CN104748859A - 超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超长线列探测器与单点冷源的高温度均匀性耦合结构及实现方法，它主要由超长线列红外探测器、隔热垫片、辅助固定基板、中空圆锥支撑柱、“树状”低温柔性冷链、“齿状”咬合结构的三层叠加结构的低温热层和单点冷源组成。“树状”低温柔性冷链和三层叠加结构低温热层相结合的温度均匀化方法将单点冷原的冷量均匀引到超长线列红外探测器上，得到高的温度均匀性，同时消除冷源与超长线列红外探测器连接后在降温过程中的三维冷缩；本发明采用桥式力学支撑结构具有很好的环境适应性；本发明结构简单，操作方便，维修性和互换性好，同样适用于其它超大冷平台与单点冷源的热耦合场合。
Description
技术领域
本发明涉及超长线列红外探测器封装技术，具体指一种超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构及实现方法，它适用于超长线列红外焦平面探测器芯片的杜瓦封装,同样适用于其它超大冷平台与单点冷源的热耦合场合。
背景技术
高空间分辨率红外遥感仪器是红外YX、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。因而超长线列(≥6000元)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，超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超长线列红外焦平面杜瓦组件。
传统的小规模红外探测器杜瓦组件，由于线列或面阵探测器规模比较小，分置式杜瓦的芯柱或集成式杜瓦的内管既是探测器的力学支撑又是探测器的低温平台载体。由于探测器仅为一个模块且尺寸很小，探测器的温度均匀性很容易控制在±0.5K。低温平台和支撑结构一般为悬臂结构，冷平台的尺寸很小，由于冷平台与探测器膨胀系数之间差异产生的应力对探测器的性能影响也较小。比如中国专利200810334312大面阵红外探测器在冷平台上的组装结构及其组装方法，其冷源为分置式杜瓦的冷头。其实施例为封装320×240面阵，探测器最大尺寸约为9.6mm×7.2mm。其探测器胶接在宝石衬底上。宝石衬底胶接在芯柱冷头上，探测器的温度均匀性很容易控制在±0.5K。另外中国专利CN2008100334308长线列红外探测器杜瓦组件的布线结构及其连接方法，其主要阐述的多个子模块外引线的布线结构和合并引出方法。其对2000元探测器各子模块之间的温度均匀性未阐述，其单点冷源同样为探测器的支撑。冷平台的长度约为61mm左右。随着超长线列(≥6000元)红外焦平面组件发展，探测器的尺寸达到≥180mm后，无法将单点冷源简单作为力学支撑，冷平台(≥180mm)上各子模块的温度均匀性对探测器性能的影响问题就显得更加突出，必须要探索一种新方法来解决这一问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种超长线列探测器与单点冷源的高温度均匀性耦合结构及实现方法，解决拼接式超长线列红外探测器芯片的杜瓦封装中超大尺寸的高温度均匀性和力学支撑的问题。
本发明的一种超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构如附图1所示，它包括超长线列红外探测器1、隔热垫片2、辅助固定基板3、中空圆锥支撑柱4、树状低温柔性冷链5、低温热层6和单点冷源7。
长线列红外探测器1由多个芯片子模块101在拼接基板102上拼接而成，拼接基板102由低膨胀的柯伐或殷钢制成，每个芯片子模块101胶接在拼接基板102相应位置的凸台103上，在拼接基板102四周均匀开有通孔104，在拼接基板102中央区域开有一定数量的螺孔105。
隔热垫片2选用TC4或氧化锆材料，其为一圆柱薄片，厚度比低温热层6厚度厚0.1-0.2mm。
