CN103500749B - 一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构。封装结构包括管壳、绝热块、导冷板、导热膜、电极板、管帽、光阑、芯片电路模块、窗口、热电制冷器和微型螺栓。其中，热电制冷器、导冷板、绝热块、导热膜通过微型螺栓与管壳固定和连接，可以方便部件的拆卸和更换及装配精度的调节和控制。芯片与电极板通过环氧胶进行粘接和固定，最后管帽与管壳通过焊接工艺完成气密封装。该结构可以实现超长线列InGaAs探测器的封装、工作温度的稳定控制，并且线列各元的温度稳定性好；同时可以实现纵向超高要求的探测器光敏面平面度及横向超高拼接精度等封装要求的气密封装。

Description

一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构

技术领域

本发明涉及一种光电探测器的封装结构，特别涉及一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构，它用于在均匀温度下稳定温度点工作的4000元以上的超长线列能保持密封的InGaAs探测器的封装。

背景技术

短波红外（1μm～3μm）谱段可以提供多样的图像和光谱信息，所以在航空航天、医学成像、产业测温、安全防范等民用领域和精确武器制导、红外报警与识别、侦察与监视等军事领域有广泛的应用。铟镓砷（InGaAs）是制备该波段红外探测器的主要材料之一，研制出的焦平面探测器已经投入使用，在空间应用中多以线列和面阵焦平面为主，近些年来宽视场扫描技术的发展要求探测器的线列规模逐步增加。欧洲空间局（ESA）的环境卫星（ENVISAT）上的大气制图扫描成像吸收光谱仪（SCIAMACHY）采用了1024×1元InGaAs短波红外扫描焦平面。法国的SPOT4和SPOT5卫星上则采用了3000元InGaAs短波红外扫描焦平面，其新一代卫星PROBA-V上也将采用3000×1的InGaAs短波红外焦平面。

综合器件工艺、成品率、性能及可靠性等各方面因素考虑，超长线列的焦平面通常采用小规模的线列通过精密对位拼接完成。除此之外温度均匀性、结构的力学性能、横向、纵向拼接精度都将影响组件的使用，是设计之初就需要考虑的。

在实际应用中，为解决以上问题，本发明提出了一种新的封装结构，该结 构可以实现大面积温度均匀性，横向、纵向拼接精度，同时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大面积温度均匀性的封装结构，该结构有效解决了以下几个问题：第一，结构中采用多个热电制冷器串联实现大面积冷面，热电制冷器个数取决于探测器的规模，可以方便实现大面积冷面。第二，多个热电制冷器、金属导冷板安装通过连接螺杆、导热膜及绝热块实现。可以方便实现纵向精度控制；更好实现温度传递，控制芯片安装面温度均匀性。第三，电极板采用陶瓷材料制备而成，可以方便实现多个芯片高密度引线。第四，结构中采用发黑光阑，方便控制视场角和有效抑制杂光。

本发明封装结构如图1所示。包括管壳1、绝热块2、导冷板3、导热膜4、电极板5、管帽6、光阑7、芯片8、窗口9、热电制冷器10和微型螺栓11。

所述的管壳1选用低膨胀系数的合金金属柯伐加工，上面加工4个对称分布的通孔101；导热面103加工N+1对凸台104，均匀分布于热电制冷器安装位置两侧；凸台104加工3个圆周均布的螺纹孔106，管壳上加工光阑定位台阶105，其中N=INT（L/60），L为探测器光敏元长度，单位为mm。

所述的绝热块2采用绝热性好的材料聚甲醛加工，上面制作3个在圆周上均布的通孔201和中心制作1个螺纹孔202。

所述的导冷板3采用导热系数很高的材料铝碳化硅加工，导冷板上加工沉头孔302N+1对，导冷板表面做磨平、抛光处理。

所述的导热膜4选用热导率较高的碳纳米导热膜加工，实现温度传递，同时方便纵向精度控制。

所述的陶瓷电极板5采用陶瓷材料选用薄膜或厚膜工艺制作多层布线形 成，根据芯片结构和封装结构的要求确定内电极501与外电极502的连接关系，电极间芯片安装区域503不得有裸露的走线。

