СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ БЕЗОТКАЗНОСТИ ИК МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
METHOD OF TESTING RELIABILITY 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 промышленности, в космической, военной технике и других отраслях народного хозяйства.
Безотказность ИК МФПУ - одна из важнейших характеристик в ряду основных параметров указанных изделий. Она описывает свойство приемников сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения. Таким образом, безотказность МФПУ - непрерывное сохранение работоспособного состояния в течение заданной продолжительности работы в часах до отказа устройства.
Отказ МФПУ - нарушение работоспособного состояния устройства. Он возникает, если приемник перестает работать (катастрофический отказ) или его параметры в процессе работы снижаются до заданных величин. Поэтому при достаточно длительной наработке устройства обязательно возникает его отказ.
Суммарная наработка МФПУ, как и любых других устройств, состоит из суммы интервалов непрерывной работы. Продолжительность каждого интервала не превышает заданного максимального времени непрерывной работы устройства. Отдельные интервалы непрерывной работы могут проводиться при таких заданных внешних воздействиях, как повышенная или пониженная температура, механическая вибрация или удары, но основное время отводится работе при нормальных климатических условиях (НКУ). Интервалом непрерывной работы МФПУ называется промежуток времени, в течение которого включена электронная схема изделия при заданной рабочей температуре устройства, равной температуре матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ).
ср
γ
ср
В технических требованиях или технических условиях на МФПУ задается продолжительность средней наработки до отказа Т или гамма-процентной наработки до отказа Т, при заданной вероятности безотказной работы γ. Гамма-процентная наработка до отказа Ту связана со средней наработкой до отказа Т следующим выражением:
где γ - вероятность безотказной работы МФПУ в процентах.
γ
ср
Поэтому, зная Т, можно вычислить Т и спланировать проведение испытания.
ср
ср
При испытании безотказности суммарная наработка МФПУ должна подтверждать значение Т. Подтверждение проводится с помощью измерения, по крайней мере, одного основного параметра устройства. Если после проведения суммарной наработки его величина удовлетворяет заданному значению, то подтверждается величина Т.
Длительность суммарной наработки рассчитывается в соответствии с методами, приведенными в различных ГОСТах, например ГОСТ 27.410-87.
Тогда, общая схема проведения испытания безотказности МФПУ выглядит следующим образом:
1. Измеряется, по крайней мере, один заданный параметр МФПУ при рабочей температуре МФЧЭ.
2. При заданных значениях температуры окружающей среды проводится суммарная наработка МФПУ до достижения заданной продолжительности средней наработки до отказа. При ее проведении время непрерывной работы МФПУ не должно превышать заданное максимальное время непрерывной работы.
3. После проведения полной наработки измеряется тот же заданный параметр МФПУ при рабочей температуре МФЧЭ.
Величина параметра в п.3 всегда ниже, чем величина в п.1. Как правило, при выполнении п.2 проводятся дополнительные измерения заданного параметра устройства.
Изделие считается выдержавшим испытание, если величина параметра, измеренного в п.3, не ниже заданной величины. В противном случае останавливается сдача партии изделий заказчику до устранения причин отказа и положительных результатов повторного испытания на аналогичном изделии.
Средняя наработка ИК МФПУ до отказа имеет величину порядка 10000 часов. Легко подсчитать, что при испытании одного МФПУ она займет более 1000 рабочих смен или более 100 рабочих недель, что при рабочей пятидневке составит не менее 2-х лет.
Поэтому продолжительность указанного испытания необходимо сокращать, сохраняя величину снижения контролируемого параметра. Это сокращение осуществляют, например, одновременным испытанием нескольких изделий. В случае ИК МФПУ, стоимость которых велика, такое испытание является слишком затратным, поскольку после проведения испытания они просто списываются и уничтожаются.
Заявляемый способ предназначен для испытания безотказности ИК МФПУ, в которых матрица фоточувствительных элементов (МФЧЭ) установлена внутри герметизированного корпуса, стыкуется с мультиплексором или растром с помощью проводящих микростолбиков, в частности индиевых, а ее рабочая температура ниже температуры окружающей среды. МФЧЭ может иметь формат от 1×N до M×N, где величины N и М ограничиваются лишь технологией изготовления устройства.
Прототипом заявляемого способа является способ испытания безотказности фотоприемного устройства ФУК2М, включающий суммарную наработку продолжительностью 12920 часов двух МФПУ как при нормальных климатических условиях (НКУ), так и при воздействии механических и климатических факторов (Технические условия БУТИ.432234.047ТУ. Устройство фотоприемное матричное, охлаждаемое, пп.2.8.1, 2.8.2, 2.8.5. Приложение Г. Методика испытания МФПУ на безотказность. 2006 г).
