CN102928088B - 一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种封装在杜瓦内的高精度装配的多透镜深低温红外探测器管壳结构。它适用于红外焦平面探测器杜瓦内带多个冷光学元件的深低温管壳封装技术。多透镜深低温红外探测器管壳结构包括探测器芯片、电极引线电路基板、多个透镜、滤光片、支撑管壳、压环式冷屏、芯片及引线硅铝丝等。本发明通过激光定位钻孔、嵌套压环式冷屏、特种合金的整体支撑管壳和侧面微调对位等特殊手段和结构形式实现深低温下带多透镜的管壳高精度封装，本发明能够有效确保低温红外光学的精度要求、降低芯片视场内的背景、杂散光和整个杜瓦的热辐射、有效消除陶瓷烧结管壳对探测器芯片的低温形变应力；本发明同样适用其它辐冷、热电制冷等红外探测器管壳封装结构。

Description

一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构

技术领域

本发明涉及一种红外探测杜瓦内的管壳封装技术，具体是指一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构。属红外探测器封装技术领域。

背景技术

红外探测器通过封装后形成红外组件，其目的为确保红外探测器能够正常工作。红外探测器组件在航天红外领域有着广泛的应用。随着波长向长波扩展和探测灵敏度的提高，碲镉汞红外探测器必须在低温下才能工作。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。为确保碲镉汞红外焦平面探测器芯片低温工作要求，大多采用金属杜瓦封装形式，形成红外探测器杜瓦组件。

由于需要探测大气温度和湿度的垂直分布轮廓线和云参数，因此对于某些甚长波干涉式探测仪要求后光学透镜则必须工作在深低温环境下。同时由于目前甚长波红外探测器的探测率还不能完全到达干涉仪高灵敏探测的需求，因而为了得到更大的干涉信号能量，往往需采用F#数很小的光学系统。而为了消除由F#数太小所造成的光学系统变得庞大和复杂的不利后果，需要把后继光学的透镜组安放在尽量靠近红外探测器芯片的位置，这样使得杜瓦内除了红外探测器外，还需要封装带透镜的管壳组件。红外探测器管壳组件内封装有多个透镜，并且整个管壳组件还工作在深低温环境下，这在国内外报道的很少。目前只有美国GEOS Advanced Baseline Sounder(ABS)干涉仪采用了封装深低温透镜的结构方式，但是ABS究竟采用何种方式固定透镜和确保透镜间的间距则没有提及。

干涉式甚长波探测仪对后继光学靠近红外探测器的两个透镜进行深低温制冷，其目的主要是为了减小背景辐射，从而提高红外探测器的有效探测率。实际上一般的红外相机后继光学的透镜离红外探测器相距较大，这样后继光学透镜与探测器杜瓦可以分开封装。但干涉式甚长波探测仪后继光学的深低温制冷透镜与探测器杜瓦分开封装则存在几个问题：1)若要满足上述方式，则各光敏元成像光学的夹角不能太大。若成像光学夹角过大，则主光学系统会变得非常大，这样整个探测仪会变得很庞大和繁重，而且大口径的光学透镜加工也会变得非常困难；2)由于后继光学透镜也需要制冷，若分开封装则制冷机还需要分出冷链对其制冷或是另外再配置一台制冷机对其制冷，这样会使得整个红外系统变得更加复杂，从而使系统可靠性降低，非常不利于整机系统的环境力学考核。

发明内容

本专利的目的是提供一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构，以解决干涉式深低温红外探测器探测仪过于庞大和后继光学结构过于复杂的问题，同时实现红外探测器杜瓦的高集成化封装。

