CN103617968B - Apd焦平面陈列芯片的封装装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种APD焦平面陈列芯片的封装装置，包括：壳体、设于壳体内的封装管壳以及与封装管壳连接的PCB电路板；所述壳体包括前、后面板以及四个侧板，一隔板垂直连接于四个侧板以将壳体分为前腔和后腔，所述壳体的后面板上设有微型风扇，前面板上设有窄带滤光片，所述后腔设有散热装置；所述封装管壳设于隔板上且位于前腔内；所述PCB电路板一端与隔板连接，另一端与封装管壳连接。上述APD焦平面陈列芯片的封装装置，可以使得APD焦平面阵列通过半导体热电制冷在浅低温下正常工作并实现恒温控制，同时为器件提供良好的光电热通路。

Description

APD焦平面陈列芯片的封装装置

技术领域

本发明涉及一种光电成像器件的制冷封装结构，尤其涉及一种在半导体热电制冷工作下，具有良好光电热通路的APD焦平面陈列芯片的封装装置。

背景技术

Ⅲ-Ⅴ族化合物材料的APD焦平面阵列为光电成像器件，通常需要多个输入输出电学端口以及准直的光学通路；为了抑制热致暗载流子引发的虚警以及偏置工作点的漂移，器件还需要在恒定的低温下工作。传统的制冷方式有液氮制冷、气体节流式制冷、斯特林循环制冷等，这些方式结构复杂、体积大、成本高，并不适用于只需在浅低温条件下APD焦平面阵列的低功耗、小型化、紧凑型运用；半导体热电制冷器利用半导体的珀尔帖效应产生温差，冷端用于制冷，通过控制输入电流或电压，实现高精度的温度控制，但其常规的用法只是实现芯片在室温左右的恒温控制(如LED、LD封装)，未考虑制冷情况下如光窗低温结霜、热端传导积热等问题对器件光电热通路的影响。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种APD焦平面陈列芯片的封装装置，可以使得APD焦平面阵列通过半导体热电制冷在浅低温下正常工作并实现恒温控制，同时为器件提供良好的光电热通路。

本发明提供一种APD焦平面陈列芯片的封装装置，包括：壳体、设于壳体内的封装管壳以及与封装管壳连接的PCB电路板；所述壳体包括前、后面板以及四个侧板，一隔板垂直连接于四个侧板以将壳体分为前腔和后腔，所述壳体的后面板上设有微型风扇，前面板上设有窄带滤光片，所述后腔设有散热装置；所述封装管壳设于隔板上且位于前腔内；所述PCB电路板一端与隔板连接，另一端与封装管壳连接。

其中，所述封装管壳包括底板、腔体、热电制冷器、转接板、APD焦平面阵列芯片、热敏电阻、若干封装管壳引线、金属盖板，所述底板固设于隔板上且位于前腔内，所述腔体垂直设于底板上，所述热电制冷器设于腔体内，且热电制冷器的热面与底板连接，冷面与转接板连接，所述APD焦平面阵列芯片设于所述转接板上，所述热敏电阻设于所述转接板上靠近APD焦平面阵列芯片的位置，所述腔体上设有供封装管壳引线穿过的孔，若干封装管壳引线穿过该孔与所述APD焦平面阵列芯片、热敏电阻和半导体热电制冷器电连接，所述金属盖板盖设于所述腔体上。

其中，所述隔板上设有若干第一螺纹孔，所述封装管壳的底板边缘上设有与所述第一螺纹孔相应的若干第二螺纹孔，若干螺钉通过第二和第一螺纹孔将封装管壳螺纹连接于隔板上。

其中，所述PCB电路板的一端与所述隔板螺纹连接，另一端与所述封装管壳引线未连接APD焦平阵列芯片和热敏电阻的一端连接。

其中，在所述隔板与四个侧板连接的四个角分别设有可调节高度的台阶，每一台队上设有螺纹孔，所述PCB电路板螺纹连接于该所述台阶上。

其中，所述散热装置为鳍状散热结构。

其中，所述壳体的每一侧板上设有通风口。

其中，所述壳体上四个侧面与隔板一体冲压成型。

其中，所述前、后面板分别与所述四个侧板的两端螺纹连接。

本发明的APD焦平面陈列芯片的封装装置，封装管壳为APD焦平面阵列提供必要的机械支撑、气密性环境保护以及与下一级封装的电学互连，壳体为阵列器件提供消除了杂散光的光学通路和产生热量的耗散途径。该封装结构满足APD焦平面阵列对光电热通路的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是本发明APD焦平面陈列芯片的封装装置一实施例的剖面图。

