Bonding of Ceramic Substrate and CMOS Chip of EBAPS Devices
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摘要:
EBAPS(Electron Bombardment Active Pixel Sensor)是一种真空与固体器件结合的混合型光电成像器件,其真空封接需要经过高温烘烤和排气工艺,在研制过程中需要解决CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器中硅基芯片与陶瓷基座之间粘接用的环氧树脂胶高温分解导致CMOS芯片脱落无法成像的问题。为了解决上述问题,项目组采用三种熔点相近的Au88Ge12、Pb92.5In5Ag2.5以及Zn-Al-Ag-Cu合金焊料焊接经过金属化后的CMOS硅基芯片和陶瓷基座。对上述3种焊料焊接的CMOS图像传感器剖面进行了SEM(Scanning Electron Microscope)和EDS(Energy Dispersive Spectrometer)测试表征,以分析焊接处的性能。结果表明,使用Au88Ge12焊接的CMOS图像传感器可以实现稳定可靠的连接性能。
Abstract:An electron bombardment active pixel sensor (EBAPS) is a hybrid optoelectronic imaging device that combines vacuum and solid-state devices. Its vacuum sealing requires high-temperature baking and degassing processes. During development, a key challenge is addressing the issue of the epoxy adhesive used to bond the silicon-based chip in the complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor to the ceramic base, which may decompose at high temperatures, causing the CMOS chip to detach and fail to capture images. To address this, the project team used three types of solder alloys with similar melting points: Au88Ge12, Pb92.5In5Ag2.5, and Zn-Al-Ag-Cu to bond the metallized CMOS silicon-based chip to the ceramic base. The cross-sections of the CMOS image sensors soldered with these three types of solders were tested and characterized using scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectrometry (EDS) to analyze the performance of the solder joints. The results indicated that the CMOS image sensor soldered with Au88Ge12 achieved stable and reliable connection performance.
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Keywords:
- AuGe alloy /
- EBAPS /
- vacuum welding /
- element diffusion
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0. 引言
在沿海机场往往会面临机场跑道方向上时有货轮经过附近海域或大型海上平台在航线方向海上作业影响飞机起飞降安全的情况,由于机场位于开阔水域,往来船舶等频繁,发生跑道入侵事件的风险很大[1];在内陆江河或沿海航道上同样会面临过往船只过高对跨江或跨海大桥产生安全威胁的情况,需要预防桥梁受到船舶撞击[2]。为此这些地方往往需要对过往船只的高度乃至位置进行监测,实时掌握目标航向和目标高度以便评估其威胁程度。
在船舶移动的过程中由于多普勒效应影响,同时雷达引导上传目标数据周期性长、实时性差,单纯的雷达探测只能获取滞后的目标绝对位置信息,不可避免会产生一定的误差[3-4],无法掌握目标准确的高度,且随着水位的涨落,同一型船只在不同的时间经过同一位置也难以保证船只最高点的高程保持不变,为此需要一种高精度目标定位系统能够实时解算出目标的绝对位置和高程信息。
为此,本文设计了一种集成有高清可见光相机、红外热像仪、高精度激光测距机、倾角仪、光电编码器于一体的光电船只目标定位系统。
1. 测量原理
光电船只目标定位系统安装于陆地基座上,依靠内部集成的高清可见光相机、红外热像仪及激光测距机可实现昼夜对目标船只位置和高程信息的监测,下文图中云台均以PTZ代表,系统工作示意图如图 1所示。