В указанном способе первоначально проводится наработка двух изделий при НКУ в течение 460 часов, затем изделия испытываются в циклическом режиме до достижения суммарной наработки 12920 час. Длительность цикла 1000 часов. Каждое изделие нарабатывает по шесть циклов. Каждый цикл включает следующие виды внешних воздействий:
- наработка при воздействии механических ударов многократного действия в течение одного часа;
- наработка при воздействии синусоидальной вибрации в течение 6 часов;
- наработка при пониженной рабочей температуре в течение 100 часов;
- наработка при повышенной рабочей температуре в течение 100 часов;
- наработка при комнатной температуре в течение 793 часов.
Таким образом, каждое МФПУ должно отработать 6460 часов. Этот промежуток времени включает 6418 часов работы при заданных температурах окружающей среды и 42 часа работы при воздействии механических ударов многократного действия и синусоидальной вибрации.
После проведения наработки проводится измерение контролируемого параметра. Критерием отказа является ухудшение величины контролируемого параметра более чем на 30% от нормы ТУ.
Недостатком указанного способа является слишком большая продолжительность испытания устройства и необходимость, для сокращения ее, испытывать несколько изделий, которые должны быть списаны после испытания, что приводит к слишком высоким затратам на указанное испытание при сокращении его продолжительности всего лишь в два раза. Такая продолжительность испытания тормозит также и начало промышленного выпуска изделий.
Целью изобретения является сокращение времени испытания при одновременном сохранении величины снижения фотоэлектрических параметров МФПУ.
Поставленная цель достигается тем, что в способе испытания безотказности ИК многоэлементного фотоприемного устройства, заключающемся в проведении заданной продолжительности суммарной наработки устройства при заданных температурах внешней среды и измерении не менее одного фотоэлектрического параметра после ее завершения, наработку проводят циклами, состоящими из выхода устройства на рабочую температуру, включения устройства не менее чем на одну секунду, выключения устройства и повышения его рабочей температуры до заданной температуры внешней среды, при этом количество циклов равно отношению продолжительности суммарной наработки к заданному максимальному времени непрерывной работы устройства.
Поставленная цель достигается также тем, что измерение параметров проводится, по крайней мере, один раз между циклами наработки.
Заявленный способ испытания иллюстрируется чертежами.
На Фиг.1 представлена временная диаграмма интенсивности отказа в одном цикле известного способа испытания (прототипа).
На Фиг.2 представлена временная диаграмма интенсивности отказа в одном цикле заявленного способа испытания.
1 - Интенсивность отказа на этапе выхода устройства на рабочую температуру.
2 - Интенсивность отказа на этапе включения устройства.
3 - Интенсивность отказа на этапе непрерывной работы устройства.
4 - Интенсивность отказа на этапе выключения устройства.
5 - Интенсивность отказа на этапе повышения рабочей температуры устройства до заданной температуры внешней среды.
Здесь цифрами показана интенсивность отказа на соответствующих этапах одного цикла испытания.
Обоснованием заявляемого метода испытания являются следующие факторы.
ИК МФПУ подчиняются экспоненциальному закону распределения отказов, при котором распределение вероятности безотказной работы описывается следующим выражением:
ср
а средняя наработка до отказа Т равна
-1
где λ - интенсивность отказа, час;
t - продолжительность наработки, час.
Величина λ является постоянной на тех этапах испытания, которые характеризуются одинаковыми воздействиями на МФПУ или его компоненты. Если же воздействия отличаются, то отличаются и величины λ. При этом деградация параметров МФПУ или его компонентов будет тем быстрее, чем выше величина λ. Постепенный отказ МФПУ выражается через снижение заданного контролируемого параметра.
Параметры, ухудшающиеся в процессе работы МФПУ, следующие:
Пороговая облученность (NEI)
Пороговая мощность (NEP)
Удельная обнаружительная способность
Пороговая разность температур (NETD)
1
2
3
4
Здесь К, К, К, К - постоянные величины, определяемые такими параметрами МФПУ, как квантовая эффективность, спектральная чувствительность и площадь МФЧЭ, температура фонового излучения, средний темновой ток МФЧЭ, накопительная емкость в ячейке мультиплексора и напряжение заряда емкостей накопления. Эти величины, в процессе эксплуатации МФПУ, изменяются на порядки медленнее, чем величина шума МФПУ.
T
N - полный шум МФПУ, который определяется следующим выражением:
МФЧЭ
где N - шум МФЧЭ;
БИС
N - шум БИС мультиплексора;
К
N - контактный шум проводящих микростолбиков, в частности индиевых, между ФЧЭ и ячейками БИС мультиплексора.
Из выражений (4-7) следует, что ухудшение параметров МФПУ обусловлено повышением величины шума ФЧЭ в процессе наработки.
Для выяснения основных источников изменения шума МФПУ при температурных воздействиях внешней среды рассмотрим подробнее физические процессы, проходящие на разных этапах одного цикла непрерывной работы устройства.
Этот цикл можно условно разбить на пять этапов, каждый из которых имеет свою продолжительность:
1. Охлаждение МФЧЭ до рабочей температуры (3-8 мин).
