红外焦平面探测器是红外成像系统中的重要器件，其可靠性不仅与焦平面芯片本身有关，还受到芯片互连、引线键合、芯片粘接以及杜瓦组装等工艺影响。特别是制冷型红外焦平面探测器，芯片工作温度通常可达到80 K左右甚至更低，在反复开关机过程中还要经历室温—低温—室温的温度变化，不同材料之间的热膨胀差异会使内部连接结构承受反复的热机械应力。
H2RG 红外焦平面探测器（图源网络，仅作展示）
那么，红外焦平面探测器是什么？内部有哪些机械连接结构？引线键合、芯片粘接以及铟柱互连分别应该如何验证可靠性？哪些项目可以通过推拉力测试机完成？本文科准测控小编结合相关研究，从红外焦平面探测器结构出发，重点介绍其机械连接结构、对应测试方法以及Alpha-W260自动推拉力测试机的应用。
一、什么是红外焦平面探测器？
红外焦平面探测器（Infrared Focal Plane Array，IRFPA）是一种能够对目标红外辐射进行二维阵列探测的红外成像器件，也是红外成像系统中实现红外信号探测和转换的重要组成部分。
与单元红外探测器不同，红外焦平面探测器将大量红外敏感像元按照一定方式排列形成焦平面阵列。当目标发出的红外辐射经过光学系统投射到焦平面后，不同位置的探测单元分别接收对应区域的红外辐射，并将其转换为电信号，再经过读出电路进行信号读取和处理，最终形成红外图像。
二、红外焦平面探测器有哪些机械连接结构？
1. 焦平面阵列芯片—读出电路芯片：铟柱互连
铟柱互连是焦平面阵列芯片与读出电路芯片之间的重要连接结构之一，承担芯片之间的电连接。
由于红外探测器需要在约80 K甚至更低的温度下工作，每次工作都可能经历室温到低温、再回到室温的温度变化。焦平面芯片材料与硅读出电路芯片之间存在热膨胀系数差异，因此铟柱会反复承受剪切应力。
随着温度循环次数增加，可能出现铟柱开裂、互连疲劳以及盲元增加等问题。铟柱互连更关注低温循环条件下的疲劳试验。
2. 读出电路芯片—基板：内引线键合
红外焦平面探测器的电学信号需要通过键合引线向外传输。
相关研究表明，内部键合结构分为两个主要位置，其中读出电路芯片与基板之间的键合线称为内引线。
随着焦平面阵列I/O密度增加，引线数量增加、键合间距减小，引线自身强度以及键合点连接质量都会影响探测器的电连接可靠性。
3. 基板—杜瓦引线环：外引线键合
另一个键合位置是基板与杜瓦引线环之间的外引线。
引线环再与外围图像处理电路相连，从而将探测器输出信号传递到外部。
键合丝材料主要包括金丝、硅铝丝、铂铱丝。
典型线径包括25 μm和50 μm，焊盘材料主要为铝或金。
其中，部分红外焦平面探测器的外引线采用铂铱丝，一个重要原因是其导热系数相对较小，有利于降低基板与杜瓦引线环之间的漏热。
4. 混成芯片—基板：低温胶粘接
红外焦平面探测器混成芯片通常通过低温粘接胶固定在基板上，基板再与杜瓦冷指等结构连接。
这一位置既需要承受芯片自身载荷，又要经受反复的温度变化。
探测器在贮存过程中可能受到热环境影响，而工作过程中粘接剂还会伴随芯片开关机反复经历室温与液氮温区的温度冲击；运输和工作中的振动、冲击也可能造成粘接失效。因此，芯片—基板粘接界面是红外焦平面探测器机械可靠性评价中比较值得关注的位置。
三、不同机械连接结构分别怎么测试？
红外焦平面探测器内部的机械连接结构尺寸、材料和连接方式存在明显差异，因此对应的测试方法也有所不同。从推拉力测试机的应用角度来看，可以重点关注铟柱/铟凸点微剪切、键合线机械强度以及混成芯片Die Shear剪切三类测试。
1. 铟柱/铟凸点微剪切测试
在部分红外焦平面探测器中，焦平面阵列芯片与硅读出电路芯片之间可通过铟柱或铟凸点实现互连。
