CN101226925B - 长线列红外探测器杜瓦组件的布线结构及其连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长线列红外焦平面探测器微型杜瓦组件的布线结构及其连接方法，它适用于对拼接式长线列红外焦平面探测器芯片的杜瓦封装。长线列红外焦平面探测器微型杜瓦组件的布线结构包括长线列红外探测器芯片、杜瓦的冷平台、两种通用的共用衬底。本发明通过在公用衬底上优化布线的方法来大幅度减少引出线的数量，从而大大降低了引线的热传导损失的冷量，降低了杜瓦组件的寄生热负载。

Description

长线列红外探测器杜瓦组件的布线结构及其连接方法
技术领域
本发明涉及红外探测器芯片封装技术，具体指一种长线列红外焦平面探测器微型杜瓦组件的优化布线结构及其连接方法，它适用于对拼接式长线列红外焦平面探测器芯片的杜瓦封装。
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。因而长线列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，长线列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长线列红外焦平面杜瓦组件。低的寄生热负载和长的真空寿命是杜瓦组件重要的技术指标。
对于长线列红外焦平面探测器的制造见专利200610027004.4，都采用多个子模块(子模块规模一般为小于300元)的拼接的方法实现。这些子模块在电学上是相互独立的，每个子模块的信号引线、工作脉冲引线、检测信号引线等都约有二十根左右。如果将它们全部引出，会有如下问题：1)大量的引线会导致杜瓦内引线热传导增加，也就使杜瓦组件的寄生热负载增加；2)大量的引线实施操作困难、维修检查困难，且容易出错；3)大量的引线很容易出现交叉，会引起脉冲信号地干扰，降低器件性能。
由于长线列红外焦平面杜瓦组件在航天、航空红外领域有着重要意义，国国内外对杜瓦组件内引线方法的报道较少。文献James H.Rutter，Jr G.ScottLibonate，Gence Robillard et a1，“Performance of the PV/PC HgCdTe FocalPlane/Dewar Assembly for the Atmospheric Sounder Instrument(AIRS)”，SPIEVOL.3457(1998)报道。美国于2002年发射成功的大气红外垂直探测仪(AIRS)采用了4482元红外焦平面探测器杜瓦组件，将所有模块的526根引线全部引出。为了526根引线能在杜瓦的冷平台上相互不干扰和交叉的布局，采用了多层深低温99氧化铝陶瓷的多层布线。其存在的缺点是大量的引线会导致杜瓦内引线热传导增加，也就使杜瓦组件的寄生热负载增加。专利200610118767.X多模块拼接长线列红外焦平面探测器的引线组件，它是将所有子模块的引线键合焊接到各自对应的短薄膜引线带上，然后这些短薄膜引线带同时通过电烙铁焊接到第一块PC印刷线路板上。PC印刷线路板再通过电烙铁焊接到长薄膜引线带上。最后长薄膜引线带再通过电烙铁焊接第二块PC印刷线路板上。薄膜引线材料采用的是聚酰亚胺基材料。第一块PC印刷线路板采用双层布线、并将各模块内容一致的引线合并引出。这种引线方式存在如下缺点：1)采用大量的聚酰亚胺基和PC印刷线路板材料。尤其是PC印刷线路板，其放气率比金属材料高3-4个数量级，不适合中高真空场合应用。2)引线的多次焊接过渡，而且第一块PC印刷线路板没有机械固定，使得探测器组件的可靠性大大降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种长线列红外探测器杜瓦组件的优化布线结构及其连接方法，来解决拼接式长线列红外焦平面探测器芯片的杜瓦封装中大量引线使得引线热传导增加，导致杜瓦寄生热负载增加的问题。
