphotosensitiveunit;reliability;IRdetector;optimizationandstability
1 引 言
硫化铅红外探测器是可探测1～3μm波长微弱红外
辐射的光敏器件,目前仍广泛用于航空航天、军事装备和科学研究等高科技领域。传统工艺制造的平面型光敏器件,无光照时暗电阻随环境温度变化而变化,引起光电参数变化;在高频振动、强冲击作用下会引起产品失效,影响整机使用。硫化铅红外探测器使用环境复杂,受温度、振动、冲击影响大。需根据整机要求,在产品设计、试制、生产、试验整个过程中首先考虑和解决性能稳定性和可靠性问题。
2 光敏元设计与工艺改进
硫化铅光敏元是制造红外探测器的基础,其性能及稳定性直接影响探测器性能的优劣。要研制出高灵敏度的探测器,首先必须在硫化铅化学制膜、敏化和老化方面进行研究。
2.1 光敏元的优化及稳定性分析2.1.1 光敏元的工艺优化
硫化铅光敏元是由高纯醋酸铅、高纯硫脲和联氨按一
收稿日期:20060608定比例配比混合后,在规定的温度范围内,按升温曲线要
求进行化学反应,在石英衬底上化学沉淀约1μm厚的硫化铅薄膜,经敏化和老化处理后形成,表面涂覆保护胶进行保护。
在硫化铅制膜过程中,主要发生化学反应为:
S
-2
+Pb
+2
OH
-
PbS↓
反应液的配比和原材料纯度、杂质离子含量及精确控制化学制膜升温过程等均是影响硫化铅膜层质量的重要因素。通过反复工艺试验,适当调整制膜材料配方比例,并采用化学制膜微机自动升温系统,使化学沉淀控温精度达到±1℃,反应液温升控制在0.5℃/s内。另外,通过改进敏化温度、时间,增强老化处理等措施,使硫化铅光敏元的光电参数达到使用要求。2.1.2 双层介质保护工艺研究
化学沉淀的硫化铅光敏薄膜是一种多晶薄膜,与空气中的水汽及其他外界杂质离子作用,性能将发生变化。采取保护措施,使硫化铅薄膜与外界隔绝,可有效地改善其性能稳定性。对平面型器件,传统的工艺方法是采用Ax类有机胶在硫化铅薄膜表面进行涂覆保护,可起到一定的保护作用,缺点是有机胶配制工艺复杂,含有害微量杂质多,不容易固化,遇热发粘,分子结构不致密,水汽分子可
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《现代电子技术》2007年第4期总第243期渗透于硫化铅作用,仍会影响产品的阻值和光电性能变化。
表1为用传统工艺制作的产品经50℃,48h高温试验前后阻值变化数据。
表1 传统工艺制作产品试验数据
样品编号
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10平均值
新型元器件线粒子辐射的自保护功能。在结构方面,要求产品能承受
1000g/0.5ms的冲击、在55～2000Hz频率范围内承受
2
0.4g/Hz功率谱密度的振动。根据产品的具体要求,在产品结构方面主要进行了以下研究工作。3.1 红外滤光片设计
为了使红外探测器窗口具有良好的透光率和可防止宇宙射线粒子辐射的自保护功能,选用了锗材料滤光片,在1.8～3μm红外波段,锗材料滤光片有约50%的透过率,达不到产品使用要求,需在滤光片镜面镀增透膜以提高红外光透过率。红外单层增透膜一般用ZnS或SiO,他能使元件的透过率在较窄的波长范围内得到较大的提高,峰值透过波长位置可以按要求移动。类金刚石增透膜耐磨擦,抗风沙,耐潮湿,抗腐蚀,对提高系统的稳定性和耐环境能力有着十分重要的意义。经反复工艺试验后,确定真空镀SiO增透膜。最终使锗滤光片红外光透过率达80%以上。锗材料滤光片又能有效的吸收各种宇宙射线,
R1(MΩ)1.00.520.710.750.651.020.650.80.50.650.73R2(MΩ)0.240.160.230.210.170.570.230.230.190.240.25
ΔR/R10.760.680.720.720.740.440.650.510.620.630.65
注:表中R1为硫化铅表面涂Ax保护胶,产品封装后的阻值;R2
为产品经50℃,48h高温试验后的阻值(测试环境条件:温度
20±1℃,湿度55%RH,产品恒温1h后测量)。
从表1可以看出,经50℃,48h高温试验后,产品平均阻值变化65%。说明此种工艺方法不能有效地保护硫化铅光敏元在高温条件下的阻值稳定,会引起产品光电性能变劣,影响其稳定性和可靠性。
为了有效地防止水汽分子渗透和有机杂质对硫化铅光敏面的影响,可采用无机介质物质对硫化铅表面进行保护,但无机介质暴露在空气中易氧化,需在其表面再涂覆一层Ax类有机胶,有可能减少在高温条件下阻值变化率。由此理念,我们采用高真空镀介质方法,先在硫化铅
光敏表面蒸镀一层约1μm厚的EX类无机多组分介质,再涂覆一层Ax类有机胶。要求所涂覆和蒸镀的介质须有良好的红外波段透过率。然后做50℃,48h高温试验。结果表明硫化铅光敏元阻值和光电性能变化率减少。
表2为采用双层保护工艺制作的产品,经50℃,48h高温试验前后阻值变化数据。
表2 高温试验前后阻值变化
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保护硫化铅光敏元在太空中不受辐射损坏。3.2 红外探测器结构设计合理的产品结构设计是研制高稳定性、高可靠性红外
