CN102637764A - 一种组合式的深低温工作的探测器封装结构及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合式的深低温工作的探测器封装结构及制作方法，该结构不仅能够在室温下使用，在深低温下也能实现探测器的密封封装。封装结构包括管壳底、导热膜、陶瓷电极板、密封环、管帽座、管帽及连接螺杆。各零部件通过连接螺杆连接，连接处通过软金属或环氧胶实现密封，因此可以方便的实现封装结构的组合与分离，同时可以实现气密密封。

Description

一种组合式的深低温工作的探测器封装结构及制作方法
技术领域
本发明公开了一种光电探测器的封装结构，特别是一种用于深低温工况下能保持密封的封装结构及制作方法。
背景技术
有些探测器需要在深低温下工作，如采用碲镉汞材料制备的长波红外探测器。这类探测器通常具有特殊的用途，生产成本高，难以进行大批量模式的生产，在生产和使用过程中有时需要将安装在封装结构内的探测器进行替换。
深低温工作还带来了另外一个问题，就是探测器的封装结构，特别是当探测器的引出线较多时。目前常见的封装结构有绝缘子烧结金属针脚的金属结构、陶瓷结构、塑封结构、金属-陶瓷混合结构等。深低温下塑封结构极容易被冻裂而失效，因此无法使用；由于热失配问题的存在，金属-陶瓷混合结构在深低温下常常发生陶瓷微裂纹的出现而导致封装失效；同样是热失配问题，金属结构的绝缘子也会出现裂纹，而引起封装结构的漏气失效。
在实际应用中，为解决以上问题采取了各种新工艺和新技术，如低温陶瓷、金属-瓷环结构等。这些方法的共同特点是成品率低、成本高、工艺复杂。本发明提出了一种新的封装结构，该结构可以很好的在深低温下工作，可以方便拆卸以更换探测器或零部件。
发明内容
本发明的目的是提供一种灵活组合与拆卸的封装结构，该结构不仅可以在室温下工作，还可以在深低温下正常工作。有效解决了以下几个问题：第一红外探测器密封封装后无法拆卸，或者即使可以拆卸但是一种破坏性的拆解的问题。第二该结构的电极板是采用陶瓷加工制备的，可以实现高密度的引线。第三陶瓷和金属之间采用可动连接，不会在连接处产生比较大的应力，因此可以承受室温到60K深低温的温度变化。
本专利的组合式深低温工作的探测器封装结构如图1所示。它主要包括管壳底1、导热膜2、陶瓷电极板3、密封环4、管帽座5、管帽6和螺杆7。管壳底1选用低膨胀系数的合金金属，如柯伐，上面加工4个圆周均布、对称的沉孔101；安装面102为封装结构的安装面，导热面103做磨平、抛光处理。导热膜2选用热导率较高的软金属，这类金属包括铜箔、银箔、铟箔等，导热膜2上制作4个圆周均布、对称的通孔201。陶瓷电极板3的内电极301与外电极302通过多层布线工艺连接在一起。电极焊接面305上有一环形槽303，其作用是提高结构的整体密封性，陶瓷电极板3上制作4个圆周均布、对称的通孔304。密封环4选用金属材料加工制作，软金属有助于提高结构的密封性和装配成品率，本专利选用铟作为密封环4的材料，密封环4上制作4个圆周均布、对称的通孔401。管帽座5选用低膨胀系数的合金金属，如柯伐，靠近陶瓷电极板4的面503上加工4个圆周均布、对称的螺纹孔501，面502与管帽6连接密封。
