СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ СОХРАНЯЕМОСТИ ИК МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
METHOD OF TESTING STORABILITY OF INFRARED MULTI-ELEMENT PHOTODETECTOR

ИК МФПУ (инфракрасные многоэлементные фотоприемные устройства) - приборы, играющие важную роль в современной жизни. Они эффективно работают в медицине, в строительстве, в металлургии, в нефтяной и газовой отраслях промышленности, в космической, военной технике и других отраслях.
Предлагаемое изобретение относится к способам испытания сохраняемости ИК МФПУ, содержащего клеевые соединения в вакуумированной полости, с рабочей температурой фоточувствительных элементов ниже температуры окружающей среды, предназначенного для обнаружения и регистрации инфракрасного излучения. Клеевые соединения скрепляют между собой, например, растр с холодным пальцем криогенной системы и/или мультиплексор с растром и т.д.
Сохраняемость ИК МФПУ - одна из их важнейших характеристик. Она описывает свойство приемников сохранять при заданных условиях в течение заданного времени хранения и восстанавливать во времени с помощью технического обслуживания значения параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции.
Средним сроком сохраняемости устройства называется средняя продолжительность хранения МФПУ до снижения параметров устройства ниже заданной величины и невозможности их восстановления.
раб
окр.ср
Заявляемый способ предназначен для испытания сохраняемости ИК МФПУ, содержащих клеевые соединения в вакуумированной полости, с рабочей температурой фоточувствительных элементов Т ниже температуры окружающей среды Т.
Прототипом заявляемого способа является способ испытания на сохраняемость охлаждаемого МФПУ, содержащего клеевые соединения в вакуумированной полости, заключающийся в проведении 12,5 циклов хранения в условиях отапливаемого хранилища, т.е. при НКУ (нормальных климатических условиях), в измерении теплопритока, в проведении геттерирования полости МФПУ и в измерении, по крайней мере, одного фотоэлектрического параметра при НКУ после каждого цикла хранения (Технические условия БУТИ.432234.047ТУ, Устройство фотоприемное матричное охлаждаемое, Приложение Д, 2006 г.).
При хранении вышеуказанных МФПУ возникает ухудшение такого параметра, как теплоприток. Обусловлено это ухудшение тем, что во время хранения устройства при НКУ происходит слабое газоотделение от боковой поверхности клеевого соединения, расположенного между растром и охлаждаемым пальцем корпуса устройства. Этот процесс приводит к снижению вакуума внутри корпуса МФПУ и, как следствие, к увеличению теплопритока от боковой поверхности корпуса к МФЧЭ. В течение первого цикла хранения (около одного года) теплоприток увеличивается не менее чем на 10%.
цикла
Недостатком способа является слишком большая продолжительность испытания. Так, в случае одновременного испытания четырех МФПУ средняя продолжительность цикла хранения t составляет от 1,0 до 1,2 лет. Если снижать количество испытуемых устройств, то продолжительность цикла, соответственно время испытания, будет повышаться. Такая длительность испытания тормозит выпуск и сдачу готовых устройств. Следовательно, возникает задача существенного сокращения продолжительности испытания при сохранении фотоэлектрических параметров, величины изменения отдельных параметров устройства (теплоприток, время выхода на режим) и возможности их восстановления.
Задачей изобретения в сравнении с прототипом является сокращение времени испытания МФПУ при эквивалентном изменении теплопритока или времени выхода на режим после проведения каждого цикла хранения, их восстановления и сохранения фотоэлектрических параметров.
Технический результат достигается тем, что в известном способе испытания сохраняемости МФПУ, заключающемся в проведении заданного количества циклов хранения, включающих выдержку выключенного устройства при заданной температуре внешней среды в течение заданного промежутка времени, проведение геттерирования вакуумированной полости устройства, измерение при НКУ теплопритока включенного устройства или времени выхода его на режим и, по крайней мере, одного фотоэлектрического параметра, длительность цикла хранения задают как сумму первого и второго промежутков времени, в течение первого промежутка времени выдерживают устройство при первой температуре, в течение второго промежутка времени выдерживают устройство в условиях термоциклирования между второй температурой и третьей температурой, первая и вторая температуры превышают заданную температуру внешней среды, но не превышают повышенную рабочую температуру среды, третья температура не ниже пониженной рабочей температуры среды, сумма первого и второго промежутков времени соответствует повышению теплопритока или времени выхода на режим при НКУ не менее чем на 10% после проведения первого цикла хранения.