探测器的关键;根据使用要求,经分析论证,对晶体管平面封装式结构的硫化铅红外探测器,合理的设计光敏元与滤光片安装位置,可有效保证探测器对目标探测的视场角和灵敏度响应。通过精心设计和工艺试验认为,光敏元距滤光片3mm处可达到120°视场角和最佳探测灵敏度。在产品自检保护方面,采用片式小型砷化镓发光二极管,系统使用前,为了自检红外探测器是否损坏,由砷化镓二极管发光,经滤光片反射后,硫化铅光敏元接收,监测输出信号以达到自检功能。
为了保证产品在强冲击、高频震动条件下不受损坏,在产品封装方面采取了以下相应措施。
(1)对晶体管帽采用特殊设计及工艺,使锗滤光片可
R1(MΩ)0.951.051.12.80.630.862.60.440.80.41.16R2(MΩ)1.151.251.33.00.681.032.70.470.90.481.30
ΔR/R10.210.190.180.070.080.200.040.070.130.20.14
注:表中R1为硫化铅表面双层保护后,产品的阻值;R2为产品经
50℃,48h高温试验后的阻值(测试环境条件:温度20±1℃,
嵌入管帽上部的凹槽内,再用高强度、多组份环氧树脂胶
粘结;对光敏元、砷化镓发光二极管电极与晶体管管脚之间的金丝引线周围粘结固化。以确保产品在强冲击、高频震动条件下不受损坏。
(2)对于一般的民用晶体管平面封装式结构的硫化
湿度55%RH,产品恒温1小时后测量)。
从表2可以看出,经50℃,48h高温试验后,产品平均阻值变化14%。说明此种工艺方法能有效地保护硫化铅光敏元在高温条件下的阻值稳定,产品光电性能变化减少,其产品阻值和光电性能稳定性和可靠性得到了提高。
经反复工艺试验后,采用双层介质保护工艺,有效地提高了产品的阻值和光电性能稳定性和可靠性。3 探测器红外滤光片及结构设计
硫化铅红外探测器在某些特殊领域,要求具有灵敏稳定的火焰探测性能、产品失效自检功能以及可防止宇宙射
铅红外探测器,传统的封装工艺是晶体管管帽和管座之间
采用环氧树脂胶粘结,其缺点是不能有效的全密封,往往造成漏气,使产品在长期存放和使用过程中,仍受外界环境和水汽影响,光电性能逐渐变劣。为了解决此问题,经反复工艺试验,在封装产品时,采用充氮碰焊密封工艺,确保了光敏元在氮气保护下性能稳定,产品质量稳定可靠。4 结 语
硫化铅红外探测器的可靠性与产品设计和制造工艺有密切的关系,通过改进光敏元保护工艺和红外探测器装
(下转第8页)
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仪器与仪表4 仿真测试结果
严福兴:射频功率放大器前馈线性化技术研究功率输出的要求。在提高射频功率放大器的线性度方面有一定的参考价值。设计也有进一步改进的空间,如采用自适应前馈线性化技术[4],系统性能将有更大提高。
在仿真过程中,将频率为800MHz和810MHz的两路信号输入到放大器,未使用前馈技术时放大器的频谱如图4所示,使用了前馈技术后频谱图如图5所示。可见放大器IMD3改善很明显。实际测试过程中,将频率为
800MHz和810MHz的两路信号输入到放大器,测试系
统的IMD3。使用前馈技术后系统的IMD3改善程度达24dB。
图5 使用前馈技术后放大器的交调性能参 考 文 献
[1]霍云.改善放大器非线性失真的各种技术[J].有线电视技
图4 不使用前馈技术时放大器的交调性能术,2004,11(22):7981.
[2]郭秀惠,叶宇煌.前馈式RF功率放大器的线性化技术[J].
5 结 语
本文采用前馈线性化技术设计了射频功率放大器。对传统的设计方法做了改进。实验表明,本设计在一定程度上改善了功率放大器的非线性失真,实现了高线性,大
通信技术,2002(4):2930,40.
[3]罗渝霞,贾建华.自适应前馈射频功率放大器设计[J].现代
电子技术,2004,27(17):1113.
[4]吴道富,贾建华,刘振宇.前馈自适应线性功率放大器研究
[J].同济大学学报,2002,30(6):715
717.
作者简介 严福兴 男,1981年出生,湖北广水市人,硕士研究生。主要从事射频通信技术方向的研究。
(上接第5页)
配工艺等措施,解决了器件在特殊环境下使用的性能稳定性和可靠性问题;根据对产品工艺研究可以得出下列结论:
(1)适当调整制膜材料配方比例,精确控制化学沉淀
(4)合理的产品结构设计,以及在产品装配过程中采
取加固措施,可提高红外探测器耐冲击和振动性能。采用充氮碰焊密封工艺,对提高系统的稳定性和耐环境能力有着十分重要的意义。
参 考 文 献
[1]费庆宇.硫化铅红外探测器光敏电阻存放过程中特性退化
制膜过程温度,可改善硫化铅光敏元的光电参数。
(2)采用双介质保护工艺,可减少外界气氛影响,能
有效地提高红外探测器性能的稳定性和可靠性。
(3)选用锗材料滤光片,可有效地防止各种宇宙射线
对探测器的干扰;滤光片镜面镀SiO增透膜,能有效地提高红外光透过率。
机理研究[J].电子产品可靠性与环境试验,1991(3):813.
[2]刘永胜.红外光学[M].北京:电子工业出版社,1994.
作者简介 付安英 男,1957年出生,陕西礼泉县人,1982年毕业于西北大学物理系半导体专业,高级工程师,国营795厂科技质
量部部长。主要从事红外和光电子器件研制工作。
马 睿 男,1962年出生,陕西武功人,硕士研究生,高级工程师,国营795厂副厂长。主要从事红外和光电子器件,敏感元器件的研制及科技管理工作。
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