本发明的一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构如附图1所示，它包括：管壳底座1、宝石片芯片模块2、定位聚酰亚胺3、透镜支撑管壳4、下透镜5、下透镜压环式冷屏6、上透镜7、上透镜压环式冷屏8、管帽9。上层宝石电极板202、下层宝石电极板201先进行激光定位钻孔，然后下层宝石电极板201先与上层宝石电极板202对中胶接好，红外探测器芯片203胶接在下层宝石电极板201上形成宝石片芯片模块。管壳底座1与透镜支撑管壳4通过螺钉401连接把芯片模块固定，同时在管壳底座1与透镜支撑管壳4两者之间加垫定位聚酰亚胺3。下透镜5放置在透镜支撑管壳4的下层台阶404后，上面压有下透镜压环式冷屏6。上透镜7则放置在支撑管壳4的上层台阶405后，上面压有上透镜压环式冷屏8。管帽的带通滤光片902胶接固定在管帽9上，最后把管帽9与透镜支撑管壳4定位固定。

管壳底座1、透镜支撑管壳4、管帽9均采用特种合金CE7，下透镜压环式冷屏6、上透镜压环式冷屏8则均采用可伐合金材料。管壳底座1、透镜支撑管壳4、管帽9需要抛光镀金，下透镜压环式冷屏6、上透镜压环式冷屏8则需电镀黑镍(发黑处理)。电极板201、202需要光刻成形之后进行高精度激光定位钻孔，同时红外探测器芯片与宝石片胶接后还需要进行引线键合操作，工艺过程如附图2、附图3所示。

本发明的实现方法如下：

1)零件加工完成后，通过Z轴测量显微镜和三坐标测量仪测量透镜支撑管壳从底面(基准面)到台阶404即下透镜5安装面的高度D1，然后再测量底面(基准面)到台阶405即上透镜7安装面的高度D2。

2)在高精度影像仪下，完成宝石电极板201和202对中胶接，然后再与红外探测器芯片203对中胶接。胶干后把宝石电极板与芯片203金丝球焊互联，形成宝石片芯片模块2。同时测量芯片光敏元面到芯片宝石电极板的高度D3。

3)根据高度D1、D2和D3值，计算出台阶404到芯片光敏面高度H1，台阶405到芯片光敏面高度H2。考虑到设计时H1，H2的值比理论要求值小0.01mm到0.02mm，因此根据实际计算值，确定在台阶404、台阶405和透镜支撑管壳4底部三个位置分别加垫0.005mm或0.01mm的聚酰亚胺圆垫片的类型和数量，这样能够确保H1、H2的实际值比理论值偏差小于0.01mm。

4)通过特殊的对中夹具把管壳底座102与夹具固定，在高精度影像仪下，同时把透镜支撑管壳4与宝石片芯片模块2对中装配；然后通过透镜支撑管壳的螺纹孔401，采用四个M2螺钉把管壳底座102、宝石片芯片模块2、芯片处聚酰亚胺垫片301和透镜支撑管壳4固定好。

5)根据计算的H1，把下台阶聚酰亚胺垫片302和下透镜5固定在台阶404上，同时把下压环式冷屏6垂直压入透镜支撑管壳4内。通过四个M1.6的螺钉，从透镜支撑管壳侧面螺孔406对中调节下透镜5中心轴，并固定不动，使其与芯片模块中心重合，然后通过M1.4的螺钉把下透镜压环式冷屏6嵌套在透镜5上，松开侧面螺孔406处的四个M1.6螺钉，最后M1.4螺钉头点胶固定，这样把下压环式冷屏斜边面601固定下透镜5上，确保透镜中心限位固定。

6)根据计算的H2，把上台阶聚酰亚胺垫片303和上透镜7固定在台阶405上，同时把上压环式冷屏8垂直压入透镜支撑管壳4内，通过上压环式冷屏斜边面801固定上透镜7。通过四个M1.6的螺钉从透镜支撑管壳侧面螺孔407调节上透镜7中心轴，并固定不动，使其与芯片模块中心重合。

7)通过低温胶把带通滤光片902胶接在管帽9内，等胶接固化后，把管帽螺纹部分901旋在透镜支撑管壳4上。考虑上压环式冷屏8高度比管帽窗口902下底面到台阶405的高度要高出0.1mm，因此当管帽的限位底边904接触到支撑透镜管壳时，支撑管帽窗口902的台阶下底面903压迫上压环式冷屏8，从而固定上透镜7。当上透镜7固定后，把4个对中用M1.6螺钉从侧面螺孔407处松开，最后对接触面904进行点胶固定。这样确保透镜中心限位固定。