辅助固定基板3如图2所示，为长方型板状结构，选用热导率低且比重小的TC4材料，中间区域有矩形分布的预留螺孔301，矩形分布的预留螺孔301内有矩形孔302结构及隔热安装结构304，两端有支撑安装孔303。中间位置矩形孔302尺寸比低温热层6长宽尺寸小1-2mm。矩形孔302外为隔热安装结构304，隔热安装结构304的固定框尺寸比低温热层6长宽尺寸小0.2mm-0.4mm，固定框的宽度选用1mm-1.5mm，间隙槽宽度为0.5mm-1.5mm。连接筋结构的宽度为1-2mm。
中空圆锥支撑柱4选用TC4材料，形状为中空圆锥体，圆锥体壁厚为0.2-0.4mm，圆锥体较小端有安装螺孔401结构。
“树状”低温柔性冷链5为单点输入多点输出的“树状”结构，其选用无氧铜或纯铝材料，各个支路为中空多片“S型”冷链501结构，每片厚度为0.15-0.25mm，两片间间隙为0.3-0.5mm。“树状”低温柔性冷链5一端为冷源安装端502，另外一端为有多个支路的按一定间隔分布的固定块503，每个固定块503上有固定块孔504。“树状”低温柔性冷链5在宽度方向中间有去应力沟505结构，去应力沟505贯穿“S型”冷链501和固定块503。
低温热层6高度方向上为三层叠加结构，中间层选用高热导率的金属银或金属铜或蓝宝石层，上层及下层选用0.1-0.3mm厚度质地较软的金属铟，上层在长度宽度方向的尺寸与低温热层6的中间层尺寸一样，下层在长度宽度方向的尺寸与“树状”柔型冷链5的各个固定块503尺寸一样。低温热层6三层叠加结构厚度比隔热垫片2的厚度厚0.1-0.2mm。如图4所示，长度方向采用两端“L”字型中间“Z”字型的多片排列“齿状咬合”结构。低温热层6上相应位置设置有安装孔601。
超长线列探测器1与单点冷源7的热耦合结构如图1所示，辅助固定基板3的隔热安装结构304上为低温热层6。在辅助固定基板3上，低温热层6的周围放置有矩形分布的隔热垫片2。低温热层6及隔热垫片2上为超长线列探测器1，超长线列探测器1上矩形分布的光孔104与各隔热垫片2的垫片圆孔201及辅助固定基板3上的矩形分布的预留螺孔301对齐安装。低温热层6下方为“树状”低温柔性冷链5，“树状”低温柔性冷链5的各固定块503穿过辅助固定基板3的各矩形孔302与低温热层6固定。在辅助固定基板3两侧的支撑安装孔303位置安装有圆锥支撑柱4。“树状”低温柔性冷链5的冷源安装端502下方与单点冷源7固定。
本发明的实现步骤如下：
(1)将超长线列红外探测器1倒置，18个不锈钢材质的螺钉贯穿低温热层6上的预留安装孔601将低温热层6固定在超长线列红外探测器1的拼接基板102的预留安装螺孔105上；
(2)将超长线列红外探测器1的子模块101向上放置。TC4材质的螺钉贯穿超长线列红外探测器1四周均匀性开的通孔104和隔热垫片2，将超长线列红外探测器1固定在辅助固定基板3的预留螺孔301上。同时通过辅助固定基板3的隔热安装结构304实现对低温热层6的周向固定。隔热安装结构304能增加低温热层6与辅助固定基板3间的传热热阻，降低传导漏热，再对辅助固定基板3表面进行抛光及镀金处理来降低其辐射漏热；
(3)将带有超长线列红外探测器1的辅助固定基板3倒置，将步骤1安装的18个不锈钢材质的螺钉依次拆下，让“树状”低温柔性冷链5的六个冷量传输分路的固定块503贯穿辅助固定基板3上矩形孔302，再用不锈钢螺钉实现“树状”低温柔性冷链5的六个固定块503的固定块孔504、低温热层6上的安装孔601和有超长线列红外探测器1的拼接基板2上的螺孔105连接，这样实现“树状”低温柔性冷链5与超长线列红外探测器1的低温热耦合；
(4)使用钛合金螺钉贯穿辅助固定基板3两端的预留孔301，实现辅助固定基板3两端与中空圆锥支撑柱4的预留螺孔401的安装固定；
(5)将中空圆锥支撑柱4通过不锈钢螺钉与单点冷源7所属安装平台固定，这样实现超长线列红外探测器1的桥式力学支撑，最后通过不锈钢螺钉将“树状”低温柔性冷链5的冷源安装端502与单点冷源7安装固定。
本发明结构的热设计原理如下：