本发明的一种长线列红外探测器杜瓦组件的布线结构如附图1所示，它主要包括长线列红外探测器芯片1、杜瓦的冷平台2、甲种共用衬底4、乙种共用衬底5。长线列红外探测器芯片1由多个芯片子模块101在拼接平板102上拼接而成，拼接平板102由低膨胀的柯伐或殷钢制成，每个芯片子模块101都有电路引出端103。长线列红外探测器芯片1通过不锈钢螺钉固定在杜瓦的冷平台2；冷平台2采用膨胀系数与红外探测器芯片1和共用衬底4和5接近的柯伐或殷钢；甲种共用衬底4和乙种共用衬底5用低温胶胶接在杜瓦的冷平台2上，乙种共用衬底5用在长线列红外探测器芯片1上下交错拼接芯片子模块101的起始端，甲种共用衬底4用在上下交错拼接芯片子模块101的延伸段上，为防止甲种共用衬底4和乙种共用衬底5与杜瓦的冷平台2在深低温下由于膨胀系数差异产生的变形，在甲种共用衬底4和乙种共用衬底5之间留有0.1mm-0.4mm的伸缩缝6。在甲种共用衬底4和乙种共用衬底5上有引线电路3，引线电路3是通过在由蓝宝石或高抛光氮化铝制成的甲种共用衬底4和乙种公用衬底5上磁控或离子溅射或蒸发Cr/Au或Cr/Ni/Au形成金属层，然后将引线电路图案通过光刻和腐蚀而形成的，在引线电路3上有与长线列探测器芯片1的子模块101的电路引出端103一一对应的焊盘301。将探测器芯片1和带有引线电路3的甲种共用衬底4和乙种共用衬底5在冷平台2上按次序固定好后，将各个子模块101的电路引出端103通过超声键合工艺将硅铝丝7焊接到引线电路3的焊盘301上。引线电路3被收缩缝6隔断的在甲种共用衬底4和乙种共用衬底5的引线电路通过金丝球焊工艺由金丝8一一对应连接在一起。
引线电路3采用单层优化布线结构，其优化方法如下：
(1)将每个子模块101电路引出端103中同功能的合并为一根公用引线电路302。如复位脉冲(Reset)、采样脉冲1(Sh1)、采样脉冲2(Sh2)、开始脉冲(S tart)、运放偏置电压(Vbias)、时钟脉冲(Cp)、芯片偏置电压(Vb)、模拟信号电源(Vdd)和运放参考电压(Ref)；
(2)将同一子模块101电路引出端103中可以合并的引线合并为一根公用引线电路302。如芯片偏置电压(Vb)和运放参考电压(Ref)、数字信号电源(S ignVdd)和模拟信号电源(Vdd)、芯片偏置电压(Vb)和偏置电压(Vb)、模拟信号电源(Vdd)和模拟信号电源(Vdd)、数字信号地线(gnda)和模拟信号地线(gnd)。说明子模块101的引出端103中有多个芯片偏置电压(Vb)和多个模拟电源(Vdd)。
3)每个子模块101电路引出端103中有些不引出，如切换开关(S witch)；
4)多个子模块101电路引出端103中，只需要有一个模块的引出的，通过硅铝丝7跳过公用引线电路302后形成单独引线电路303，如移位寄存器输出(q)；
5)每个子模块101电路引出端103中，必须单独引出的，通过硅铝丝7跳过公用引线电路302后形成单独引线电路303，如积分前输出(Out1)、积分后输出(Out2)。
引线电路3在甲种共用衬底4和乙种共用衬底5上布置的方法如下：
A.公用引线电路302在甲种共用衬底4和乙种共用衬底5要求布置在靠近长线列探测器芯片1的一侧；
B.公用引线电路302的引出端布置在乙种共用衬底5上；
C.单独引线电路303的引出端布置在甲种共用衬底4上。
本发明有如下优点是：
1)优化设计后的引线电路既保证了长线列红外探测器可靠正常工作所需要的条件，同时又大大降低了杜瓦组件外引线的数量，有利于降低杜瓦寄生热负载；
2)在共用衬底上的引线电路采用单层平面布局，克服了多层布线在高速率温度冲击下引线容易开裂的缺点。另外也有利于检查和维护；
3)引线电路被分别布置在两种类型的共用衬底上。如果长线列红外焦平面探测器的光敏感元数量增加，只需要增加甲种共用衬底4的数量，然后与乙种共用衬底5组合就能很好的满足使用要求。具有高兼容性和通用性；
4)两种公用衬底之间设有伸缩缝，具有抗强温度冲击的能力，增加了引线电路的可靠性。