通过北斗定位装置获取云台自身的经纬度高程坐标信息(本文中经纬度高程坐标信息均基于2000国家大地坐标系),通过激光测距机和云台编码器获取目标相对于云台的相对坐标信息,通过倾角仪获取云台安装基座姿态变化信息以对目标解算位置进行实时修正。以上信息经云台内部目标定位解算模块解算,给出目标的绝对位置信息,如图 2所示。
由于系统设备安装方式为陆基安装,故只需在系统安装完毕后,利用北斗定位装置对光电系统安装位置进行一次自身坐标位置标定,以获取光电系统的经纬度坐标和高程信息。同时利用云台内部的水平向和高低向光电编码器获取目标相对于云台的角度信息,通过激光测距机获取目标相对于云台的测量距离,由此可解算出目标对于光电系统的相对位置和高程信息,再结合光电系统自身的大地坐标位置即可解算出目标的绝对位置和高程信息,目标与云台坐标系关系如图 3所示。
目标相对于云台坐标系的相对位置信息为:
$$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_1}} \\ {{y_1}} \\ {{z_1}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {d\cos a\sin b} \\ {d\cos a\cos b} \\ {d\sin a} \end{array}} \right] $$ (1) 式中:x1、y1、z1为目标在云台坐标系内的坐标信息;d为目标相对云台的直线距离;a为目标相对于云台的俯仰角;b为目标相对于云台的方位角。
实际应用中,云台所处的安装基座一般要高出地面或者建筑物一定高度,长期受到大风或者振动影响后基座面相对于初始安装时往往会发生一定的姿态改变,这会造成目标相对于云台自身的相对位置也会发生轻微变化,进而一定程度上会影响对目标的定位解算精度。因此引入云台内倾角仪输出的姿态信息对云台姿态进行校正。目标与发生偏移后云台坐标系关系如图 4所示。
目标在偏移后的云台坐标系的绝对位置信息为:
$$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_2}} \\ {{y_2}} \\ {{z_2}} \end{array}} \right] = {\mathit{\boldsymbol{C}}}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_1}} \\ {{y_1}} \\ {{z_1}} \end{array}} \right] + \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_0}} \\ {{y_0}} \\ {{z_0}} \end{array}} \right] $$ (2) 式中:x0、y0、z0为在大地坐标系下三轴的坐标;x2、y2、z2为在大地坐标系下三轴的坐标;α、β、δ分别为偏移后的云台坐标系各轴相对于原坐标系各轴的姿态变化角度,矩阵C为:
$$ {\mathit{\boldsymbol{C}}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \delta \cos \beta }&{\sin \alpha \sin \delta \cos \beta - \cos \alpha \sin \beta }&{\cos \alpha \sin \delta \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta } \\ {\cos \beta }&{\sin \alpha \sin \delta \sin \beta + \cos \alpha \sin \beta }&{\cos \alpha \sin \delta \cos \beta - \sin \alpha \cos \beta } \\ { - \sin \delta }&{\sin \alpha \cos \delta }&{\cos \alpha \cos \delta } \end{array}} \right] $$ (3) 2. 云台伺服系统设计
云台伺服系统采用经典的位置环、速度环、电流环三环设计,通过位置环结合速度环和电流环实现云台根据雷达系统引导信息调转到指定位置,由于雷达引导坐标位置精确性较差且具有滞后性,需要进一步优化工作流程才能锁定测量目标。因此云台在接收雷达引导信息调转到位后,转入识别跟踪流程,识别并锁定跟踪目标船只最高点,并对其进行目标定位测量解算。伺服系统控制方案如图 5所示。
其中位置环和电流环采用Proportional integral比例积分控制器,速度环采用Linear active disturbance rejection control线性自抗扰控制器。
自抗扰控制由韩京清教授最早提出,通过跟踪-微分器、反馈控制律、扩张状态观测器组成的控制器不依赖于系统的精确数学模型具有良好的鲁棒性和适应性[5]。针对自抗扰控制中非线性结构多、待调控制参数多的不便于工程化使用情况,高志强教授进一步提出了待调参数数量简化的线性自抗扰控制算法即LADRC,使整定参数和带宽相关,整定难度简化,更适合应用于工程领域[6]。
云台采用表贴式永磁同步电机,电机转矩和运动方程为:
$$ \left\{ \begin{array}{l} {T_{\rm{e}}} = {T_{\rm{L}}} + B\omega + J\frac{{{\rm{d}}\omega }}{{{\rm{d}}t}} \hfill \\ {T_{\rm{e}}} = {C_{\rm{t}}}{i_{\rm{q}}} \hfill \end{array} \right. $$ (4) 式中:Te为电磁转矩;TL为负载转矩;B为阻尼系数;ω为电机机械角速度;J为转动惯量;Ct为转矩系数;iq为转矩电流分量。
