CN105261658A - 一种光电传感器封装及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电传感器封装，包括壳体和安装在壳体内的探测器元件及电路板，壳体主要由上壳盖和安装在上壳盖下端的底盖板组成，上壳盖与底盖板置采用螺丝固定、密封胶密封，探测器元件包括陶瓷基片和安装在陶瓷基片上的光电传感器，陶瓷基板的相对两侧面上分别制有一组管脚插孔，管脚插孔中安装输出管脚，输出管脚通过金属线与光电传感器的电路电连接，电路板的中部沿长度方向开设有凹槽，凹槽内设置半导体制冷器，电路板上靠近凹槽两侧分别开有焊接孔，传感器输出管脚插入焊接孔内并与位于焊接孔外侧的电路板转接管脚相连。本发明的优点是体积小，封装容易，不易漏气，制冷效果好。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种光电传感器封装及其方法。
背景技术
据申请人了解，在光电传感器制作过程中，厂家为了节约成本，常常制作裸片（即没有封装的探测器），如图4所示的线阵传感器，其裸片主要由陶瓷基片、镶嵌在陶瓷基片上的光电传感器材料以及由陶瓷基片下面伸出的引脚组成。光电传感器实现成像探测的前提条件是器件工作暗电流很小，现有技术中用于降低传感器工作暗电流最有效、最常用的方法是冷却法，即传感器需要在低温条件下工作，因此设计一种科学合理的封装结构满足传感器低温工作的要求成为光电传感器市场发展的趋势。经检索发现，公开号为CN104538462A的中国专利申请公开了一种光电传感器封装结构及其方法，该封装结构包括基板、盖板，基板上开设多条切割道将基板分隔形成多个基板单元，每个基板单元上端面均粘接有晶片并通过引线与基板单元电连接，这种封装结构的优点是一次能够封装多个芯片，但是该结构缺少制冷装置，通常采用自然冷却的方式为光电传感器提供低温环境，制冷效果较差，不能满足传感器低温工作的要求。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提出一种小型、一体化的集封装与散热为一体的光电传感器封装，同时给出了其封装方法。
为了达到以上目的，本发明的技术方案如下：
光电传感器封装，包括壳体和安装在壳体内的探测器元件及电路板，壳体主要由上壳盖和安装在上壳盖下端的底盖板组成，上壳盖与底盖板置采用螺丝固定、密封胶密封；探测器元件包括陶瓷基片和安装在陶瓷基片上的光电传感器，陶瓷基板的相对两侧面上分别制有一组管脚插孔，管脚插孔中安装输出管脚，输出管脚通过金属线与光电传感器的电路电连接；电路板的中部沿长度方向开设有凹槽，凹槽内设置半导体制冷器，电路板上靠近凹槽两侧分别开有长条形焊接孔，传感器输出管脚插入焊接孔内并与位于焊接孔外侧的电路板转接管脚相连。
据申请人了解，光电传感器提供低温环境的制冷方式有自然冷却、液氮制冷、强迫式空气冷却和半导体制冷器冷却等方式。针对光电传感器冷却技术中存在的问题，从制冷效果、工装尺寸、可操作性及与探测器适用性的角度出发，选用半导体制冷器冷却方式具有明显的优势。同时，本发明的光电传感器封装，体积小，将光电传感器、温度传器、半导体制冷器和电路板统一封装在壳体内，壳体内充氩气，并通过水循环散热，防止半导体制冷器在制冷过程中产生水凝结，达到最佳制冷效果。
本发明进一步完善的技术方案如下：
优选地，半导体制冷器的冷、热两端均涂覆有散热膏，该冷端紧贴陶瓷基片的底面设置，该热端紧贴底盖板设置；半导体制冷器通过电源线与外接电源连接。