由于焦平面芯片材料与硅读出电路材料之间存在热膨胀特性差异，探测器在室温与低温之间反复变化时，铟柱互连区域会受到周期性的热机械应力。如果需要进一步评价单个铟柱或铟凸点的局部机械连接强度，对于具有直接加载条件的测试样品，可以根据实际结构设计微剪切测试。
测试时将样品固定在测试平台上，通过显微系统定位目标铟柱/铟凸点，根据其直径、高度和Pitch选择相应的微型剪切工具。剪切工具移动至目标结构侧面，在设定高度下沿接近平行于基板表面的方向进行加载，并记录互连结构发生破坏时的剪切力。
测试完成后，还需要结合显微观察分析失效位置，例如铟材料本体变形或断裂、互连界面分离以及Pad相关失效等。
对于阵列式铟柱/铟凸点，还可以选择不同区域进行多点测试，比较不同位置的机械强度一致性。
需要注意的是，铟柱微剪切评价的是局部互连机械强度，并不能代替低温循环可靠性测试。尤其对于红外焦平面探测器，铟柱在反复低温环境下的疲劳和互连稳定性仍需要结合温度冲击、开关机寿命及电性能等方法综合分析。
2. 金丝、硅铝丝、铂铱丝键合强度测试
除了芯片间的铟柱互连，红外焦平面探测器内部还存在大量键合引线。
根据不同产品结构和使用位置，键合丝可以采用金丝、硅铝丝、铂铱丝等材料。对于这类键合结构，可以通过推拉力测试机进行键合强度测试。
测试时将样品固定，在显微系统下定位目标键合线，根据引线结构选择相应的测试工具和加载位置，随后施加载荷，直至键合线断裂或键合点发生脱离，并记录对应的力值。
但键合强度评价不能只看一个最大力值。
测试完成后还需要观察失效发生的位置，例如：
键合线本体断裂；
颈缩区域断裂；
芯片侧键合点脱落；
基板侧键合点脱落；
键合界面分离。
研究发现，大部分断裂发生在颈缩位置，同时也存在少量基板侧键合脱落情况。
另外，键合强度测试还可以用于观察工艺一致性。
3. 混成芯片Die Shear剪切测试
红外焦平面探测器的混成芯片还需要通过低温粘接材料固定在基板上。
在反复低温冲击、运输振动以及机械冲击等条件下，如果芯片与基板之间的粘接强度不足，可能出现粘接材料开裂、界面分离甚至芯片脱落。
对于这种结构，可以通过Die Shear芯片剪切测试评价混成芯片与基板之间的机械粘接强度。
测试时首先根据杜瓦组件和芯片结构设计合适的固定方式，将样品可靠安装在测试平台上。
随后根据混成芯片尺寸、厚度和预计剪切力选择相应剪切工具，使工具移动到芯片侧面，在合适的剪切高度下沿接近平行于基板表面的方向进行加载。
随着载荷增加，芯片粘接结构逐渐发生破坏，设备记录对应的最大剪切力。
不过，红外焦平面探测器Die Shear不能只看最大剪切力。
相关研究将剪切后的分离模式分为三类：
A模式：芯片被剪切掉，底座上残留硅碎片；
B模式：芯片与芯片附着材料之间发生分离；
C模式：芯片与附着材料一起脱离底座。
不同破坏位置对应的粘接状态和失效机理不同，因此需要将剪切力值与分离模式结合分析。
以上就是科准测控小编为您介绍的红外焦平面探测器机械连接结构及可靠性测试方法。
针对不同结构，需要根据实际失效机理和样品状态选择测试方法。科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机可根据样品尺寸、力值范围及测试结构配置相应力值模块、剪切工具、拉钩及专用夹具，用于具有直接加载条件的铟柱/铟凸点微剪切、键合线拉力/键合强度测试以及混成芯片Die Shear剪切测试，并结合多点测试数据与失效形貌分析，辅助评价连接质量和工艺一致性。
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