(1)本发明是将单点冷源7的冷量均匀高效传输给超长线列红外探测器1上的各芯片子模块101，同时要求耦合后安装结构在65K-350K的温度变化区间内保证超长线列红外探测器1上的各芯片子模块101性能正常。
(2)在超长线列探测器1与单点冷源7的热耦合结构中，辅助固定基板3与两侧的中空圆锥支撑柱4构成桥式力学安装结构。为了降低单点冷源7的冷量耗散，辅助固定基板3与两侧的中空圆锥支撑柱4均采用低导热率的钛合金材料，同时中空圆锥支撑柱4采用中空薄壁圆锥结构来进一步降低桥式力学安装结构热导率，使桥式力学安装结构具有良好的隔热作用。可对辅助固定基板3与两侧的中空圆锥支撑柱4进行抛光及镀金处理来降低辐射漏热。
(3)由“树状”低温柔性冷链5、低温热层6及超长线列红外探测器1的拼接基板102构成的传热结构，使单点冷源7冷量均匀高效传输给超长线列红外探测器1上各芯片子模块101。为使距离冷源安装端502不同距离的各固定块503间的温度均匀，在“树状”低温柔性冷链5的各支路需根据冷量传输要求，设计不同的“S型”冷链501结构及片数使各个固定块503温度均匀化。在“S型”冷链501结构与去应力沟505结构同时作用下，可使“树状”低温柔性冷链5具备一定柔性，该柔性可用来消除单点冷源7与超长线列红外探测器1拼接基板102热耦合后在制冷降温过程中产生的三维冷缩对超长线列红外探测器1上的各芯片子模块101的影响。可对“树状”低温柔性冷链5进行抛光及镀金处理来降低辐射漏热。
(4)超长线列探测器1与单点冷源7的热耦合结构中，低温热层6是“树状”低温柔性冷链5的各个分支固定块503温度的二次均匀化和超长线列红外探测器1拼接基板102与“树状”低温柔性冷链5各个固定块503安装部位与非安装部位温度均匀化的热载体。为使超长线列红外探测器1获得较好的温度均匀性，通过“L字”型与“Z字”型拼接结构，每块低温热层6均获得来自两个“树状”低温柔性冷链5固定块504传输的冷量，从而通过低温热层6克服“树状”低温柔性冷链5固定块504间的温度梯度，实现温度二次均匀化。最终使超长线列红外探测器1上各芯片子模块101获得较好的温度均匀性。
以上完成了本发明的超长线列探测器与单点冷源的高温度均匀性热耦合结构；本发明有如下优点是：
1)结构简单，操作方便，维修性和互换性好；
2)通过“树状”低温柔性冷链和低温热层相结合的方案将单点冷源均匀引到超大冷平台上。得到±0.5K高的温度均匀性，通过“树状”低温柔性冷链的中间端多片“S”型结构提供一定柔性来消除冷源与超长线列红外探测器连接后在降温过程中的三维冷缩；
3)在“树状”低温柔性冷链在宽度方向中间开有2条去应力沟消除“树状”低温柔性冷链在宽度方向安装对超长线列红外探测器1的芯片子模块101在宽度方向安装应力，降低安装结构对探测器性能的影响；
4)采用辅助固定基板和超长线列红外探测器拼接基板的两基板螺接结构，确保超长线列红外探测器在低温下只承受一维约束，避免了桥式支撑结构在力学和降温过程的附加应力，避免封装结构对探测器性能的影响；
5)采用桥式力学支撑结构，探测器组件具有很好的力学环境适应性；
附图说明
图1超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构及实现方法示意图；
图中：1—超长线列探测器；
101—芯片子模块；
102—拼接基板；
103—凸台；
104—光孔；
105—螺孔；
2—隔热垫片；
201—垫片圆孔；
3—辅助固定基板；
301—预留螺孔；
302—矩形孔；
303—支撑安装孔；
304—隔热安装结构；
4—中空圆锥支撑柱；
401—安装螺孔；
5—“树状”低温柔性冷链；
501—“S型”冷链；
502—冷源安装端；
503—固定块；
504—固定块孔；
505—去应力槽；
6—低温热层；
601—安装孔；
7—单点冷源。
图2为辅助固定基板3局部结构图。
图3为“树状”低温柔性冷链结构图。
图4为低温热层6的结构图。
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：
本实施例为超长线列8000元探测器与单点冷源的高温度均匀性耦合方法，如附图1所示，它的主要实施方法如下：