附图说明
图1为长线列红外探测器杜瓦组件的优化布线结构示意图；
图中：1-长线列探测器器件；
      101-长线列探测器器件子模块；
      102-长线列探测器器件的拼接平板；
      103-子模块的电路引出端；
      2-冷平台；
      3-引线电路；
      301-与子模块各引出端对应的键合焊盘；
      302-公用引线电路；
      303-单独引线电路；
      4-甲种共用衬底；
      5-乙种共用衬底；
   6-伸缩缝；
   7-硅铝丝；
   8-金丝。
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：
本实施例为长线列2000元(8个子模块)长线列红外探测器杜瓦组件的优化布线结构，如附图1所示，它的主要实施方法如下：
1)将带有子模块101和柯伐衬底102的长线列红外焦平面探测器器件1通过四个不锈钢螺钉安装在杜瓦组件的柯伐4J29的冷平台2上对应的位置。
2)甲种共用衬底4和乙种共用衬底5选用0.5mm厚度的蓝宝石片。在进行清洁处理φ45的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，再将优化合并的电路图案通过光刻和腐蚀在φ45宝石片上形成引线电路。在φ45的圆宝石片上可以分别形成甲种共用衬底4或乙种公用衬底5上的引线电路三块。再通过紫外激光加工切割形成完整的带引线电路3的甲种共用衬底4或乙种公用衬底5。在引线电路3上有与子模块各引出端103一一对应的键合焊盘端301、公用引线电路302和单独引线电路302；优化后生成的引线电路达到降低了引线数量的目的。在2000元长线列红外探测器杜瓦组件实施例中有8个子模块，每模块19根引线，共152根引线，将每个子模块101电路引出端103中同功能的复位脉冲(Reset)、采样脉冲1(Sh1)、采样脉冲2(Sh2)、开始脉冲(S tart)、运放偏置电压(Vbias)、时钟脉冲(Cp)、芯片偏置电压(Vb)、模拟信号电源(Vdd)和运放参考电压(Ref)分别合并为一根公用引线电路302。将同一子模块101电路引出端103中芯片偏置电压(Vb)和运放参考电压(Ref)合并、数字信号电源(S ignVdd)和模拟信号电源(Vdd)合并、芯片偏置电压(Vb)和芯片偏置电压(Vb)合并、模拟信号电源(Vdd)和模拟信号电源(Vdd)合并、数字信号地线(gnda)和模拟信号地线(gnd)合并；再将每个子模块101电路引出端103中切换开关(S witch)不引出；再将多个子模块101电路引出端103中，只需要有一个模块的引出的移位寄存器输出(q)，通过硅铝丝7跳过公用引线电路302后形成单独引线电路303；最后将每个子模块101电路引出端103中必须单独引出的积分前输出(Out1)、积分后输出(Out2)。通过硅铝丝7跳过公用引线电路302后形成单独引线电路303。至此经过优化合并后引线数为38根，从而大大降低了引线的热传导损失的冷量，降低了杜瓦组件的寄生热负载。
3)采用了带引线电路3的甲种共用衬底4和乙种共用衬底5两种类型的衬底形式，具有高兼容性和通用性。2000元(8个子模块)长线列红外探测器杜瓦组件需要在长线列红外焦平面探测器1的两边如图1分别放置甲种共用衬底4和乙种共用衬底5各一块；如果长线列红外探测器1变成12个子模块，只需要分别在长线列红外焦平面探测器1上下两侧的甲种共用衬底4和乙种共用衬底5之间再增加放置一块甲种共用衬底4；如果长线列红外探测器1变成16个子模块时，只需要分别在长线列红外焦平面探测器1上下两侧的甲种共用衬底4和乙种共用衬底5之间再增加放置一块甲种共用衬底4。以此累推，可以很方便的扩容。
4)根据长线列红外焦平面探测器1子模块的数量，将甲种共用衬底4和乙种共用衬底5按照一定的次序在冷平台2上组装起来，再通过低温胶DW-3胶接在冷平台2上，在各衬底之间预留0.2mm的伸缩缝6。