图2及图3是本发明APD焦平面陈列芯片的封装装置一实施例中壳体前、后腔的结构示意图。

图4是本发明APD焦平面陈列芯片的封装装置一实施例中后面板的结构示意图。

图5是本发明APD焦平面陈列芯片的封装装置一实施例中壳体的装配示意图。

图6是本发明APD焦平面陈列芯片的封装装置一实施例中封装管壳的结构示意图。

图7是本发明APD焦平面陈列芯片的封装装置一实施例中封装管壳的装配示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解的是，虽然此处可以使用“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但是这些元件不应当由这些术语所限制。这些术语仅用来区分一个元件和另一个元件。因此，下文所讨论的“第一”元件也可以被称为“第二”元件而不偏离本发明的教导。应当理解的是，当提及一元件“连接”或者“联接”到另一元件时，其可以直接地连接或直接地联接到另一元件或者也可以存在中间元件。相反地，当提及一元件“直接地连接”或“直接地联接”到另一元件时，则不存在中间元件。

在此使用的术语仅仅用于描述具体的实施方式的目的而无意作为对本发明的限定。如此处所使用的，除非上下文另外清楚地指出，则单数形式意图也包括复数形式。

应当进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”时，这些术语指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在和/或附加。

请参见图1至图7，本实施例的APD焦平面陈列芯片的封装装置，包括：壳体101、设于壳体101内的封装管壳200以及与封装管壳200连接的PCB电路板106；所述壳体101包括前面板105、后面板103以及四个侧板，一隔板220垂直连接于四个侧板以将壳体101分为前腔和后腔，所述壳体101的后面板103上设有微型风扇102，前面板105上设有窄带滤光片104，所述后腔设有散热装置109；所述封装管壳200设于隔板220上且位于前腔内；所述PCB电路板106一端与隔板220连接，另一端与封装管壳200连接。其中：

本实施例的壳体101为一体式散热结构的壳体，其采用高导热系数的铝质材料，整体冲压形成前后两腔一体式壳体结构。所述壳体101包括前面板105、后面板103、四个侧板、垂直连接于四个侧板以将壳体101分为前腔和后腔的隔板220。所述前面板105、后面板103与所述四个侧板的两端螺纹配合，所述后面板103加装有微型风扇102，前面板105加装有窄带滤光片104；所述前腔部分用于装设封装管壳200，所述前腔处于全封装状态，在保证光通路的同时，有效抑制杂散光的进入；后腔部分用于装设散热装置109。本实施例中，所述散热装置109为鳍状散热结构。在四个侧板上还设有通风口110以加强空气对流；所述隔板220与所述四个侧板一体冲压成型。

在前腔部分，隔板220与侧板连接的四个角上各设有一可调节高度的台阶108，台阶108采用环形垫片来调节高度。在隔板220的中心位置分部开设有若干个第一螺纹孔，该第一螺纹孔用于固定封装管壳。

所述封装管壳200固设于隔板220的前腔面上，所述封装管壳200包括底板203、腔体201、热电制冷器205、转接板207、APD焦平面阵列芯片208、热敏电阻206、若干封装管壳引线、金属盖板204，所述底板203固设于隔板上且位于前腔内，所述腔体201垂直设于底板203上，所述热电制冷器205设于腔体内，且热电制冷器205的热面与底板203连接，冷面与转接板207连接，所述APD焦平面阵列芯片208设于所述转接板207上，所述热敏电阻206设于所述转接板207上靠近APD焦平面阵列芯片208的位置，所述腔体201上设有供封装管壳引线穿过的孔，若干封装管壳引线穿过该孔与所述APD焦平面阵列芯片208、热敏电阻206以及热电制冷器205进行相应的电连接，所述金属盖板204盖设于所述腔体201上。其中：

所述底板203采用导热系数较高且热膨胀系数和热电制冷器205的热面陶瓷材料相当的W80Cu20钨铜材料制成，双面镀金，平整度高于1mm/m。所述腔体201垂直与底板203连接，底板203的边缘上且靠近腔体201的外边缘部分开设有若干与第一螺纹孔相应的第二螺纹孔，所述第二螺纹孔与第一螺纹孔配合以将底板203螺纹连接于隔板220上。在将底板203固定于隔板220上前，底板203的外表面均匀涂覆一层高导热系数的导热硅脂，对细微空隙进行热传递介质填充，形成良好的热传导通路。

所述腔体201采用柯伐合金4J29材料制成，腔体201上开设有若干供封装管壳引线穿过的孔，封装管壳引线穿入DM305硼硅酸盐玻璃绝缘子，在腔体201的孔上烧结形成高密度四边引线型金属-玻璃封接。

所述转接板207采用高导热系数的AlN陶瓷材料，正面采用热蒸发工艺制作四边引出的金属(Pt/Au)电极，所述转接板207的底面与热电制冷器205的冷面连接。

APD焦平面阵列芯片208通过环氧导热固化胶粘接在转接板207上，通过金丝球焊提供与封装管壳引线的电性互连。所述转接板207的背部实施金属化用以降低热通路上的热阻。半导体热电制冷器205选用双面金属化、两级陶瓷平板型热电制冷器件。热面采用SnPbBi低温焊料直接焊接在管壳底板203指定中心区域，冷面用相同焊料与转接板207金属化的背部焊接，形成良好的热通路。正负电极与管壳对应封装管壳引线相连。工作时，根据需要调整电极输入电流或电压值，以控制冷热面温差。热敏电阻206选用负温度系数表贴式元件，通过环氧导热固化胶粘接在靠近APD焦平面阵列芯208片的转接板207上指定位置，正负电极与管壳对应封装管壳引线相连。热敏电阻206精确检测芯片附件温度，阻值随温度升高而减小，与外部PCB电路板上电阻元件组成H桥式结构，将温度变化信息反馈至外部温控电路，通过PID补偿电路产生控制信号，驱动热电制冷器电流值变化，实现对APD焦平面阵列芯片208低温工作温度的高精度恒温控制。

