电阻阵列器件作为最成熟的动态红外景象生成器，因其能够在实验室中对各种红外探测系统的实时性能进行测试与评估，大幅降低外场实验成本，已获得广泛应用。为了实现红外探测器深空探测等低温背景需求的性能测试与评估，往往要求电阻阵列芯片正常工作时背景温度低于130K。
针对电阻阵列器件的制冷封装，近室温器件一般采用大功率制冷机进行冷却，而深低温器件多采用集成于封装结构的液冷装置进行冷却。液冷装置冷却具有冷量大、无振动、温度稳定等优点，常用的制冷工质有甲烷、液氮、液氧、液氩等。大面阵芯片和大功率负载的封装结构设计中还必须考虑相应零部件的热应力，以避免工作过程中热应力导致的结构失效。
随着红外动态仿真要求的提高，电阻阵列器件的发展向着像元小型化、阵列规模增大、整体功率提升等方向发展，随之带来的问题是发热增大，典型功率已经超过一百瓦，瞬时功率达到数百瓦，功率密度提升显著，这对封装结构的低温散热能力与热可靠性提出了较高的要求。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所龚海梅研究员课题组在《红外与激光工程》期刊上发表了以“深低温大功率电阻阵列封装结构研究”为主题的论文。该课题组主要从事航天遥感红外光电传感器的研制，红外、紫外焦平面等新型探测器组件及其抗辐射机理与可靠技术方面的研究工作。
封装模块简化模型示意图
这项研究设计了利用液氮进行快速冷却的电阻阵列封装结构，对封装结构中关键零件参数的选取进行了讨论。针对电阻阵列封装结构的传热进行分析，并与实验结果进行对比。最后，对比分析实验与仿真分析的结果，分析仿真误差来源，提供仿真分析模型的改进方向。
电阻阵封装结构：（a）测温点设置；（b）与陶瓷加热片结构；（c）示意图
本研究结果表明，热沉钼与陶瓷电极板的厚度均为2mm的情况下，加热功率在0~192.76W区间内，有限元仿真得到的温度与实测温度最大误差小于7.67%，引起误差的主要原因是封装结构件的体热阻及界面热阻随温度发生变化而仿真时采用恒定热阻，低功率下的误差来源则主要是封装外壳对内部零件的热辐射。结构能够在加热功率小于211.90W的工况下正常工作。在设计的100W稳定加热工况下，芯片衬底温度不高于101.9K，热应力为5.66MPa，满足设计要求。
上述研究第一作者为中国科学院上海技术物理研究所博士研究生孙权，研究方向为大功率器件封装。该项目获得中国科学院重点部署项目（ZDRW-CN-2019-3）、中国科学院青年创新促进会（No.2018274）的支持。