如附图1所示，将管壳底1、导热膜2、陶瓷电极板3、密封环4和管帽座5按顺序放好，管壳底1的沉孔101、导热膜2的通孔201、陶瓷电极板3的通孔304、密封环4的通孔401和管帽座5的螺纹孔501的沿轴线对应放置。导热面103与导热膜2的一个面接触，陶瓷电极板3的电极焊接面305与密封环4的一个面相接触。然后4只螺杆7通过这些孔和螺纹孔固定在一起。控制施加在螺杆7上的力矩，使导热膜2和密封环4受力挤压变形。导热膜2填充导热面103和面306之间的空隙，减小管壳底1和陶瓷电极板3的热阻。密封环4填充环形槽303和面503间的空隙，减小陶瓷电极板3和管帽座5的热阻，同时使陶瓷电极板3与管帽座5的相邻面305和503达到密封的效果。这样就完成了封装结构的外壳，配合适用的工艺和管帽就可以实现完整的封装结构。封装完成后，当某一零部件出现问题需要更换或需要检查分析时，松下螺杆7，就可以轻松的将管壳底1、导热膜2、陶瓷电极板3、密封环4和管帽座5分离。需要再次组装时，只需要更换密封环4，然后按照上述步骤就可以完成。
本发明的优点在于：采用本发明的方案制作的封装结构，其结构的密封性可以达到国军标548B-2005的漏率要求，结构在80K的深低温下无异常，经过室温到80K的温度冲击后也无异常。
附图说明
图1是封装结构的整体示意图。
图2是管壳底的结构示意图。
图3是导热膜的结构示意图。
图4是陶瓷电极板的结构示意图。
图5是密封环的结构示意图。
图6是管帽座的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
1.各零部件的制作与准备
a)管壳底1选用低膨胀系数的合金金属，如柯伐，上面加工4个圆周均布、对称的沉孔101。加工完成后其厚度为2.0mm～8.0mm，沉孔101的通孔直径2.0mm～2.5mm、深度大于1.0mm，扩大的孔直径3.2mm～5.0mm、深度大于1.2mm。导热面103的粗糙度优于0.8μm。
b)导热膜2选用热导率较高的软金属，如铜箔、银箔、铟箔等，金属箔的厚度0.05mm～0.50mm。4个圆周均布、对称的通孔201的直径2.0mm～2.5mm。使用前导热膜的表面要去除氧化膜，使表面光洁、平整。
c)陶瓷电极板3采用薄膜或厚膜工艺制作多层布线，根据芯片结构和封装结构的使用要求确定内电极301与外电极302的连接关系。环形槽303的宽度0.5mm～5.0mm，自环形槽303向内、外各0.5mm范围内不得有裸露的电极线。通孔304的直径2.5mm～3.0mm，且比环形槽303的宽度至少小1.5mm。环形槽的深度0.1mm～0.3mm
d)密封环4用铟箔制作，厚度0.2mm～0.5mm，且厚度比环形槽的深度至少厚0.1mm。通孔401的直径2.0mm～2.5mm。
e)管帽座5选用低膨胀系数的合金金属，如柯伐。在面503上加工4个圆周均布、对称的M1.6～M2.0的螺纹孔501.面502可根据管帽6的结构确定。
f)螺杆7选用M1.6～M2.0的螺杆
2.装配及密封工艺
首先将管帽座5放置在一个平面上，螺纹孔501朝上，接下来以螺纹孔501和各零部件的通孔401、304、201及101为对准标记，依次安放密封环4、陶瓷电极板3、导热膜2和管壳底1。最后用螺杆7穿过各个通孔与螺纹孔501连接。按照对角线慢慢旋紧4个螺杆7，设定旋紧力矩不小于3cN.m。这样就完成了外壳的结构。设置合适的力矩值可以实现外壳的内腔密封度。管帽座5与管帽6的密封工艺可以是平行缝焊、激光焊、钎焊等常见工艺。反向操作上述步骤就可以分离各个零件。

Claims (2)

1.一种组合式的深低温工作的探测器封装结构，它包括管壳底(1)、导热膜(2)、陶瓷电极板(3)、密封环(4)、管帽座(5)、管帽(6)和螺杆(7)，其特征在于：
所述的管壳底(1)采用低膨胀系数的合金金属柯伐，其安装面(102)上有4个圆周均布、对称的沉孔(101)，导热面(103)经磨平和抛光处理；