金属盖板204与腔体201实现封接，通过钎焊工艺与钨铜底板实现封接，随后腔体各表面电镀3μm-9μm镍层和2μm-5μm金层以帮助密封和防止腐蚀，同时封装管壳引线镀2μm-5μm金层保证引线键合与提高可焊性。最后通过平行封焊与平面光窗金属盖板实现气密封接。平面光窗金属盖板光窗采用透射率高的蓝宝石材料，对近红外波段进行镀膜增透处理。与前面板上的窄带滤光片配合，在光通路上完成了对杂散光的抑制以及特定波长激光(1.06μm或1.55μm)的高效传输。光窗玻璃与盖板金属边框采用高温熔封工艺气密封接。平行封焊时，在保证气密性的前提下，用纯净的低对流系数的Ar或He等气体与腔体内空气置换，排除成像器件表面结霜以及减小热对流造成热电制冷器冷热面热量传递。

所述PCB电路板106的一端(外边缘)通过螺栓与四个台阶108螺纹连接，另一端(内边缘)与封装管壳引线未连接的一端电连接。四个台阶108可以使得电路板106进行上或下调整。

应当理解，上述实施例仅是为了能够更加清楚的理解本发明的技术方案，上述实施例并不用于限制本发明的技术方案。在不同的实施例中，本发明的技术方案还可以作其他变化。比如：隔板与四个侧板除了一体成型的方案外，还可以通过其他方式将隔板与四个侧板连接，例如焊接、螺纹连接等等；例如封装管壳的底板除了螺纹连接于隔板上外，还可以通过焊接或者粘接或者其他连接方式固定于隔板上等等；此处便不再一一赘述。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种APD焦平面陈列芯片的封装装置，其特征在于，包括：

壳体、设于壳体内的封装管壳以及与封装管壳连接的PCB电路板；

所述壳体包括前、后面板以及四个侧板，一隔板垂直连接于四个侧板以将壳体分为前腔和后腔，所述壳体的后面板上设有微型风扇，前面板上设有窄带滤光片，所述后腔设有散热装置；

所述封装管壳设于隔板上且位于前腔内；

所述PCB电路板一端与隔板连接，另一端与封装管壳连接。

2.如权利要求1所述的APD焦平面陈列芯片的封装装置，其特征在于：所述封装管壳包括底板、腔体、热电制冷器、转接板、APD焦平面阵列芯片、热敏电阻、若干封装管壳引线、金属盖板，所述底板固设于隔板上且位于前腔内，所述腔体垂直设于底板上，所述热电制冷器设于腔体内，且热电制冷器的热面与底板连接，冷面与转接板连接，所述APD焦平面阵列芯片设于所述转接板上，所述热敏电阻设于所述转接板上靠近APD焦平面阵列芯片的位置，所述腔体上设有供封装管壳引线穿过的孔，若干封装管壳引线穿过该孔与所述APD焦平面阵列芯片、热敏电阻和半导体热电制冷器电连接，所述金属盖板盖设于所述腔体上。

3.如权利要求2所述的APD焦平面陈列芯片的封装装置，其特征在于：所述隔板上设有若干第一螺纹孔，所述封装管壳的底板边缘上设有与所述第一螺纹孔相应的若干第二螺纹孔，若干螺钉通过第二和第一螺纹孔将封装管壳螺纹连接于隔板上。

4.如权利要求3所述的APD焦平面陈列芯片的封装装置，其特征在于：所述PCB电路板的一端与所述隔板螺纹连接，另一端与所述封装管壳引线未连接APD焦平阵列芯片和热敏电阻的一端连接。

5.如权利要求4所述的APD焦平面陈列芯片的封装装置，其特征在于：在所述隔板与四个侧板连接的四个角分别设有可调节高度的台阶，每一台阶上设有螺纹孔，所述PCB电路板螺纹连接于所述台阶上。

6.如权利要求1所述的APD焦平面陈列芯片的封装装置，其特征在于：所述散热装置为鳍状散热结构。

7.如权利要求1所述的APD焦平面陈列芯片的封装装置，其特征在于：所述壳体的每一侧板上设有通风口。

8.如权利要求1所述的APD焦平面陈列芯片的封装装置，其特征在于：所述壳体上四个侧面与隔板一体冲压成型。

9.如权利要求1至8中任一项权利要求所述的APD焦平面陈列芯片的封装装置，其特征在于：所述前、后面板分别与所述四个侧板的两端螺纹连接。