CN100593854C - 大面阵红外探测器在冷平台上的组装结构及其组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大面阵红外焦平面探测器在冷平台上的组装结构及其组装方法，它适用于对大面阵红外焦平面探测器芯片的杜瓦封装。大面阵红外焦平面探测器在微型杜瓦的冷平台上的组装结构包括大面阵红外探测器芯片、基板衬底、微型杜瓦的冷平台、引线电路、滤光片支架、滤光片、由两类共用圆筒组成的冷屏、硅铝丝。本发明通过在基板衬底、滤光片支架和冷屏制备和连接上引入特定的处理方法，来实现了大面阵红外焦平面探测器在微型杜瓦的冷平台上的组装结构，本发明降低了微型杜瓦的冷平台的热容量，缩短了降温时间，同时也有效的抑制了杂散光和降低了微型杜瓦组件的寄生热负载。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器芯片封装技术，具体指一种大面阵红外焦平面探测器在微型杜瓦的冷平台上的组装结构及其组装方法，它适用于大面阵红外焦平面探测器芯片的微型杜瓦封装。
背景技术
高空间分辨率红外遥感仪器是红外预警、搜索、跟踪系统的核心部件。提高空间分辨率的方法一般有两种，一是提高红外探测器的光电性能，提高探测灵敏度，以获取更多信息；二是增加红外敏感元数量，即在相同高度、相同刈幅的遥感仪器，敏感元越多，其空间分辨越高。因而大面阵红外焦平面组件制备技术在航天、航空红外领域有着重要意义。随着波长向长波扩展和探测灵敏度的提高，大面阵红外焦平面探测器必须在深低温下才能工作。由于机械制冷具有结构紧凑、体积小、重量轻、制冷量大、制冷时间短、制冷温度可控范围大等优点，目前该类探测器在空间应用中大多采用机械制冷方式。这样也使得其应用时大多采用杜瓦封装形成大面阵红外焦平面杜瓦组件。
为了快捷灵敏的搜索、跟踪目标，要求红外焦平面探测器组件能迅速降到工作温度点后开始工作。而且大面阵红外焦平面探测器一般都带有较大滤光片及其支撑，同时为了降低背景噪声，提高探测器性能还带有冷屏。带滤光片和冷屏的大面阵红外焦平面探测器的热容量直接关系到红外焦平面探测器组件的降温时间。
由于大面阵红外焦平面杜瓦组件在航天、航空红外领域的重要意义，关于大面阵红外焦平面在微型杜瓦内组装结构介绍比较少。中国专利的一种用于红外焦平面探测器的微型低温金属杜瓦(专利号200520043286.8)中，采用的方案是微型滤光片胶接在冷屏上，再通过了螺钉固定在杜瓦的冷头上。其优点为结构简单，冷屏既是安装微型滤光片的支撑架，也为芯片提供一冷背景。但其应用到大面阵红外焦平面探测器上，会存在如下问题：1)对有效视场外和经光学镜筒反射的杂散光的抑制效果较差；2)采用螺钉固定结构，使得杜瓦的冷平台质量偏重，增加杜瓦的热容量，影响降温时间；3)当红外光学系统的出筒的位置与探测器的光敏元之间的距离较远时，这种结构很难同时满足滤光片的低温和光学距离的要求。根据James Rutter，Dave Jungkman，James Stobie，et.al，“A multispectral Hybrid HgCdTe FPA/Dewar Assembly for Remote Sensing inthe Atmospheric Sounder(Airs)”，SPIE.Vol.2817.pp200-213文献报告，其滤光片安装在一个支架，同时再安装单筒冷屏。它们都是通过螺钉机械固定的方式安装在杜瓦的冷平台上。其的优点是可以安装多个通道的微型滤光片，但同样存在中国专利200520043286.8所述的前两个问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种大面阵红外焦平面探测器在微型冷平台上的组装结构及其组装方法，来解决大面阵红外焦平面探测器芯片的微型杜瓦封装中热容量大导致降温时间长和杂散光有效的抑制的问题。