所述的管帽6选用低膨胀系数的合金金属柯伐。在面602上蚀刻出单边为2mm的图形，在面601上钎焊加厚板，管帽6中间开孔，作为探测器的通光区，管帽表面金属化。

所述的光阑7选用低膨胀系数的合金金属柯伐，根据系统视场角要求确定开孔，同时，表面发黑处理，大大减少杂散光。

所述的芯片8为短波红外InGaAs焦平面模块。

所述的窗口9选用融石英加工的基片，在基片上采用蒸发或溅射工艺镀增透膜完成长线列探测器工作波段所需的窗口，窗口底面边缘及侧面金属化处理。

所述的热电制冷器10间的交流阻抗差值为0.01Ω，最大限度降低热电制冷器间的制冷差；高度差值为0.01mm，减少安装带来的不平整。

本发明的技术方案如下：

如附图1所示，在管壳1内装配绝热块2，微型螺栓11通过管壳1的螺纹孔106和绝热块2的通孔201将绝热块2和管壳1固定起来。在管壳1内导热面103上依次放置导热膜4、热电制冷器10、导热膜4和导冷板3，微型螺栓11通过导冷板3的沉头孔302和绝热块2的螺纹孔202将上述零部件固定起来。控制施加在微型螺栓11的力矩，使导热膜4受力形变，并填充导冷板3和热电制冷器10、热电制冷器10和管壳1的导热面103间的空隙，减小热阻。同时实施监测和调整力矩，使得导冷板3的面303平面度满足指标要求。用胶接方式安装陶瓷电极板5和芯片电路模块8到导冷板3的面303上。在管壳1的光阑定位台阶105上安装光阑7，用于控制视场角和有效遮挡杂散光。最后 配合管帽6、窗口9和焊接实现完整的封装结构。

本发明的优点：

该结构可以实现4000元以上的超长线列InGaAs探测器的封装、工作温度的稳定控制，并且线列各元的温度稳定性好；同时可以实现纵向超高要求的探测器光敏面平面度及横向超高拼接精度等封装要求的气密封装。

附图说明

图1是封装结构的整体示意图。

图2是管壳的结构示意图，其中（a）是剖面图，（b）是俯视图。

图3是绝热块的结构示意图，其中（a）是俯视图，（b）是剖面图。

图4是导冷板的结构示意图，其中（a）是剖面图，（b）是俯视图。

图5是陶瓷电极板的结构示意图。

图6是管帽的结构示意图，其中（a）是剖面图，（b）是俯视图。

图7是光阑的结构示意图。

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

1）管壳1选用低膨胀系数的合金金属柯伐加工形成，上面加工4个对称分布的通孔101；安装面102为封装结构的安装面，导热面103加工N+1对凸台104，均匀分布于热电制冷器安装位置两侧。通孔101的直径为4.0mm；凸台与管壳采用一体化加工成型，凸台直径为10mm，高度为1.1mm；凸台上直径7mm的圆周上均匀分布三个深2.5mm的M1.6的孔，用于绝热块的安装和定位。管壳1加工光阑定位台阶105，用于光阑的安装和定位。

2)绝热块2选用导热系数极低的材料如聚甲醛加工形成，绝热块采用凸 台造型，主要用于导冷板3的机械固定，平整度平面度的方便控制及冷面和热面的分离。在直径为7mm的圆周上均匀分布三个Φ1.8的通孔，用于与管壳1中凸台的安装；凸台中心制作M1.6的通孔，通孔用于导冷板3的安装和定位。

3）导冷板3选用导热系数很高的材料铝碳化硅加工。导冷板上加工沉头孔N+1对，用于导冷板的固定。导冷板3与热电致冷器的冷端直接接触，用于热电致冷器的安装与固定；同时调整和实现超大面积冷面温度均匀性及纵向平行度和平面度的控制。

4）导热膜4选用热导率较高的碳纳米导热膜，厚度选用0.1mm～0.2mm。导热膜4尺寸为40mm×40mm。使用时需做表面处理，确保表面干净、新鲜、平整。

5）陶瓷电极板5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要求确定内电极501与外电极502的连接关系，电极间芯片安装区域不得有裸露的走线。

6）管帽6选用热膨胀系数与外壳热膨胀系数匹配的合金金属，如柯伐。在面602上蚀刻出单边为2mm的图形，蚀刻边用于管帽6与管壳1的安装定位及平行缝焊工艺；在面601上钎焊加厚板，用于窗口的安装和定位；管帽6中间开孔，开孔大小依据探测器规模、视场角及封装工艺而定，用于探测器芯片光敏元的通光。管帽表面金属化，用于窗口与盖板的共晶焊接工艺。

7）光阑7选用热膨胀系数与外壳热膨胀系数匹配的合金金属柯伐。光阑7上开孔，开孔大小及位置依据光敏元位置定，用于控制视场角大小。光阑采用发黑工艺，如磷化发黑、聚酰亚胺碳纳米管发黑、镀黑镍等，用于抑制超长线列探测器封装组件内部带来的杂散光。

8）芯片电路模块8选用多个线列或面阵探测器拼接形成超长线列探测器。

9）窗口9选用透过率比较高的光学材料加工基片，如融石英JGS、蓝宝石等；在基片上采用蒸发或溅射工艺镀增透膜完成长线列探测器工作波段所需的窗口。窗口底面边缘及侧面金属化处理，用于窗口与盖板的共晶焊接工艺。

