下一代太空望远镜大面积、可独立寻址的微反射镜阵列的封装

　　1　引　言

　　用来替代哈勃望远镜的下一代太空望远镜(NGST)的开发和部署是美国航空与航天局(NASA)为推进宇宙探索的一个挑战性项目。和哈勃望远镜一样,NGST的首要任务是揭示宇宙中星系、星团及大尺度物质结构的起源。为获得恒星在星系中形成和吞没的信息,NAST上装配一个能覆盖0.6 ~5μm近红外波长区的多目标分光计(MOS)作为三个主要仪器之一。近红外MOS具有视场宽、能利用NGST的角分辨率任意选择目标、且具有较高的观察效率和光谱分辨率。

　　在大多数地面观测台MOS都是必要的观测设备,其上通常装配有狭缝掩模(一块在天体像位置开孔的不透明板)。鉴于打孔的狭缝掩模不适宜执行空间探索任务,因而目前考虑采用基于微电子机械系统(MEMS)的解决方案。

　　一个可行的MEMS解决方案包括制作可安装在NGST焦平面上作为成像MOS的狭缝掩模的大型可独立寻址微反射镜阵列,对微反射镜阵列(MMA)进行编程设计以形成单独的狭缝,并使其形状和面积适合不同的天体目标。与每个狭缝相对应的光谱会色散到红外探测器阵列上。作为NGST近红外MOS的焦平面光开关,MEMS方案需要尺寸大约为100μm的独立反射镜单元,整体阵列尺寸大于1800×1800单元,而且集成的CMOS的镜元驱动器电路与CMOS存储单元相似。另外,集成的MMA/CMOS芯片应该可以在30K温度下进行工作以解决仪器内部的热辐射,耗散功率小于35mW。为确保集成MEMS芯片的可靠生产,实际的设计需要构建完整的MEMS狭缝掩模,而不是尺寸至少为18cm×18cm的整块芯片,而是采用密堆积方式的2×2镶嵌模式组合的4块小芯片(每块尺寸为9cm×9cm)。这就需要对4块集成芯片进行可靠的互连、封装并且进行精确的排列、定位。

　　最近几年,MEMS技术发展迅速,并已广泛应用于汽车安全气囊传感器、生物医学探针和光电子器件的生产领域。由德州仪器(TI)开发的被称之为数字微反射镜器件(DWD)的现代化微镜反射阵列已成为TI数字光处理器(DLP)的一部分。微反射镜器件采用集成到CMOS存储芯片上的16μm×16μm铝镜。但遗憾的是,由于许多原因使该器件并不适合NGST的应用需求。这种小尺寸反射镜散射太多的光线,故不适宜作光学狭缝。该器件适于室温下的工作环境,而不适于NGST所需的低温工作环境。另外,TIDMD所采用的互连和封装技术,尤其是金丝焊及对陶瓷载体的印模粘附,都不适于制作NASA的狭缝掩模所用的大尺寸密堆积镶嵌结构。关于NASA的集成MMAS/CMOS芯片在其他文献中已有报道。

     　文中阐述了以致密堆积镶嵌结构粘附和排列的大规模MEMS芯片的一种封装方法。以下介绍了对封装的构想,然后为评估其可行性而设计的实验进行了讨论,最后给出了当温度降到40K时局部CTE失配对芯片变形所产生的影响的建模分析。