本发明一种大面阵红外焦平面探测器在微型冷平台上的组装结构如附图1所示，它主要包括大面阵红外探测器芯片1、基板衬底2、微型杜瓦的冷平台3、引线电路4、滤光片支架5、滤光片6、冷屏7、硅铝丝8。大面阵红外探测器芯片1由光敏元101和读出电路模块102通过直接倒焊而成，读出电路模块102有电路引出端103；基板衬底2采用与红外探测器芯片1的读出电路模块102和柯伐或殷钢材质的微型杜瓦的冷平台3相配的蓝宝石或高抛光氮化铝；基板衬底2有引线电路4；引线电路4上有与大面阵红外探测器芯片1的读出电路模块102的电路引出端103一一对应的焊盘401。滤光片支架5的原始基料为厚度为0.2mm-0.5mm柯伐材质的板片，先通过900℃、保持2小时的真空处理后，通过冲剪工艺形成所需要图形(如附图2所示)，其包括通光口501和安装插脚卡口502(插脚卡口尺寸具体尺寸如下：安装插脚卡口502的卡口的宽δ1和安装插脚卡口502的卡口的长δ2为0.1mm-0.3mm，安装插脚卡口502的插脚的宽D选用比基板衬底2厚度大0.02mm-0.05mm，安装插脚卡口502的插脚的长L为1.5mm-2mm)，再通过冲压沿虚线向同一方向弯曲90°成“门”型，然后通过液氮浸埋工艺来释放应力，最后在将其表面处理成黑色；冷屏7由多个共用甲种圆筒701和一个共用乙种圆筒702按一定次序组成，共用乙种圆筒702放置在冷屏的下部分，在共用乙种圆筒702之上根据需要放置不同数量的共用甲种圆筒701。这两类圆筒之间通过激光焊接形成冷屏7。这两种类型圆筒均为薄壁件，薄厚为0.15mm-0.3mm。共用甲种圆筒701和共用乙种圆筒702上都预留满足光学要求的通光孔703。共用乙种圆筒702上预先加工出安装插脚卡口704(说明：安装插脚结构与滤光片支架插脚结构类似，其所有尺寸按弧长设计)。所有的共用甲种圆筒701和共用乙种圆筒702的内表面处理成黑色，外表面镜面抛光处理。
本发明的组装结构的实现方法如下：
(1)通过激光加工方法，在带有引线电路4的基板衬底2上加工出滤光片支架安装槽201和冷屏安装槽202；槽的宽度分别比滤光片支架对应尺寸和冷屏对应尺寸大0.02mm-0.05mm。槽的长度分别比滤光片支架对应尺寸和冷屏对应尺寸为大0.1mm-0.3mm，以保证插脚卡口可以通过。
(2)将大面阵红外探测器芯片1胶接在基板衬底2对应的位置上，并通过硅铝丝8和超声键合工艺将大面阵红外探测器芯片1的读出电路模块102的引出端103与引线电路4上的焊盘401连接起来；
(3)将红外滤光片6胶接滤光片支架相应的位置后，插入基板衬底2的滤光片安装槽201后，再平推0.1mm-0.3mm固定好(安装好的插脚卡口结构见附图3所示)，用低温胶将安装槽201中的间隙填实固封；
(4)将激光焊接好的冷屏7插入基板衬底2的冷屏安装槽202后，再旋转平推0.1mm-0.3mm固定好，用低温胶将安装槽202中的间隙填实固封；
(5)将组装完成的组件用低温胶胶接在冷平台3上。
以上完成了本发明的一种大面阵红外焦平面探测器在微型冷平台上的组装。
本发明有如下优点是：
1)结构简单，操作方便；
2)滤光片支架和冷屏都为薄壁，质量很轻；另外采用插脚固定形式，克服了传统螺纹固定形式，使得微型杜瓦的冷平台尺寸较小，这两点都减轻了微型杜瓦的冷平台支撑结构的力学负载，更重要的是大大降低了热容量，有利于缩短微型杜瓦的降温时间；
3)采用滤光片支架和冷屏分开的形式，微型滤光片可以更加靠近探测器芯片，有利于降低背景辐射，提高探测器性能。另外滤光片靠近探测器芯片可以减少滤光片大小；
4)冷屏采用了多个圆筒的形式，有效的抑制了视场外和经光学镜筒反射的杂散光。同时这种结构有着辐射换热中多屏效应，降低了微型杜瓦组件的热辐射量，有利于降低微型杜瓦的寄生热负载；
5)冷屏由两种类型圆筒按一定的次序组装后激光焊接而成，当红外光学系统出筒的位置与探测器光敏面元的距离加长时，只需要增加共用甲种圆筒701的数量后与共用乙种圆筒702组合焊接起来，就能很好的满足使用要求。具有高兼容性和通用性；