根据电机转矩和运动方程可见,速度环适宜使用一阶LADRC速度控制器,首先设计扩张状态观测器部分。
由式(4)可以进一步得到状态方程:
$$ \left\{ \begin{array}{l} {{\dot x}_1} = {x_2} + {l_0}{i_{\rm{q}}} \hfill \\ {x_2} = f \hfill \end{array} \right. $$ (5) 式中:x1=ω为电机机械角速度;x2为$ f = \frac{1}{J}({C_t}{i_{\rm{q}}} - {T_{\rm{L}}} - B\omega ) - l{}_0{i_{\rm{q}}} $,为未知待观测量;l0为速度环LADRC控制器待调参数。
采用的线性状态观测器方程为:
$$ \left\{ \begin{array}{l} \dot z = {\mathit{\boldsymbol{A}}}z + {\mathit{\boldsymbol{B}}}u + {\mathit{\boldsymbol{L}}}({x_1} - {z_1}) \hfill \\ {\mathit{\boldsymbol{A}}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 0&1 \\ 0&0 \end{array}} \right] \hfill \\ {\mathit{\boldsymbol{B}}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{l_0}} \\ 0 \end{array}} \right] \hfill \\ {\mathit{\boldsymbol{L}}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{l_1}} \\ {{l_2}} \end{array}} \right] \hfill \end{array} \right. $$ (6) 式中:z为系统观测的状态量;x为系统实际的状态量;u为系统输入量。
由式(5)、式(6)可以得到:
$$ \left\{ \begin{array}{l} \dot {\hat \omega} = \hat f + {l_0}{i_{\rm{q}}} + {l_1}(\omega - \hat \omega ) \hfill \\ \hat f = {l_2}(\omega - \hat \omega ) \hfill \end{array} \right. $$ (7) 式中:$ \hat \omega $为电机角速度观测值;$ \hat f $为待观测量f的观测值。
取$ {l_0}{i_q} = {u_0} - \hat f $,当$ \hat f $无限接近于f时,则由式(5)有:
$$ \dot \omega = f + ({u_0} - \hat f) = {u_0} $$ (8) 式中:u0为控制律输出量。
电机速度环经过控制器可等效为一阶积分环节,故LADRC控制律环节可简化设计为比例控制器[7],取$ {u_0} = {K_{\rm{p}}}({\omega _{{\rm{ref}}}} - \hat \omega ) $,ωref为速度环给定转速。云台采用的力矩电机为低速电机且长期工作于低速运行状态,故省去LADRC中的跟踪-微分器环节设计,由此可以得到速度环LADRC控制器结构如图 6所示。
系统中俯仰向采用J180LWX005型无刷力矩电机和EAC90F-0M21S型光电编码器,采用的电机和编码器参数如表 1所示。
表 1 电机和编码器参数Table 1. Motor and encoder parameterJ180LWX005 motor Value EAC90F-0M21S encoder Value Rated torque/(N⋅m) 8 Resolution 21 bits Rated current/A 4 Accuracy < 30″ No-load speed/rpm 110 Maximum speed/rpm 6000 Torque coefficient/(N⋅m/A) 2 Phase resistor/Ω 1.6 Phase inductance/mH 4.5 速度环给定转速ωref=3.66°/s,分别测试速度环采用PI控制器和LADRC控制器速度响应情况,并在速度达到稳定后突加一固定干扰力矩,速度环响应曲线如图 7所示。
由图 7、图 8可见采用LADRC控制器后,云台速度环可更快抑制扰动,转速控制波动量小更加平稳,位置调转响应更快。
位置闭环响应曲线如图 8所示,电机初始位置为30°,测试时先回到0°位置,再调转至50°位置。
3. 系统软件设计
该目标定位系统工作流程如图 9所示。云台根据雷达引导信息调转至指定位置,由于雷达引导位置存在一定误差,加上目标船只处于移动状态因此雷达引导信息具有滞后性,且雷达不能获取到目标最高点位置,因此云台调转到位后不能立刻进行目标船只定位测高,需要先识别选定视场内目标船只最高点,然后再开启跟踪锁定目标船只最高点进行定位测高。
在得到目标船只测距值后,通过依次读取云台倾角仪获取云台相对大地坐标系姿态角、云台编码器值获取目标船只相对云台坐标系极坐标,结合云台所处的经纬度高程信息,即可解算出目标船只准确的经纬度和高程信息。
4. 测试结果
随机选取了4个不同方向不同距离的目标点对系统的测量精度进行测试,目标点经纬度测试情况如表 2所示。