优选地，上壳盖包括上盖板和数个从上盖板边缘向下垂直延伸的侧壁，数个侧壁相互连接并与上盖板共同形成一容纳腔，在其中一个侧壁上开有与容纳腔相连通的气孔；上盖板的底部制有正方形口，正方形口的边沿具有多个垂直向上延伸的侧板，多个侧板相互连接并与其上固定的面板共同形成一凸台腔，凸台腔与容纳腔相通，面板上开有窗口，窗口内安装玻璃窗。底盖板为长方形板，长方形板的两侧长边上分别开有一槽孔，两侧短边上分别制有一组螺丝孔，电路板转接管脚通过槽孔伸出。上盖板的底部边框高度是底盖板厚度的2倍，上盖板及底板盖采用铜质材料；上盖板上位于两侧分别制有一组与螺丝孔相对应的安装通孔，使固定螺丝穿过安装通孔并将其拧紧固定
本发明的壳体设计成上壳盖和底盖板结构，使封装结构的密封更加容易，半导体制冷效果更好。
底盖板的下端面上位于两槽孔中间设有储水盒，储水盒的两端分别设有进水头和出水头。半导体制冷器在制冷过程中容易凝结产生水，从而破坏光电传感器的结构，降低传感器的使用寿命。为了防止半导体制冷器在制冷过程中出现水凝结现象，需要对半导体制冷器热端进行散热处理，吸收热端通过底盖板传导出来的热量，并在腔体内充填高纯度氩气。因此在底盖板的底部设置储水盒，该储水盒的一端设置进水口，另一端设置出水口，外部冷却水由进水口进入储水盒，带走底盖板的热量后，又从出水口流出，完成一个水循环散热过程。这种水循环装置，使热量迅速散去，以保证半导体制冷效果达到最佳。
优选地，陶瓷基片上还设有温度传感器，温度传感器采用感温电阻，用于检测壳体内陶瓷基片上的温度，输出壳体内温度的检测信号。
为了达到以上目的，本发明的另一技术方案如下：
一种光电传感器封装方法，包括以下步骤：
一、制作陶瓷基片，在陶瓷基片的相对两侧面上制作由管脚插孔组成的管脚插孔阵列，并将输出管脚插到对应的管脚插孔中，再将光电传感器和温度传感器安装在陶瓷基片上，使光电传感器的电路通过金属线与输出管脚电连接，形成探测器元件，转第二步；
二、在电路板的中部沿长度方向开设凹槽，并在电路板上位于凹槽两侧开设焊接孔后，将半导体制冷器以冷端朝上、热端朝下的方式安装在凹槽内，转第三步；
三、将电路板的上表面固连在陶瓷基片的底面上，并将所述陶瓷基片的输出管脚与电路板的转接管脚相连后插到焊接孔内，得到电子元器件组件，转第四步；
四、制作上壳盖及底盖板：所述上壳盖包括上盖板和数个从上盖板边缘向下垂直延伸的侧壁，数个侧壁相互连接并与上盖板共同形成一容纳腔，在上盖板的底部开设正方形口，所述正方形口的边沿分别朝上延伸出侧板形成一“口”字形槽，所述“口”字形槽的顶端固连一用于密封容纳腔的面板；选用长方形板作为底盖板，在长方形板的两侧长边开一槽孔，两侧短边开数个螺丝孔，并在长方形板的底面固定安装储水盒，所述储水盒的一端设有进水头，另一端设有出水头；转第五步；
五、将电子元器件组件安装在上壳盖的容纳腔内，再将所述电路板的转接管脚与底盖板的延伸管脚相连后插到槽孔中，然后使固定螺丝穿过位于上盖板两侧边的安装通孔，并将其拧紧于螺丝孔，使底盖板与上壳盖固定连接得到组装好的模块；转第六步；
六、将组装好的模块放入手套箱后，手套箱进行如下处理：对手套箱抽真空至0.1个大气压，再充入氩气至1个大气压，循环抽真空与充气操作1～3次，然后采用密封胶将位于上壳盖侧壁上的气孔密封；
七、模块在手套箱内放置24小时后取出，封装结束。
本发明的封装采用氩气封装，其内置1个大气压的氩气，减少了封装难度，使封装效果更好，同时避免了传统封装方法中不断抽真空程序。