6)滤光片支架和冷屏与基板衬底的固定采用插脚卡口结构，具有抗强温度冲击的能力，增加了组装结构的可靠性。
附图说明
图1为一种大面阵红外焦平面探测器在微型杜瓦的冷平台上的组装结构示意；
图中：1-大面阵红外探测器芯片；
101-红外探测器的光敏元；
102-红外探测器的读出电路模块；
103-读出电路模块的电路引出端；
2-基板衬底；
201-基板衬底上的滤光片支架安装槽；
202-基板衬底上的冷屏安装槽；
3-冷平台；
4-引线电路；
401-与读出电路模块引出端对应的焊盘
5-滤光片支架；
501-通光口；
502-安装插脚卡口
6-滤光片；
7-冷屏；
701-共用甲种圆筒；
702-共用乙种圆筒；
703-通光孔；
704-共用乙种圆筒的插脚卡口；
8-硅铝丝。
图2滤光片支架冲剪成型示意图。
图3安装好的插脚卡口结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图于实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
本实施例为320×240面阵红外探测器在冷平台上的组装结构，如附图1所示，它的主要实施方法如下：
(1)将光敏元101和读出电路模块102通过直接倒焊而成红外探测器芯片1。读出电路102的电路引出端103在读出电路模块102的两侧边缘布置。
(2)基板衬底2采用ф21.7mm厚度为0.6mm的蓝宝石片。在清洁处理后ф21.7mm圆宝石片上先离子溅射厚度为300A的Cr膜，然后溅射Au使该金属层的厚度到达1μm，再将设计好的引线电路图案通过光刻和腐蚀在宝石片上形成引线电路4。引线电路4上有与大面阵红外探测器芯片1的读出电路模块102的电路引出端103一一对应的焊盘401；
(3)通过紫外激光加工方法，在带有引线电路4的基板衬底2上加工出滤光片支架安装槽201和冷屏安装槽202；槽的宽度为0.25mm，安装槽201槽的长度为2.05mm，冷屏安装槽202的长度为1.55mm；
(4)将大面阵红外探测器芯片1胶接在基板衬底2对应的位置上，并通过硅铝丝8和超声键合工艺将大面阵红外探测器芯片1的读出电路模块102的引出端103与引线电路4上的焊盘401连接起来。然后将带大面阵红外探测器芯片1的基板衬底2胶接在微型杜瓦的冷平台3上；
(5)滤光片支架5选用与红外滤光片常用材质膨胀系数比较接近的柯伐。滤光片支架5的原始基料为厚度为0.2mm的板片，先通过如下条件：900℃、保持2小时、真空度优于5×10-3Pa的真空处理，使其由硬态变为软态，增加其的可塑性。然后通过冲剪工艺形成所需要图形(如图2所示)，其包括通光口501和安装插脚卡口502(具体尺寸如下：安装插脚卡口502的卡口的宽δ1和安装插脚卡口502的卡口的长δ2为0.2mm，安装插脚卡口502的插脚的宽D选用为0.65mm，安装插脚卡口502的插脚的长L为2mm)，再通过冲压沿虚线向同一方向弯曲90°成“门”型，再通过液氮浸埋5分种工艺来释放应力，最后在将其表面通过电镀黑镍工艺形成黑色；
(6)先机械加工出柯伐材质的共用甲种圆筒701和共用乙种圆筒702，这两种类型的圆筒为薄壁件，厚度为0.2mm。共用甲种圆筒701和共用乙种圆筒702上都预留满足光学要求的通光孔703。共用乙种圆筒702上预先加工出安装插脚卡口704((插脚卡口尺寸具体尺寸如下：安装插脚卡口704的卡口的宽δ1和安装插脚卡口704的卡口的长δ2为0.2mm，安装插脚卡口704的插脚的宽D选用比基板衬底(2)厚度大0.655mm，安装插脚卡口704的插脚的弧长L为1.5)。再将对共用甲种圆筒701和共用乙种圆筒702的进行电镀黑镍使其表面为黑色，再将它们安装在专用夹具上对它们的外表面进行镜面抛光，最后再通过激光焊接连接起来。
