在红外探测器研制领域，随着红外材料生长技术、芯片制造技术和微电子技术的飞速发展，红外焦平面探测器在性能、规模等方面取得了巨大的成就。红外焦平面探测器在空间遥感、军事领域的成功应用而受到各国的重视。在诸多类型的红外焦平面探测器技术发展中，混成结构碲镉汞红外焦平面探测器是最成功的主流技术。目前，国内碲镉汞红外焦平面技术水平与国际先进水平还存在较大差距，尤其是在一些工程应用的可靠性关键技术方面。为了提高我国碲镉汞红外焦平面工程化应用水平，缩短与国际先进水平的差距，建立与我国自身技术路线和技术特点相适应的探测器可靠性设计平台是非常有必要的。本论文围绕混成结构的碲镉汞红外焦平面探测器，以解决探测器结构热失配导致的可靠性问题为目标，研究适用于探测器封装结构热失配分析的表征方法和模型，对我国长线列、大面阵碲镉汞红外焦平面封装结构进行优化设计；其主要内容如下：1.进行了红外焦平面探测器封装结构低温形变的研究。设计了一种能够在稳定低温环境下对碲镉汞红外焦平面探测器封装结构低温热失配形变测量的方法。通过对实际封装结构低温形变的测量，并与理论计算结果进行比较，验证了测量方法的合理性。利用该方法对焦平面器件充胶前后、不同批次多个数量充胶后焦平面器件低温形变进行了测量，获得的大量实测数据，为进一步优化结构设计提供了重要依据。2.开展了焦平面封装用低温环氧胶改性研究。对焦平面封装用的DW-3低温环氧胶，通过掺入Al2O3纳米粉填料进行改性。研究了不同粒径、不同质量分数的Al2O3纳米粉对DW-3低温环氧胶平均线膨胀系数的改性效果。成功制备了Al2O3纳米粉分散好、质量分数在2%～8%之间，流动性好，平均线膨胀系数小于原胶的改性胶样品。3.开展了焦平面封装相关材料参数实验及低温循环研究。设计了一种在77K～300K温度范围内间接测量材料热膨胀系数的方法，获得了红外焦平面封装相关材料的热膨胀系数、弹性模量、泊松比等关键材料参数；对焦平面器件涉及的多层材料结构在多次高低温循环后的形变行为进行了研究；获得的材料参数和实验现象为焦平面结构、工艺设计提供了重要的参考数据。4.开展了应力对碲镉汞红外探测器件性能影响的研究。设计了一种对碲镉汞器件芯片施加应力的装置，对不同大小张、压应力应变情况下，器件性能变化关系进行了研究。在一定应力水平范围内，压应力会增加器件表面、结区的缺陷密度，增大陷阱辅助隧穿电流；张应力对陷阱辅助隧穿电流影响较小，不同性质应力作用时，器件性能具有一定的恢复性；证明了芯片边缘应力水平高，不利于器件可靠性的问题，为后续分析线列两端、面阵焦平面边与四角处失效元集中现象提供了依据，也为器件结构应力设计提供了参考。5.碲镉汞线列红外焦平面探测器结构优化设计。建立了直接倒焊、间接倒焊结构形式的线列红外焦平面器件分析模型；对封装结构形式、各层材料结构尺寸、基板材料参数与探测器结构热应力、低温形变关系进行了分析；研究总结了两种线列焦平面器件封装结构设计的特点，进行了相应的优化设计和实验验证，证明了设计模型与设计参数的正确性，成功地应用于实际器件研制，获得良好效果。6.对碲镉汞大面阵红外焦平面探测器进行了结构优化设计。建立了面阵红外焦平面器件的一般结构分析模型，分别对Si基衬底外延碲镉汞、GaAs基衬底外延碲镉汞二种主要的材料研制的面阵焦平面探测器在低温下的热应力分布等进行了详细研究，分析了各层材料结构尺寸、基板材料参数、冷平台封装等因素与探测器低温应力、应力分布及形变的关系。针对不同衬底类型面阵探测器低温热失配情况，相应的进行了优化设计和实验验证，证明了设计模型与设计参数的正确性。有效地解决了面阵探测器边、四角区域热应变过大、失效元集中，以及低温环境下易失效的问题，实验数据为两种衬底类型面阵焦平面探测器的结构设计提供了重要依据。取得的部分研究成果已应用于工程器件研制中。