1)将拼接基板102凸台103上拼接有16个512元芯片子模块101的超长线列红外探测器1倒置并水平安放在专用工装台上，使芯片子模块101面向下，拼接基板102所用材料为低膨胀系数合金可伐，外形尺寸为280×26×8mm。安装时注意各芯片子模块101安全，避免触碰。低温热层6中间层选用金属银，银片基片尺寸为100×70×0.8mm，首先对银片基片进行800℃的高温退火工艺，使银片基片获得较软质地，再通过激光切割工艺加工出如图4所示的2片“L”字型及3片“Z”字型银片，并对切割后的银片打磨并清洗，获得制备完成的中间层银片。低温热层6三层叠加结构上下两层用金属铟片通过激光切割而成，铟片基片尺寸120×90×0.1mm，上层铟片在长宽度方向的尺寸与低温热层的中间银层尺寸一样，下层在长宽度方向的尺寸与“树状”柔型冷链5的六个固定块503一样。按照图4所示结构将上下2层铟片夹着中间层银片组合成低温热层6，并放置在拼接基板102上，使用镊子调整各片低温热层6上安装孔601与拼接基板102上各螺孔105对准，使用M2×5mm的不锈钢螺钉将各片低温热层6预固定在超长线列红外探测器1拼接基板102上，预固定时螺钉不上紧，避免对低温热层6挤压受力。
2)将辅助固定基板3水平放置在操作台上，辅助基板3使用钛合金TC4材料，尺寸为360×65×10mm，如图2所示通过线切割工艺加工出辅助固定基板3的六个矩形孔302及隔热安装结构304，固定框宽度与间隙宽度均为1mm，固定框外框尺寸比低温热层6长宽尺寸小0.3mm，固定框连接筋宽度1mm。将共20片TC4隔热垫片2均匀放置在辅助固定基板3矩形分布的各预留孔301上，隔热垫片2尺寸为φ3.5×0.9mm，垫片圆孔201为φ2.2mm。使用镊子将各个隔热垫片2上垫片圆孔201与各个预留孔301对准。将预装有低温热层6的超长线列红外探测器1放置在辅助固定基板3上的隔热垫片2上，放置时使超长线列红外探测器1上各光孔104与已调整位置的隔热垫片2上垫片圆孔201对准，使用M2×10mm的钛合金螺钉贯穿拼接基板102上光孔104及垫片圆孔201与辅助固定基板3上预留螺孔301固定。固定时，使用扭力螺丝刀设置3牛顿力均匀上紧20个M2×10mm钛合金螺钉，使超长线列红外探测器1的拼接基板102、隔热垫片2及辅助固定基板3紧密固定，低温热层6在各M2×10mm钛合金螺钉固定过程中被超长线列红外探测器1的拼接基板102及辅助固定基板3上的隔热安装结构304压合固定。由2片0.1mm铟片与1片0.8mm银片组成的低温热层6厚度为1mm，而隔热垫片厚度为0.9mm，通过挤压安装可对低温热层6厚度方向产生0.1mm的压缩量。
3)将固定有超长线列红外探测器1的辅助固定基板3倒置并水平安放在专用工装台上，使芯片子模块101面向下，操作时注意芯片子模块101安全，避免触碰。将超长线列红外探测器1上预装低温热层6的18颗螺钉全部拆除。将“树状”低温柔性冷链5的六个固定块503贯穿辅助固定基板3上六个矩形孔302放置在低温热层6的铟片上，“树状”低温柔性冷链5选用无氧铜材料，本发明中为对称结构，六个固定块503间距离均为45mm，冷源安装端与固定块503距离为89mm。“树状”低温柔性冷链5通过线切割工艺，加工成如图3所示的有六个冷量传输支路的多片“S型”结构501。每个支路都包含中空的多片“S型”冷链501结构，每片厚度为0.25mm，间隔为0.3mm。“树状”低温冷链5在宽度方向中间通过线切割工艺，开有两条0.3mm宽的去应力沟505，去应力沟505仅贯穿六个支路固定块503与“S型”冷链501。安装时使各固定块503上各固定块孔504与低温热层6上安装孔601对准，使用M2×6mm不锈钢螺钉将“树状”低温柔性冷链5上各支路固定块503与低温热层6及拼接基板102上紧固定，上紧过程中，使用扭力螺丝刀设置3牛顿力进行上紧操作，确保各固定块503均匀上紧。