(7)将红外滤光片6胶接滤光片支架5相应的位置后，插入基板衬底2的滤光片安装槽201后，再平推0.2mm固定好。最后在滤光片支架5的安装插脚卡口502与基板衬底2的滤光片支架安装槽201之间的间隙内填满DW-3低温胶，来防止受力松动；
(8)将冷屏7插入基板衬底2的冷屏安装槽202后，再旋转平推0.2mm固定好。最后在冷屏7的安装插脚卡口704与基板衬底2的冷屏安装槽202之间的间隙内填满DW-3低温胶，来防止受力松动；
以上完成了本发明的大面阵红外探测器在微型杜瓦的冷平台上的组装结构及其组装。
Claims (5)
1.一种大面阵红外焦平面探测器在冷平台上的组装结构，包括大面阵红外探测器芯片(1)、基板衬底(2)、微型杜瓦的冷平台(3)、引线电路(4)、滤光片支架(5)、滤光片(6)、冷屏(7)和硅铝丝(8)，其特征在于：
A.大面阵红外探测器芯片(1)通过低温胶与基板衬底(2)胶合在一起，基板衬底(2)通过低温胶与微型杜瓦的冷平台(3)胶合在一起；
B.滤光片支架(5)与基板衬底(2)之间通过滤光片支架安装槽(201)与安装插脚卡(502)进行联结固定；
C.冷屏(7)由多个共用甲种圆筒(701)和一个共用乙种圆筒(702)按一定次序组成，共用乙种圆筒(702)放置在冷屏的下部分，在共用乙种圆筒(702)之上根据需要放置不同数量的共用甲种圆筒(701)；共用甲种圆筒(701)和共用乙种圆筒(702)均是柯伐材质的薄壁件，上面都预留满足光学要求的通光孔(703)，所有的共用甲种圆筒(701)和共用乙种圆筒(702)的内表面处理成黑色，外表面镜面抛光处理；共用甲种圆筒(701)和共用乙种圆筒(702)之间通过激光焊接连接在一起；
D.冷屏(7)与基板衬底(2)之间通过冷屏安装槽(202)与共用乙种圆筒的插脚卡口(704)进行联结固定；
E.引线电路(4)制作在基板衬底(2)上，设置有与读出电路模块(102)引出端(103)对应的焊盘，大面阵红外探测器芯片(1)的读出电路模块(102)的电路引出端(103)通过硅铝丝(8)与这些焊盘相连。
2.根据权利要求1所述的一种大面阵红外焦平面探测器在冷平台上的组装结构，其特征在于：所说的基板衬底(2)的材料是蓝宝石或高抛光氮化铝，其上的滤光片支架安装槽(201)和冷屏安装槽(202)由激光加工而成，槽的宽度分别比滤光片支架(5)对应尺寸和冷屏(7)对应尺寸大0.02mm-0.05mm，槽的长度分别比滤光片支架(5)对应尺寸和冷屏(7)对应尺寸为大0.1mm-0.3mm。
3.根据权利要求1所述的一种大面阵红外焦平面探测器在冷平台上的组装结构，其特征在于：所说的滤光片支架(5)采用厚度为0.2mm-0.5mm柯伐材质的板片，安装插脚卡口(502)尺寸具体尺寸如下：安装插脚卡口(502)的卡口的宽δ1和安装插脚卡口(502)的卡口的长δ2为0.1mm-0.3mm，安装插脚卡口(502)的插脚的宽D选用比基板衬底(2)厚度大0.02mm-0.05mm，安装插脚卡口(502)的插脚的长L为1.5mm-2mm。
4.根据权利要求1所述的一种大面阵红外焦平面探测器在冷平台上的组装结构，其特征在于：所说的滤光片(6)用低温胶胶接在滤光片支架(5)上的通光口(501)位置上。
5.根据权利要求1所述的一种大面阵红外焦平面探测器在冷平台上的组装结构，其特征在于：所说的冷屏(7)的共用甲种圆筒(701)和共用乙种圆筒(702)均是柯伐材质的薄壁件，壁厚均为0.15mm-0.3mm，共用乙种圆筒(702)上加工有安装插脚卡口(704)，具体尺寸为：安装插脚卡口(704)的卡口的宽δ1和安装插脚卡口(704)的卡口的长δ2为0.1mm-0.3mm，安装插脚卡口(704)的插脚的宽D选用比基板衬底(2)厚度大0.02mm-0.05mm，安装插脚卡口(704)的插脚的弧长L为1.5mm-2mm。
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |