hgcdte焦平面探测器热应力有限元分析

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1、焦平面探测器热应力有限元分析HgCdTe吴永红，武文(中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)摘要:为降低HgCdTe焦平面探测器的内热应力、提高其可靠性，在MSCPatran和MSCNastran中对HgCdTe焦平面探测器进行热－力耦合分析.借助MSCPatran的参数化建模方法建立焦平面探测器的有限元模型，对该模型进行热分析，将结果作为温度载荷进行静力分析，得出HgCdTe芯片热应力分布情况.通过分析5种不同衬垫材料和6种不同厚度基板，得出HgCdTe焦平面探测器的设计优化方案.利用该方法设计的产品已交付生产和工程

2、应用.关键词:HgCdTe焦平面探测器;热应力;热力耦合;有限元;MSCPatran;MSCNastran;PCL中图分类号:TN215;TN304.2;TB115.1文献标志码:AFiniteelementanalysisonthermalstressofHgCdTefocalplanedetectorWUYonghong，WUWen(ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics，ChineseAcademyofSciences，Shanghai200083，China)Abstract:Todecr

3、easetheinternalthermalstressandimprovereliabilityofHgCdTefocalplanedetector，itsthermal-mechanicalcouplingisanalyzedinMSCPatranandMSCNastran.ThefiniteelementmodelisestablishedbyusingparametrizationmodelingmethodofMSCPatranandthenthethermalanalysisisperformedonthemodel

4、.TheanalysisresultistakenastemperatureloadofstaticanalysistoobtainthethermalstressdistributionofHgCdTechips.Thedesignoptimizationschemeforfocalplanedetectorisobtainedbyanalyzingfivekindsofcushionmaterialandsixkindsofsubstrateswithdifferentthickness.Theproductsmadebyt

5、hismethodhavebeendeliveredforproductionandengineeringapplication.Keywords:HgCdTefocalplanedetector;thermalstress;thermal-mechanicalcoupling;finiteelement;MSCPatran;MSCNastran;PCLHgCdTe焦平面探测器件是种多层结构，包含柯伐合金、基板、蓝宝石基底、HgCdTe芯片以及连接胶等，其工作环境温度在60K左右.由于各层材料热膨胀系数的不同，导致焦平面探测器在

6、低温工作过程中承受很大的热应力.引言0在中长波红外探测中，HgCdTe焦平面探测器以其成熟的制造技术及稳定的性能成为下一代气象探测中的核心器件.随着其应用的增多，在研制红外探测器的过程中降低材料成本、提高器件可靠性等显得尤为重要.［1-3］本文基于和对MSCPatranMSCNastranHgCdTe焦平面探测器进行热应力分析.为避免重复收稿日期:2010-10-22修回日期:2010-12-22材料、设置基板厚度，可有效提高建模效率及准确率，为焦平面探测器的研制提供一种有效方法.热应力分析的有限元描述［4］材料具有热胀冷缩特性

7、，在非均匀温度分布即温度梯度作用下会产生体积变化，即热应变.当结构的热应变受到约束不能自由发展时，就会产生热应力.这种约束可能是外界环境施加的约束，也可能是由于结构各部分之间热膨胀系数差异引起的相互作用.从位移有限元导出的单元应力σ与节点上等效外力P之间的平衡表达式为1∫VBσdνT(1)=P式中:BT为建立节点位移u与单元总应变ε之间线性关系的转换矩阵，图1HgCdTe焦平面探测器几何结构Fig.1GeometricstructureofHgCdTefocalplanedetetor=BTu(2)ε2.2有限元模型(1)对器件

8、几何结构应用参数化建模方法，将通常假设总应变由3部分组成，即ε=εe+εp+εth(3)衬垫材料参数及基板厚度设置为设计变量，分别为热传导系数λ，热膨胀系数α，弹性模量E，泊松比μ以及基板厚度h，然后应用MSCPatran二次开发语式中:εe，εp和εth分别为