优选地，在面板上开设窗口，并将玻璃窗安装在窗口中，用于透光，采用密封胶密封窗口。
优选地，上壳盖的安装通孔，底盖板的螺丝孔、槽孔以及上壳盖与底盖板的连接位置均采用密封胶密封。
优选地，上壳盖的底部边框高度为底盖板厚度的2倍，且所述上盖板的厚度与底盖板厚度相同，上壳盖及底板盖采用铜质材料。
本发明的优点是体积小，封装容易，不易漏气，制冷效果好。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为本发明中上壳盖的结构示意图。
图3为本发明中底盖板的结构示意图。
图4为本发明中探测器元件的结构示意图。
图5为本发明中电路板的结构示意图。
图6为本发明中半导体制冷器的结构示意图。
图中：1.蓝宝石玻璃窗，2.上壳盖，3.光电传感器，4.陶瓷基片，5.电路板，6.转接管脚，7.半导体制冷器，8.底盖板，9.气孔，10.进水头，11.储水盒，12.延伸管脚，13.出水头，14.上盖板，15.窗口，16.安装通孔，17.侧壁，18.侧板，19.面板，20.槽孔，21.螺丝孔，22.输出管脚，23.凹槽，24.焊接孔，25.电源线。
具体实施方式
实施例一
本实施例的光电传感器封装，其结构如图1所示，包括壳体和安装在壳体内的探测器元件及电路板5，其中壳体主要由上壳盖2和安装在上壳盖2下端的底盖板8组成，上壳盖2与底盖板8置采用螺丝固定连接后在连接处采用密封胶密封，上壳盖2及底盖板8均采用黄铜制成，且上壳盖2底部边框高度是底盖板8厚度的2倍，上盖板2厚度与底盖板8厚度一致，不仅使制冷效果达到最佳，还能尽快散热，防止水凝结。上壳盖2包括上盖板14和四个从上盖板14边缘向下垂直延伸的侧壁17，四个侧壁17相互连接并与上盖板14共同形成一容纳腔，在其中一个侧壁17上开有与容纳腔相连通的气孔9，上盖板14的底部制有正方形口，正方形口的边沿具有四个垂直向上延伸的侧板18，四个侧板18相互连接并与其上固定的面板19共同形成一凸台腔，凸台腔与容纳腔相通组成壳体内部空间，在面板19上开有窗口15，窗口15内安装蓝宝石玻璃窗1，另上盖板14上位于正方形口两侧分别制有三个安装通孔16（见图2）。底盖板8为长方形板，长方形板的两侧长边上分别开有一槽孔20，两侧短边上分别制有三个与安装通孔16相对应的螺丝孔21，使固定螺丝穿过安装通孔16并将其拧紧于螺丝孔21后，上壳盖2与底盖板8固连，再采用硅胶密封螺丝孔21、安装通孔16及上盖板2与底盖板8连接处缝隙，长方形板的下端面上位于两槽孔20中间位置设有储水盒11，储水盒11的一端设有进水头10，另一端设有出水头13（见图3）。
探测器元件包括导热性好的陶瓷基片4和安装在陶瓷基片4上的光电传感器3及温度传感器（温度传感器采用感温电阻，用于检测壳体内陶瓷基片上的温度，输出壳体内温度的检测信号），陶瓷基板4的相对两侧面上分别制有一组管脚插孔，管脚插孔中设置输出管脚22，输出管脚22通过金属线与光电传感器3的电路电连接（见图4）。电路板5的中部沿长度方向开设有凹槽23，凹槽23内设置半导体制冷器7，而在电路板5上靠近凹槽23两侧分别开有长条形焊接孔24，输出管脚22插入焊接孔24内并与位于焊接孔24外侧的电路板5的转接管脚6相连（见图5）。同时电路板5的转接管脚6通过槽孔20伸出，伸出部分为延伸管脚12，槽孔20插接管脚后采用硅胶密封。
半导体制冷器7如图6所示，通过电源线25与外接电源连接。其冷、热两端均涂覆有散热膏，冷端紧贴陶瓷基片4的底面设置，热端紧贴底盖板8设置。