8)形成管壳组件后，管壳组件通过螺纹孔103和四个M2的钛合金螺钉把管壳固定在杜瓦冷平台101上，盖上焊接有窗口1002的窗口帽10，并激光焊接，完成整个杜瓦封装，形成带管壳的杜瓦组件。

以上为本发明的一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构的装配和实现过程。

本发明具有以下优点：

1)结构形式比较复杂，但是装配简单可行。

2)整个管壳结构采用全新的CE7特种合金，该合金具有低温下高热导率(为可伐材料的7倍)，轻量化(密度为可伐材料的1/3)，线膨胀系数与透镜Ge接近的特点。选择CE7的优点是：

a.能够使得整个管壳结构的温度与杜瓦冷平台65K的深低温温差小于2K，同时内部温度场均匀，这样能够确保Ge透镜在深低温下具有固定的透过率，还能确保管壳具有足够低的背景；

b.管壳温度足够低而且均匀，这样在深低温下管壳内各个透镜间距可控，从而确保低温成像焦面位置可控；

c.采用轻量化的管壳结构大大减轻杜瓦冷平台的力学负重，从而使得整个杜瓦组件可靠性大大提高。

3)透镜安装结构采用整体式加工的形式，同时台阶尺寸可在高分辨Z轴显微镜和三坐标下测量，能够通过很薄的垫片修配间距，确保透镜间距误差小于光学系统要求的0.01mm。

4)红外探测器芯片单独安装在宝石电极板上，再通过透镜支撑管壳和管壳底座与透镜组高精度对中装配，然后采用4个M2的螺钉固定并用DW-3低温胶胶封固定螺钉头，相比大部分与陶瓷共烧的管壳结构，这样做的好处是通过螺孔间隙有效释放深低温下宝石片和可伐(或CE7)管壳由于不同形变造成的应力，确保芯片不受力。

5)宝石电极板在管壳内的安装是通过透镜支撑管壳和管壳底座夹紧固定的，因此必须对层叠的宝石片进行精密钻孔，一般的设备无法对宝石片进行钻孔加工，即使一般的红外激光由于红外热效应，加工成型的孔形状也无法满足使用要求，而采用紫外激光钻孔机的高精度定位钻孔不仅能够大大提高单个孔的加工精度，还能满足各个孔间相对位置的精度要求。最终能够确保芯片所需的对中位置要求。

6)采用激光精密定位加工的多层宝石片交错式层叠电极引线结构，使得宝石电极板引线合理，占空比小，非常有利于管壳在杜瓦内的集成式封装，使得整个杜瓦结构小而紧凑。最终使得杜瓦结构可靠性大幅提高。

7)采用压环式冷屏结构固定透镜组的结构，由于其柱面拉丝切割四条细缝使得冷屏具有足够的弹性，相比大部分直接胶接固定透镜的结构，具有安装方便且低温下能牢固固定的特点，可以轻松实现透镜更换维护，同时通过侧面螺钉对中操作，使得透镜间光轴对准更容易。由于压环式冷屏可以镀黑镍，而整个管壳是镀金的，这样安装镀黑镍的冷屏后可以消除管壳镀金造成的杂散光，从而有效降低背景辐射，最终实现光学系统所要的外亮内黑的设计要求。