表 2 目标经纬度测量对照Table 2. Target longitude and latitude measurement comparisonActual value of target longitude and latitude/° Measurement value of target longitude and latitude/° Distance/m Deviation/m Longitude: 118.7693622; Latitude: 31.87598539 Longitude: 118.7693379; Latitude: 31.8759465 2638 4.77 Longitude: 118.7841865; Latitude: 31.896963 Longitude: 118.7841426; Latitude: 31.8969342 3825 4.86 Longitude: 118.7775752; Latitude: 31.9166531 Longitude: 118.777571; Latitude: 31.9166863 6025 3.71 Longitude: 118.86845383; Latitude: 31.89987727 Longitude: 118.868425; Latitude: 31.8998692 8224 2.84 目标点高程测试情况,如表 3所示。综合表 2和表 3可见,该系统对目标点在经纬度测量上误差不超过5 m,高程测量上误差不超过2 m,可实现较高的测量精度。
表 3 目标高程测量对照Table 3. Target height measurement comparisonActual value of target height/m Measurement value/m Distance/m Deviation/m 87.944 88.2 2638 0.256 113.346 112.4 3825 -0.946 116.26 115.2 6025 -1.06 230.2 228.7 8224 -1.5 5. 结束语
文中提出了一种光电式高精度目标船只定位系统,利用该系统可获取较高精度的目标位置和高程信息,有效提高了目标定位测算的准确度和效率。
试验表明了该设计的合理性。试验结果证明该系统可给出目标位置较高精度的定位数据,投入使用后工作稳定可靠,具有良好的性能,在无人值守监控定位领域具有广泛的应用前景。
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表 1 Zn-Al-Ag-Cu焊接后各颜色区域的元素组成及含量
Table 1 The element composition and content in different regions of Zn-Al-Ag-Cu solder after welding
Region Elements and their content/% O Al Cu F Cs Au Zn Ag White 1.37 94.97 3.66 - - - - - Black 1.92 28.96 - 1.19 2.51 65.43 - - Purple - 27.69 - - - 35.48 1.09 35.75 表 2 EDS得到的Au88Ge12焊接后解剖面各位置的元素组成及含量
Table 2 The result of EDS test in different positions of cross section of CMOS image sensor welded by Au88Ge12
Location Elements and their content/% Si O Au Ge Al Au: Ge 1 88.93 11.07 - - - - 2 11.24 12.35 68.00 8.41 - 8.09 3 - - 92.76 7.24 - 12.80 4 - 38.13 17.81 1.87 42.19 9.52 5 - 47.33 - - 52.67 - -
[1] 金伟其, 陶禹, 石峰, 等. 微光视频器件及其技术的进展[J]. 红外与激光工程, 2015, 44(11): 3167-3176. DOI: 10.3969/j.issn.1007-2276.2015.11.001. JIN Weiqi, TAO Yu, SHI Feng, et al. Progress of low level light video technology[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(11): 3167-3176. DOI: 10.3969/j.issn.1007-2276.2015.11.001.
[2] 田金生. 微光像传感器技术的最新进展[J]. 红外技术, 2013, 35(9): 527. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201309001 TIAN Jinsheng. New development of low light level imaging sensor technology[J]. Infrared Technology, 2013, 35(9): 527. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201309001
[3] 徐鹏霄, 唐光华, 唐家业, 等. EBCMOS混合型光电探测器研究[J]. 光电子技术, 2016, 36(4): 232-236, 252. XU Pengxiao, TANG Guanghua, TANG Jiaye, et al. Review of EBCMOS Hybrid Photodetector[J]. Optoelectronic Technology, 2016, 36(4): 232-236, 252.