所述的导热膜(2)为热导率高的铜、银或铟软金属箔片，其上有4个圆周均布、对称的通孔(201)；
所述的陶瓷电极板(3)的内电极(301)与外电极(302)通过多层布线工艺连接在一起，电极焊接面(305)上有一用于提高结构的整体密封性的环形槽(303)，陶瓷电极板(3)上还有4个圆周均布、对称的通孔(304)；
所述的密封环(4)采用铟金属材料，在密封环上制作有4个圆周均布、对称的通孔(401)；
所述的管帽座(5)采用低膨胀系数的合金金属柯伐，靠近陶瓷电极板(4)的面(503)上有4个圆周均布、对称的螺纹孔(501)；
所述的探测器封装结构为：在管壳底(1)上依次为导热膜(2)、陶瓷电极板(3)、密封环(4)和管帽座(5)，螺杆(7)通过管壳底(1)的沉孔(101)、导热膜(2)的通孔(201)、陶瓷电极板(3)的通孔(304)、密封环(4)的通孔(401)和管帽座(5)的螺纹孔(501)的孔将这些零件固定在一起；控制施加在螺杆(7)上的力矩，使导热膜(2)和密封环(4)受力挤压变形，使导热膜(2)填充导热面(103)和面(306)之间的空隙，减小管壳底(1)和陶瓷电极板(3)的热阻，使密封环(4)填充环形槽(303)和面(503)间的空隙，减小陶瓷电极板(3)和管帽座(5)的热阻，使陶瓷电极板(3)与管帽座(5)的相邻面(305)和(503)达到密封的效果；最后管帽座(5)上密封连接管帽(6)形成一完整的封装结构。
2.一种如权利要求1所述结构的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
1).零部件的制作与准备
a)在管壳底(1)上面加工4个圆周均布、对称的沉孔(101)，加工完成后其厚度为2.0mm～8.0mm，沉孔(101)的通孔直径2.0mm～2.5mm、深度大于1.0mm，扩大的孔直径3.2mm～5.0mm、深度大于1.2mm，导热面(103)的粗糙度优于0.8μm；
b)导热膜(2)选用热导率较高的软金属，如铜箔、银箔、铟箔，金属箔的厚度0.05mm～0.50mm；4个圆周均布、对称的通孔(201)的直径2.0mm～2.5mm，使用前导热膜的表面要去除氧化膜，使表面光洁、平整；
c)陶瓷电极板(3)采用薄膜或厚膜工艺制作多层布线，根据芯片结构和封装结构的使用要求确定内电极(301)与外电极(302)的连接关系，环形槽(303)的宽度0.5mm～5.0mm，自环形槽(303)向内、外各0.5mm范围内不得有裸露的电极线，通孔(304)的直径2.5mm～3.0mm，且比环形槽(303)的宽度至少小1.5mm，环形槽的深度0.1mm～0.3mm；
d)密封环(4)用铟箔制作，厚度0.2mm～0.5mm，且厚度比环形槽的深度至少厚0.1mm，通孔401的直径2.0mm～2.5mm；
e)在管帽座(5)的面(503)上加工4个圆周均布、对称的M1.6～M2.0的螺纹孔(501.)；
2).装配及密封工艺
首先将管帽座(5)放置在一个平面上，螺纹孔(501)朝上，接下来以螺纹孔(501)和各零部件的通孔为对准标记，依次安放密封环(4)、陶瓷电极板(3)、导热膜(2)和管壳底(1)，最后用螺杆(7)穿过各个通孔与螺纹孔(501)连接，按照对角线慢慢旋紧4个螺杆(7)，设定旋紧力矩不小于3cN.m；管帽座(5)与管帽(6)通过平行缝焊、激光焊、钎焊常见密封工艺连接，从而完成外壳结构的装配。
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