附图说明

图1为一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构；

图中：1-管壳底座；

101-杜瓦与管壳热耦合冷平台；

102-管壳芯片安装底座；

103-管壳固定在杜瓦内的安装螺孔；

104-宝石片芯片模块安装固定过孔；

2-红外探测宝石片芯片模块；

201-下宝石片；

202-上宝石片；

203-红外探测器；

3-聚酰亚胺垫片；

301-芯片处聚酰亚胺垫片；

302-下台阶聚酰亚胺垫片；

303-上台阶聚酰亚胺垫片；

4-透镜支撑管壳；

401-宝石片芯片模块安装固定螺孔；

402-透镜支撑管壳透气孔；

403-下透镜与下压环式冷屏固定螺孔；

404-下透镜安装台阶；

405-上透镜安装台阶；

406-下透镜对位安装的调节螺纹孔；

407-上透镜对位安装的调节螺纹孔；

5-下透镜；

6-下压环式冷屏；

601-下压环透镜固定面；

7-上透镜；

8-上压环式冷屏；

801-上压环式冷屏透镜固定面；

9-管帽；

901-管帽外壳；

902-带通滤光片；

903-固定上压环式冷屏的管帽下底面；

904-管帽限位底边；

10-窗口帽；

101-窗口帽外壳；

1002-窗口。

图2上下层宝石电极板示意图。

图3宝石片芯片模块示意图。

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15μm甚长波多透镜深低温红外探测器杜瓦内管壳结构，如附图1所示，它的主要实施方法如下：

1)零件加工完成后，根据图纸尺寸要求，检验零件是否符合设计要求。通过Z轴测量显微镜和三坐标测量仪测量透镜支撑管壳从底面(基准面)到台阶404，即下透镜5安装面的高度D1，然后再测量底面(基准面)到台阶405，即上透镜7安装面的高度D2。

2)宝石电极板都采用0.4mm厚的两层交错叠加而成，宝石片201直径为42mm，宝石片202直径为38mm。两层宝石片清洗干净后线离子溅射一层厚度的Cr层，然后再溅射1μm以上厚度的Au层。根据设计的电极电路布局图案，通过光刻和刻蚀形成电极电路。

3)通过355nm紫外激光加工系统对下宝石电极板201和上宝石电极板202进行精密定位钻孔，加工出3mm×7mm的中间芯片安放通孔、Φ2.6mm安装过孔和4mm宽的U型槽。

4)在高精度影像仪下，完成宝石电极板201和202对中胶接，然后再与红外探测器芯片203对中胶接。胶干后把宝石电极板与芯片203金丝球焊互联，形成宝石片芯片模块2。同时测量芯片光敏元面到上宝石电极板202的高度D3。

5)根据高度D1、D2和D3值，计算出台阶404到芯片光敏面高度H1，台阶405到芯片光敏面高度H2。考虑到设计时H1，H2的值比理论要求值小0.01mm到0.02mm，因此根据实际计算值，确定在台阶404、台阶405和透镜支撑管壳4底部三个位置分别加垫0.005mm或0.01mm的聚酰亚胺圆垫片的类型和数量，这样能够确保H1、H2的实际值比理论值偏差小于0.01mm。

6)在高精度影像仪下，通过特殊的对中夹具把管壳底座102与夹具固定，这样透镜支撑管壳4能与宝石片芯片模块2对中装配；然后通过透镜支撑管壳的螺纹孔401，采用四个螺钉把管壳底座102、宝石片芯片模块2、聚酰亚胺垫片301和透镜支撑管壳4固定好。

7)根据计算的H1，把下台阶聚酰亚胺垫片302和下透镜5固定在台阶404上，同时把下压环式冷屏6垂直压入透镜支撑管壳4内。通过四个M1.6的螺钉，从透镜支撑管壳侧面螺孔406对中调节下透镜5中心轴，并固定不动，使其与芯片模块中心重合，然后通过M1.4的螺钉把下透镜压环式冷屏6嵌套在透镜5上，松开侧面螺孔406处的四个螺钉，最后M1.4螺钉头点胶固定。最终下压环式冷屏斜边面601固定在下透镜5上，确保透镜中心限位固定。

8)根据计算的H2，把上台阶聚酰亚胺垫片303和上透镜7固定在台阶405上，同时把上压环式冷屏8垂直压入透镜支撑管壳4内，通过上压环式冷屏斜边面801固定上透镜7。通过四个M1.6的螺钉从透镜支撑管壳侧面螺孔407调节上透镜7中心轴，并固定不动，使其与芯片模块中心重合。