10）热电制冷器10选用面积为40mm×40mm的一组热电制冷器，热电制冷器个数为N，N=INT（L/60），L为探测器光敏元长度，单位为mm。

11）微型螺栓11选用M1.6的螺杆。

2.装配及密封工艺

首先将管壳1放置在一个水平台面上，接下来以凸台的螺纹孔106和绝热块2的通孔201为对中标记，用连接螺杆安装绝热块2，凸台的104面与绝热块的203面为安装面。安装完成后，在相邻凸台中间依次对中装配导热膜4、热电制冷器10、导热膜4和导冷板3。最后用连接螺杆将导冷板3的301面与绝热块连接起来，完成导冷板3和热电制冷器10的装配。设置合适的力矩值可以实现导冷板的平行度和平面度控制。然后依次对中装配陶瓷电极板5、芯片电路模块8、光阑7，其中，芯片电路模块8与陶瓷电极板5的503面紧密连接，光阑7与管壳1的。最后通过平行缝焊工艺对管帽6与管壳1焊接，实现密封。

Claims (10)

1.一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构，包括管壳(1)、绝热块(2)、导冷板(3)、导热膜(4)、电极板(5)、管帽(6)、光阑(7)、芯片电路模块(8)、窗口(9)、热电制冷器(10)和微型螺栓(11)，其特征在于：

所述的探测器封装结构为：在管壳(1)内装配绝热块(2)，微型螺栓(11)通过管壳(1)的螺纹孔(106)和绝热块(2)的通孔(201)将绝热块(2)和管壳(1)固定起来；在管壳(1)内导热面(103)上依次放置导热膜(4)、热电制冷器(10)、导热膜(4)和导冷板(3)，微型螺栓(11)通过导冷板(3)的沉头孔(302)和绝热块(2)的螺纹孔(202)将管壳(1)、绝热块(2)、导冷板(3)、导热膜(4)、热电制冷器(10)固定起来；控制施加在微型螺栓(11)的力矩，使导热膜(4)受力形变，形变后的导热膜填充导冷板(3)和热电制冷器(10)、热电制冷器(10)和管壳(1)的导热面(103)间的空隙，减小热阻，同时实施监测和调整力矩，使得导冷板(3)上有沉头孔(302)的面(303)平面度满足指标要求；用胶接方式安装陶瓷电极板(5)和芯片电路模块(8)到导冷板(3)有沉头孔(302)的面(303)上；在管壳(1)的光阑定位台阶(105)上安装光阑(7)，用于控制视场角和有效遮挡杂散光；最后配合管帽(6)、窗口(9)和焊接实现完整的封装结构。

2.根据权利要求1所述的一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构，其特征在于：所述的管壳(1)选用低膨胀系数的合金金属柯伐加工，上面加工4个对称分布的通孔(101)；导热面(103)加工N+1对凸台(104)，均匀分布于热电制冷器安装位置两侧；凸台(104)加工3个圆周均布的螺纹孔(106)，管壳上加工光阑定位台阶(105)，其中N＝INT(L/60)，L为探测器光敏元长度，单位为mm。

3.根据权利要求1所述的一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构，其特征在于：所述的绝热块(2)采用绝热性好的材料聚甲醛加工，上面制作3个在圆周上均布的通孔(201)和中心制作1个螺纹孔(202)。

4.根据权利要求1所述的一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构，其特征在于：所述的导冷板(3)采用导热系数很高的材料铝碳化硅加工，导冷板上加工沉头孔(302)N+1对，其中N＝INT(L/60)，L为探测器光敏元长度，单位为mm，导冷板表面做磨平、抛光处理。

5.根据权利要求1所述的一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构，其特征在于：所述的导热膜(4)选用热导率较高的碳纳米导热膜加工。

6.根据权利要求1所述的一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构，其特征在于：所述的陶瓷电极板(5)采用陶瓷材料选用薄膜或厚膜工艺制作多层布线形成，根据芯片结构和封装结构的要求确定内电极(501)与外电极(502)的连接关系，电极间芯片安装区域(503)不得有裸露的走线。

7.根据权利要求1所述的一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构，其特征在于：所述的管帽(6)选用低膨胀系数的合金金属柯伐，在其中一面(602)上蚀刻出单边为2mm的图形，在另一面(601)上钎焊加厚板，管帽(6)中间开孔，作为探测器的通光区，管帽表面金属化。

8.根据权利要求1所述的一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构，其特征在于：所述的光阑(7)选用低膨胀系数的合金金属柯伐。

9.根据权利要求1所述的一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构，其特征在于：所述的窗口(9)选用融石英加工的基片，在基片上采用蒸发或溅射工艺镀增透膜完成长线列探测器工作波段所需的窗口，窗口底面边缘及侧面金属化处理。

10.根据权利要求1所述的一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构，其特征在于：所述的热电制冷器(10)间的交流阻抗差值为0.01Ω，高度差值为0.01mm。