2. Включение электронной схемы МФПУ (≤1 с).
3. Стационарная работа МФПУ (8-12 ч).
4. Выключение электронной схемы МФПУ (≤1 с).
5. Нагрев МФЧЭ до температуры окружающей среды (20-25 мин в зависимости от величины охлаждаемой массы и температуры окружающей среды).
На первом этапе происходит уменьшение размеров МФЧЭ и БИС, обусловленное изменением их температуры от комнатной до рабочей температуры, составляющей величину от 10 К до 120 К. Величины уменьшения габаритных размеров МФЧЭ и БИС мультиплексора или растра пропорциональны коэффициентам термического расширения (КТР) материалов, из которых они изготовлены. Поскольку эти материалы отличаются друг от друга (МФЧЭ - КРТ, InSb, InGaAsP и т.д.; БИС - кремний; растр - сапфир или кремний), то отличаются и их КТР.
МФЧЭ скоммутирована с БИС или растром с помощью распределенной системы проводящих микростолбиков, например индиевых. В силу этого процесс охлаждения приводит к возникновению сил деформации, воздействующих на микростолбики. Распределение этих сил по площади МФЧЭ и БИС радиально. Силы возрастают от центра к периферии кристалла. Величина их в процессе снижения температуры сначала возрастает во времени, вызывая деформацию столбиков, а затем, вследствие пластичности индия, уменьшается после окончания процесса охлаждения.
В результате, на первом этапе возможны следующие последствия:
- растрескивание столбиков с повышением их сопротивления, что приводит к постепенному увеличению шума контактов, повышающему вероятность ухудшения параметров ФЧЭ;
- ухудшение электрического и механического контакта столбиков МФЧЭ с контактами БИС или растра, что также приводит к повышению переходного сопротивления между МФЧЭ и БИС, и постепенному повышению шума контактов, т.е. к повышению вероятности ухудшения параметров ФЧЭ;
- отстыковка отдельных столбиков, в основном на периферии кристаллов, что приводит к отсоединению (неработоспособности) отдельных ФЧЭ.
Те же процессы происходят в охлаждаемой сборке на пятом этапе. Разница состоит лишь в том, что температура повышается, а скорость ее повышения ниже в несколько раз. Соответственно, ниже и скорость деформирования столбиков. На индиевые столбики воздействуют такие же механические напряжения, приводящие к таким же последствиям, как и на этапе захолаживания МФПУ. Вследствие этого интенсивность отказа на этих этапах может иметь значительную величину.
Второй и четвертый этапы работы МФПУ характеризуются теоретической возможностью воздействия на электронную схему БИС избыточных экстратоков в различных компонентах мультиплексора, обусловленных замыканием и размыканием электрической цепи питания. В современных мультиплексорах эти экстратоки практически устранены схемотехническими методами. Таким образом, интенсивность отказа на этих этапах исчезающе мала в сравнении с интенсивностью отказа на первом и пятом этапах.
Третий, самый продолжительный этап работы при НЕСУ и внешних тепловых воздействиях, является стационарным. На этом этапе рабочие токи БИС очень малы (МФЧЭ и БИС потребляют в сумме лишь несколько десятков милливатт), отсутствуют электрические перегрузки и механические нагрузки охлаждаемой сборки МФПУ - БИС. По этой причине и интенсивность отказа на этом этапе также мала.
Таким образом, первый и пятый этапы работы являются наиболее «травмоопасными» с точки зрения ухудшения параметров МФПУ, а интенсивность отказа на этих этапах работы значительно превышает интенсивности отказов на втором, третьем и четвертом этапах работы МФПУ.
В известном методе испытания безотказности ИК МФПУ мерой безотказности практически является суммарная длительность третьих этапов работы МФПУ.
В заявляемом методе испытания безотказности ИК МФПУ мерой безотказности изделия при НКУ и внешних тепловых воздействиях является не суммарное время третьих этапов работы МФПУ, а максимальное количество включений, которое необходимо произвести для достижения заданной величины основного, контролируемого параметра после наработки. Это количество определяется отношением суммарной наработки при заданных температурах внешней среды к максимальному времени непрерывной работы МФПУ. Время, затраченное на указанное количество включений, является суммарным временем первых и пятых этапов работы МФПУ и оно гораздо меньше, чем время испытания в известном способе.
Критерием отказа устройства является ухудшение значения измеряемого фотоэлектрического параметра ниже заданной величины.
Действительно, если время испытания двух МФПУ в прототипе равно 6460 часов, то в заявленном способе оно составит 443,5 часа или более чем на порядок меньше.
Легко заметить, что величина интенсивности отказа не уменьшается, а время цикла сокращается.
Это означает, что суммарное паразитное влияние наработки на параметры МФПУ при использовании заявленного способа будет таким же, как и в известном способе испытания.
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 существенное сокращение времени испытания при сохранении изменения фотоэлектрических параметров.