9)通过DW-3低温胶把带通滤光片902胶接在管帽9内，等胶接固化后，把管帽螺纹部分901旋在透镜支撑管壳4上。考虑上压环式冷屏8高度比管帽窗口902下底面到台阶405的高度要高出0.1mm，因此当管帽的限位底边904接触到支撑透镜管壳时，支撑管帽窗口902的台阶下底面903压迫上压环式冷屏8，从而固定上透镜7。当上透镜7固定后，把4个对中用M1.6螺钉从侧面螺孔407处松开，最后对接触面904进行点胶固定。这样确保透镜中心限位固定。

10)形成管壳组件后，通过螺纹孔103和四个M2的钛合金螺钉把整个管壳固定在杜瓦冷平台101上，盖上焊接有窗口1002的窗口帽10，并激光焊接，完成整个杜瓦封装，形成带管壳的杜瓦组件。

以上完成了红外杜瓦内多透镜深低温红外探测器管壳结构实现及其装配过程。

Claims (6)

1.一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构，它包括：管壳底座(1)、宝石片芯片模块(2)、定位聚酰亚胺(3)、透镜支撑管壳(4)、下透镜(5)、下透镜压环式冷屏(6)、上透镜(7)、上透镜压环式冷屏(8)、管帽(9)和杜瓦窗口帽(10)，其特征是：

1)管壳底座(1)与透镜支撑管壳(4)通过螺钉(401)连接，把宝石片芯片模块(2)固定在中间；

2)下透镜(5)放置在透镜支撑管壳(4)的下层台阶(404)，上面压有下透镜压环式冷屏(6)，下透镜压环式冷屏(6)垂直压入透镜支撑管壳(4)内，通过M1.4的螺钉把下透镜压环式冷屏(6)嵌套在透镜(5)上，下透镜压环式冷屏斜边面(601)固定在下透镜(5)上，保证透镜中心限位固定；

3)上透镜(7)则放置在透镜支撑管壳(4)的上层台阶(405)，上面压有上透镜压环式冷屏(8)，上透镜压环式冷屏(8)垂直压入透镜支撑管壳(4)内，通过上透镜压环式冷屏斜边面(801)固定上透镜(7)；

4)管帽的带通滤光片(902)胶接固定在管帽(9)上，然后把管帽(9)与透镜支撑管壳(4)定位固定；

5)整个带透镜的管壳固定装配好后固定在杜瓦冷平台(101)上，最后激光焊接杜瓦窗口帽(10)，形成包含带透镜组的管壳和探测器的杜瓦组件。

2.根据权利要求1所述的一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构，其特征是：所述的宝石片芯片模块(2)的上层宝石电极板(202)和下层宝石电极板(201)先进行激光高精度定位钻孔，各孔间距误差精度小于0.03mm，然后下层宝石电极板(201)先与上层宝石电极板(202)对中胶接好，红外探测器芯片(203)胶接在下层宝石电极板(201)上，同时红外探测器芯片与上下层宝石片电极进行金丝球焊互联。

3.根据权利要求1所述的一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构，其特征是：所述的下透镜压环式冷屏(6)，上透镜压环式冷屏(8)都采用薄壁结构。

4.根据权利要求1所述的一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构，其特征是：在所述的管帽(9)的通光孔台阶上用低温胶胶接窗口(1002)。

5.根据权利要求1所述的一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构，其特征是：所述的管壳底座(1)、透镜支撑管壳(4)和管帽(9)均采用高热导、低温下与Ge膨胀系数相匹配的CE7合金，管壳底座(1)、透镜支撑管壳(4)和管帽(9)表面抛光镀金。

6.根据权利要求1所述的一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构，其特征是：所述的下透镜压环式冷屏(6)和上透镜压环式冷屏(8)均采用可伐合金材料，下透镜压环式冷屏(6)、上透镜压环式冷屏(8)表面电镀黑镍处理。