[4] 刘亚宁, 桑鹏, 吕嘉玮, 等. 微型低功耗EBAPS相机技术[J]. 红外技术, 2019, 41(9): 810. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201909003 LIU Yaning, SANG Peng, LYU Jiawei, et al. Miniature low power consumption EBAPS camera technology[J]. Infrared Technology, 2019, 41(9): 810. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201909003
[5] 王司龙, 胡健钏, 孙爱平, 等. 基于电子轰击型有源像素传感器的瞄准镜光学系统设计[J]. 红外技术, 2025, 47(2): 148. http://hwjs.nvir.cn/article/id/5d131220-a8c7-4298-85ef-46f969d9c937 WANG Silong, HU Jianchuan, SUN Aiping, et al. Design of scope optical system based on electronic bombardment active pixel sensor[J]. Infrared Technology, 2025, 47(2): 148. http://hwjs.nvir.cn/article/id/5d131220-a8c7-4298-85ef-46f969d9c937
[6] 张海舟, 母一宁, 王连锴, 等. EBCMOS微光成像器件的研究[J]. 真空科学与技术学报, 2017, 37(10): 991-996. ZHANG Haizhou, MU Yining, WANG Liankai, et al. Research on EBCMOS low-light-level imaging devices[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2017, 37(10): 991-996.
[7] Barbier R, Cajgfinger T, Calabria P, et al. A single-photon sensitive EBCMOS camera: The LUSIPHER prototype[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2011, 648: 266-274. DOI: 10.1016/j.nima.2011.04.018
[8] WANG Wei, LI Ye, SONG De, et al. Research on chip thinning technology[C]//Proc. SPIE, Sixth Symposium on Novel Optoelectronic Detection Technology and Applications, 2020: 114556S, doi: 10.1117/12.2565288.
[9] 于越, 黄凤春, 张浩, 等. 耐高温环氧树脂改性研究进展[J]. 中国胶粘剂, 2017, 26(7): 54-58. YU Yue, HUANG Fengchun, ZHANG Hao, et al. Research progress of high temperature resistance epoxy resin in modification[J]. China Adhesives, 2017, 26(7): 54-58.
[10] Andreas Larsson, Torleif A Tollefsen, Ole Martin Lovik, et al. A review of eutectic Au-Ge solder joints[J]. Metallurgical And Materials Transactions A, 2019, https://doi.org/10.1007/s11661-019-05356-0.
[11] 冯柳. 电子探针在金属材料分析中的应用研究[J]. 中国金属通报, 2020(7): 185-186. FENG Liu. Research on the application of electron probes in the analysis of metallic materials[J]. China Metal Bulletin, 2020(7): 185-186.
[12] 钟胜, 戴永年. 论金属饱和蒸汽压在锌粉生产及真空冶金中的应用[J]. 有色金属: 冶炼部分, 1998(4): 12-14. ZHONG Sheng, DAI Yongnian. On the Application of the Vapor Pressure of Metals in the Production of Zinc Powder and Vacuum Metallurgy[J]. Nonferrous Metals: Extractive Metallurgy, 1998(4): 12-14.
[13] 魏钦帅, 杨斌, 李一夫, 等. 废铝合金真空蒸馏脱锌的研究[J]. 真空科学与技术学报, 2012, 32(5): 425-429. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7126.2012.05.14 WEI Qinshuai, YANG Bin, LI Yifu, et al. Removal of Zinc from aluminum alloy scrap by vacuum distillation[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2012, 32(5): 425-429. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7126.2012.05.14
[14] 王生凯, 靳川, 乔凯, 等. 热处理对背照式CMOS传感器信噪比影响的实验研究[J]. 红外技术, 2019, 41(6): 585-590. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201906015 WANG Shengkai, JIN Chuan, QIAO Kai, et al. Impact of annealing temperature on SNR in backside-illuminated CMOS image sensor: an experimental study[J]. Infrared Technology, 2019, 41(6): 585-590. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201906015
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1. 李绍军,李英杰,李威,徐哲,王国右,徐妍,荆凡胜. 车载升降式光电云台共振抑制方法研究. 红外技术. 2024(04): 406-412 . 本站查看
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