4)将两个中空圆锥支撑柱4分别固定在辅助固定基板3两端，中空圆锥支撑柱4使用钛合金TC4材料，壁厚0.25mm，高度为65mm。使用M3×6mm钛合金螺钉将辅助固定基板3上支撑安装孔303与中空圆锥支撑柱4上安装螺孔401上紧固定。将带有“树状”低温柔性冷链5及超长线列红外探测器1的辅助固定基板3通过中空圆锥支撑柱4固定在单点冷源7所属的承载面上，实现超长线列红外探测器1的桥式力学支撑。最后将树状低温柔性冷链5的冷源安装端502与单点冷源7耦合固定。
以上就完成了超长线列探测器与单点冷源的高温度均匀性耦合方法。
Claims (5)
1.超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构，它包括超长线列红外探测器(1)、隔热垫片(2)、辅助固定基板(3)、中空圆锥支撑柱(4)、树状低温柔性冷链(5)、低温热层(6)和单点冷源(7)；其特征在于：
所述的超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构为：辅助固定基板(3)的隔热安装结构(304)上为低温热层(6)，在辅助固定基板(3)上，低温热层(6)的周围有隔热垫片(2)；低温热层(6)及隔热垫片(2)上为超长线列探测器(1)；低温热层(6)下方为“树状”低温柔性冷链(5)，“树状”低温柔性冷链(5)的各固定块(503)穿过辅助固定基板(3)的各矩形孔(302)与低温热层(6)固定；在辅助固定基板(3)两侧安装有圆锥支撑柱(4)；“树状”低温柔性冷链(5)下方与单点冷源(7)固定。
2.根据权利要求1所述的的超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构，其特征在于：所述的辅助固定基板(3)选用热导率低且比重小的TC4材料，辅助固定基板(3)上有增加结构热阻的隔热安装结构(304)，辅助固定基板(3)两端有中空圆锥支撑柱(4)安装结构。
3.根据权利要求1所述的的超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构，其特征在于：所述的“树状”低温柔性冷链(5)选用无氧铜或纯铝材料，各个支路为中空多片“S型”冷链(501)结构，每片厚度为0.15-0.25mm，两片间间隙为0.3-0.5mm，在“树状”低温柔性冷链(5)的宽度方向中间有去应力沟(505)结构。
4.根据权利要求1所述的超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构，其特征在于：所述的低温热层(6)高度方向上为三层叠加结构，中间层选用金属银、金属铜或蓝宝石高热导率材料，上层及下层选用较软质地的金属铟；低温热层(6)采用两端“L”字型中间“Z”字型的多片排列“齿状咬合”结构。
5.一种实现如权利要求1所述的超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构的方法，其特征在于方法如下：
将超长线列红外探测器(1)倒置，使用不锈钢螺钉将低温热层(6)预固定在超长线列红外探测器(1)上；将超长线列红外探测器(1)向上放置；使用钛合金材质的螺钉将超长线列红外探测器(1)周向夹垫隔热垫片(2)固定在辅助固定基板(3)上，使隔热安装结构(304)将低温热层(6)与将超长线列红外探测器(1)压合固定；对辅助固定基板(3)表面进行抛光及镀金处理来降低其辐射漏热；将带有超长线列红外探测器(1)的辅助固定基板(3)倒置，将低温热层(6)上预固定螺钉全部拆下，将“树状”低温柔性冷链(5)的固定块(503)贯穿辅助固定基板(3)上矩形孔(302)使用不锈钢螺钉固定在低温热层(6)上；在辅助固定基板(3)两端使用钛合金螺钉安装中空圆锥支撑柱(4)；使用不锈钢螺钉将中空圆锥支撑柱(4)与单点冷源(7)所属安装平台固定，最后将“树状”低温柔性冷链(5)的冷源安装端(502)通过不锈钢螺钉与单点冷源(7)安装固定。
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