Заявленный способ испытания иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 представлена одна из возможных конструкций охлаждаемого МФПУ, содержащего клеевые соединения в вакуумированной полости.
На фиг.2 представлена температурная диаграмма одного цикла хранения в известном испытании (прототипе).
На фиг.3 представлена диаграмма изменения теплопритока или времени выхода на режим в известном испытании (прототипе).
На фиг.4 представлена одна из возможных температурных диаграмм одного цикла хранения в заявленном испытании.
На фиг.5 представлена диаграмма изменения теплопритока или времени выхода на режим в заявляемом испытании.
ИК МФПУ включает вакуумированный корпус 1 с оптическим окном, расположенную внутри корпуса матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ) 2, скоммутированную с кремниевым мультиплексором 3. Сборка МФЧЭ-мультиплексор окружена охлаждаемым экраном 4 с диафрагмой и приклеена к сапфировому или кремниевому растру 5, который, в свою очередь, приклеен к охлаждаемому пальцу корпуса 6. Таким образом, имеются два клеевых соединения 7, расположенных внутри корпуса устройства. Клеевых соединений может быть и больше.
Внутри корпуса также расположен геттер 8, необходимый для восстановления вакуума в полости корпуса. Вакуум необходим для снижения теплопритока к сборке и охлаждаемому пальцу, что позволяет существенно снизить мощность, потребляемую системой охлаждения МФПУ и обеспечить заданное время выхода на режим. Толщина клеевых соединений 7, в зависимости от типа используемого клея, может составлять величину от нескольких микрон до нескольких десятков микрон.
окр.ср
В реальных условиях хранения устройство выключено, а температура окружающей среды Т лежит в диапазоне от -10 до 30°С.
окр.ср
0
В известном способе (прототипе) испытания устанавливают ту же температуру окружающей среды Т=Т, и устройство выдерживают около одного года в каждом цикле испытания. При хранении происходит газовыделение из боковой поверхности клеевых соединений 7 в полость корпуса МФПУ, увеличивающее время выхода на режим (теплоприток), что показано на фиг.2, участок 1. После окончания каждого цикла хранения проводят геттерирование полости устройства, улучшающее вакуум в полости корпуса МФПУ и снижающее время выхода на режим (теплоприток), участок 2. Затем проводят контроль времени выхода на режим (теплоприток) хотя бы одного фотоэлектрического параметра устройства.
Исследования вакуумных клеев показали, что их газовыделение зависит от температуры практически экспоненциально. Это означает, что, повышая температуру клеевого соединения, можно получить интегральное газовыделение, эквивалентное годовому, за существенно более короткое время.
В заявляемом способе выдержку в каждом цикле проводят в два этапа.
1
1
0
пов.раб.ср
2
2
0
пов.раб.ср
3
0
пов.раб.ср
1
2
3
Первый имеет продолжительность t и проводится при первой температуре Т, которая выше, чем температура хранения Т в известном способе, но не больше, чем повышенная рабочая температура среды Т. Второй имеет продолжительность t и проводится в условиях термоциклирования от второй температуры внешней среды Т, которая также выше, чем температура хранения Т в известном способе, но не больше, чем повышенная рабочая температура среды Т, до третьей температуры внешней среды Т, которая ниже температуры хранения Т в известном способе, но не ниже пониженной рабочей температуры среды Т, и обратно. Продолжительность цикла складывается из продолжительностей двух указанных этапов, и такова, что за время цикла теплоприток или время выхода на режим ухудшаются не менее чем на 10%. Примерный диапазон температур T и Т составляет 35-60°С, а температура Т может лежать в диапазоне от -10 до -50°С.
1
2
3
1
2
Два этапа необходимы по следующим причинам. Укороченная выдержка при повышенной температуре T создает жесткую боковую поверхность клеевого соединения, но не позволяет вывести все газы из его объема. Для этого необходим «массаж» клеевого соединения с помощью термоциклирования от температуры Т до температуры Т. Времена t и t устанавливаются экспериментально и оказываются меньше, чем в способе-прототипе, по крайней мере, в несколько раз.
Таким образом, заявляемый способ испытания безотказности фотоприемных устройств, включающих корпус, внутри которого расположен охлаждаемый узел, содержащий матрицу фоточувствительных элементов, состыкованную поэлементно индиевыми столбиками с кремниевой БИС, обеспечивает сокращение времени испытания МФПУ при эквивалентном изменении теплопритока или времени выхода на режим после проведения каждого цикла хранения, их восстановления и сохранения фотоэлектрических параметров.