本实施例的光电传感器封装方法，包括以下步骤：
一、制作陶瓷基片4，在陶瓷基片4的相对两侧面上制作由一组管脚插孔组成的管脚插孔阵列，并将输出管脚22插到对应的管脚插孔中，再将光电传感器3和温度传感器安装在陶瓷基片4上，使光电传感器3的电路通过金属线与输出管脚22电连接，形成探测器元件，转第二步。
二、在电路板5的中部沿长度方向开设凹槽23，并在电路板5上位于凹槽23两侧开设焊接孔24，然后将半导体制冷器7以冷端朝上、热端朝下的方式安装在凹槽23中，转第三步。
三、将电路板5的上表面固连在陶瓷基片4的底面上，并将陶瓷基片4的输出管脚22与电路板5的转接管脚6相连后插到焊接孔24内，得到电子元器件组件，转第四步。
四、制作上壳盖2及底盖板8，上壳盖2底部边框高度为底盖板8厚度的2倍，且上盖板14的厚度与底盖板8厚度相同，且上壳盖2及底板盖8均采用铜质材料：上壳盖2包括上盖板14和四个从上盖板14边缘向下垂直延伸的侧壁17，四个侧壁17相互连接并与上盖板14共同形成一容纳腔，在上盖板14的中部开设正方形口，正方形口的边沿分别朝上延伸出侧板18形成一“口”字形槽，“口”字形槽的顶端固连一用于密封容纳腔的面板19，在面板19上开设窗口15，并将蓝宝石玻璃窗1安装在窗口15中，用于透光；选用长方形板作为底盖板8，在长方形板的长边两侧开一槽孔20，短边两侧开三个螺丝孔21，并在长方形板的底面固定安装储水盒11，储水盒11的一端设有进水头10，另一端设有出水头13；转第五步。
五、将电子元器件组件安装在上壳盖2的容纳腔内，再将电路板5的转接管脚6与底盖板8的延伸管脚12相连后插到槽孔20中，然后使固定螺丝穿过位于上盖板14两侧边的安装通孔16，并将其拧紧于螺丝孔21，使底盖板8与上壳盖2固定连接得到组装好的模块，组装后在壳体的缝隙处，即上壳盖2的安装通孔16，底盖板8的螺丝孔21、槽孔20以及上壳盖2与底盖板8的连接位置均采用密硅胶密封；转第六步。
六、将组装好的模块放入手套箱后，手套箱进行如下处理：对手套箱抽真空至0.1个大气压，充入氩气至1个大气压，再抽真空至0.1个大气压，冲入氩气至1个大气压，然后在充满氩气的手套箱内采用硅胶将位于上壳盖2侧壁17上的气孔9密封。
七、模块在手套箱内放置24小时，取出，封装结束。
将本实施例的光电传感器封装安装在机载成像光谱仪上，得到了很好的验证，达到了预期效果。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种光电传感器封装，包括壳体和安装在壳体内的探测器元件及电路板，其特征是：所述壳体主要由上壳盖和安装在上壳盖下端的底盖板组成，所述上壳盖与底盖板置采用螺丝固定、密封胶密封；所述探测器元件包括陶瓷基片和安装在陶瓷基片上的光电传感器，所述陶瓷基板的相对两侧面上分别制有一组管脚插孔，所述管脚插孔中安装输出管脚，所述输出管脚通过金属线与光电传感器的电路电连接；所述电路板的中部沿长度方向开设有凹槽，所述凹槽内设置半导体制冷器，所述电路板上靠近凹槽两侧分别开有焊接孔，所述传感器输出管脚插入焊接孔内并与位于焊接孔外侧的电路板转接管脚相连。
2.根据权利要求1所述一种光电传感器封装，其特征是：所述半导体制冷器的冷、热两端均涂覆有散热膏，该冷端紧贴陶瓷基片的底面设置，该热端紧贴底盖板设置；所述半导体制冷器通过电源线与外接电源连接。