5)在甲种共用衬底4和乙种共用衬底5上的引线电路3被伸缩缝6隔断的引线通过金丝8用金丝球焊工艺一一对应连接起来。
6)通过硅铝丝7和超声键合工艺将子模块101引出端103和甲种共用衬底4和乙种共用衬底5上的引线电路3的键合焊盘301连接起来；
以上就完成了长线列红外探测器杜瓦组件的布线及其连接方法。

Claims (3)

1.一种长线列红外焦平面探测器微型杜瓦组件的布线结构，它包括长线列红外探测器芯片(1)、杜瓦的冷平台(2)、甲种共用衬底(4)、乙种共用衬底(5)，其特征在于：长线列红外探测器芯片(1)由多个芯片子模块(101)在拼接平板(102)上拼接而成，通过不锈钢螺钉固定在杜瓦的冷平台(2)；甲种共用衬底(4)和乙种共用衬底(5)用低温胶胶接在杜瓦的冷平台(2)上，乙种共用衬底(5)用在长线列红外探测器芯片(1)的上下交错拼接芯片子模块(101)的起始端，甲种共用衬底(4)用在长线列红外探测器芯片(1)的上下交错拼接芯片子模块(101)的延伸段上；
在甲种共用衬底(4)和乙种共用衬底(5)上有引线电路(3)，引线电路(3)是一种经过布线优化的单层结构的引线电路，其布线优化的方法如下：
A.将每个子模块(101)电路引出端(103)中同功能的合并为一根公用引线电路(302)，这些同功能的电路引出端(103)是复位脉冲Reset、采样脉冲Sh1、采样脉冲Sh2、开始脉冲S tart、运放偏置电压Vbias、时钟脉冲Cp、芯片偏置电压Vb、模拟信号电源Vdd和运放参考电压Ref；
B.将同一子模块(101)电路引出端(103)中可以合并的引线合并为一根公用引线电路(302)，这些可以合并的电路引出端(103)是芯片偏置电压Vb和运放参考电压Ref、数字信号电源S ignVdd和模拟信号电源Vdd、芯片偏置电压Vb和芯片偏置电压Vb、模拟信号电源Vdd和模拟信号电源Vdd、数字信号地线gnda和模拟信号地线gnd，以及说明子模块(101)的引出端(103)中有多个芯片偏置电压Vb和多个模拟电源Vdd；
C.每个子模块(101)电路引出端(103)中切换开关S witch不引出；
D.多个子模块(101)电路引出端(103)中，只需要有一个模块引出的移位寄存器输出q通过硅铝丝(7)跳过公用引线电路(302)后形成单独引线电路(303)；
E.每个子模块(101)电路引出端(103)中，必须单独引出的积分前输出Out1、积分后输出Out2通过硅铝丝(7)跳过公用引线电路(302)后形成单独引线电路(303)；
引线电路(3)中的公用引线电路(302)和单独引线电路(303)在甲种共用衬底(4)和乙种共用衬底(5)上布置的方法如下：
A.公用引线电路(302)布置在甲种共用衬底(4)和乙种共用衬底(5)上靠近长线列探测器芯片(1)的一侧；
B.公用引线电路(302)的引出端布置在乙种共用衬底(5)上；
C.单独引线电路(303)的引出端布置在甲种共用衬底(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种长线列红外焦平面探测器杜瓦组件的布线结构，其特征在于：所说的冷平台(2)采用膨胀系数与红外探测器芯片(1)、甲种共用衬底(4)和乙种共用衬底(5)接近的柯伐或殷钢材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种长线列红外焦平面探测器杜瓦组件的布线结构，其特征在于：所说的甲种共用衬底(4)和乙种共用衬底(5)由蓝宝石或高抛光氮化铝制成，胶接在冷平台(2)上后，甲种共用衬底(4)和乙种共用衬底(5)之间留有0.1mm至0.4mm的伸缩缝(6)，被伸缩缝(6)隔断的引线电路通过金丝球焊工艺由金丝(8)一一对应连接在一起。
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