3.根据权利要求1所述一种光电传感器封装，其特征是：所述上壳盖包括上盖板和数个从上盖板边缘向下垂直延伸的侧壁，数个侧壁相互连接并与上盖板共同形成一容纳腔，在其中一个侧壁上开有与容纳腔相连通的气孔；所述上盖板的底部制有正方形口，所述正方形口的边沿具有多个垂直向上延伸的侧板，多个侧板相互连接并与其上固定的面板共同形成一凸台腔，所述凸台腔与容纳腔相通，所述面板上开有窗口，所述窗口内安装玻璃窗。
4.根据权利要求3所述一种光电传感器封装，其特征是：所述底盖板为长方形板，所述长方形板的两侧长边上分别开有一槽孔，两侧短边上分别制有一组螺丝孔，所述电路板转接管脚通过槽孔伸出；所述底盖板的下端面上位于两槽孔中间设有储水盒，所述储水盒的两端分别设有进水头和出水头。
5.根据权利要求4所述一种光电传感器封装，其特征是：所述上壳盖的底部边框高度是底盖板厚度的2倍，所述上盖板上位于正方形口两侧分别制有一组与螺丝孔相对应的安装通孔，使固定螺丝穿过安装通孔并将其拧紧固定。
6.根据权利要求1所述一种光电传感器封装，其特征是：所述陶瓷基片上还设有温度传感器，所述温度传感器采用感温电阻，用于检测壳体内陶瓷基片上的温度，输出壳体内温度的检测信号。
7.一种光电传感器封装方法，其特征是，包括以下步骤：
一、制作陶瓷基片，在陶瓷基片的相对两侧面上制作由管脚插孔组成的管脚插孔阵列，并将输出管脚插到对应的管脚插孔中，再将光电传感器和温度传感器安装在陶瓷基片上，使光电传感器的电路通过金属线与输出管脚电连接，形成探测器元件，转第二步；
二、在电路板的中部沿长度方向开设凹槽，并在电路板上位于凹槽两侧开设焊接孔后，将半导体制冷器以冷端朝上、热端朝下的方式安装在凹槽内，转第三步；
三、将电路板的上表面固连在陶瓷基片的底面上，并将所述陶瓷基片的输出管脚与电路板的转接管脚相连后插到焊接孔内，得到电子元器件组件，转第四步；
四、制作上壳盖及底盖板：所述上壳盖包括上盖板和数个从上盖板边缘向下垂直延伸的侧壁，数个侧壁相互连接并与上盖板共同形成一容纳腔，在上盖板的底部开设正方形口，所述正方形口的边沿分别朝上延伸出侧板形成一“口”字形槽，所述“口”字形槽的顶端固连一用于密封容纳腔的面板；选用长方形板作为底盖板，在长方形板的两侧长边开一槽孔，两侧短边开数个螺丝孔，并在长方形板的底面固定安装储水盒，所述储水盒的一端设有进水头，另一端设有出水头；转第五步；
五、将电子元器件组件安装在上壳盖的容纳腔内，再将所述电路板的转接管脚与底盖板的延伸管脚相连后插到槽孔中，然后使固定螺丝穿过位于上盖板两侧边的安装通孔，并将其拧紧于螺丝孔，使底盖板与上壳盖固定连接得到组装好的模块；转第六步；
六、将组装好的模块放入手套箱后，手套箱进行如下处理：对手套箱抽真空至0.1个大气压，再充入氩气至1个大气压，循环抽真空与充气操作1～3次，然后采用密封胶将位于上壳盖侧壁上的气孔密封；
七、模块在手套箱内放置24小时，取出，封装结束。
8.根据权利要求7所述一种光电传感器封装方法，其特征是：在所述面板上开设窗口，并将玻璃窗安装在窗口中，用于透光，采用密封胶密封窗口。
9.根据权利要求8所述一种光电传感器封装方法，其特征是：所述上壳盖的安装通孔，底盖板的螺丝孔、槽孔以及上壳盖与底盖板的连接位置均采用密封胶密封。
10.根据权利要求9所述一种光电传感器封装方法，其特征是：所述上壳盖的底部边框高度为底盖板厚度的2倍，且所述上盖板的厚度与底盖板厚度相同，所述上壳盖及底板盖采用铜质材料。
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