CN105486025B - 一种集成深低温制冷装置的大功率光电探测器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成深低温制冷装置的大功率光电探测器组件，组件由外壳、管帽、光学窗口等部分组成。组件带有抽气口、进出液口，在其内部集成了可工作在深低温的制冷装置及大功率探测器芯片，对于100K左右的制冷温度，可选用液氮作为导冷循环液。工作时液氮从进液口进入到制冷装置，在制冷装置内部循环后从出液口排出。工作时抽气口接真空泵，对探测器内部抽气，避免内部芯片表面结冰。该组件可以对100W～500W的芯片进行制冷，实现芯片在100K以下的持续工作。

Description

一种集成深低温制冷装置的大功率光电探测器组件
技术领域
本发明公开了一种集成深低温制冷装置的大功率光电探测器组件，组件可以实现功率在100W～500W的大功率芯片真空制冷封装，适用于电阻阵等类似的大功率探测器组件。
背景技术
大功率电阻阵探测器是红外场景模拟系统中的核心部件之一，这种探测器通过对不同像元施加不同的电压信号，从而使得不同像元具有不同的红外辐射能量，所有像元组合起来形成模拟目标的红外辐射特征。电阻阵探测器的像素规模已经达到实用化，基于这种技术的红外景象生成装置在各种红外动态目标模拟领域得到越来越多的应用。为了模拟特定的目标，需要电阻阵工作在很低的温度下，并要有比较高的功率，比如500W的电阻阵要工作在100K的深低温下。
目前对于红外探测器的制冷大多采用机械制冷机，但是制冷机产品还无法实现对数百瓦的探测器进行制冷并维持在100K左右的深低温。为了避免结水、结霜等影响探测器的工作，深低温工作的探测器还要处于真空环境中。另外还有一个低温下材料间的热失配问题。
为解决以上问题，本发明提出了一种新型的大功率真空封装结构的组件，组件内部集成制冷装置、真空维持接口等。组件采用螺钉连接结构，结构可靠且易于维护。
发明内容
本发明的目的是提供一种可实现数百瓦制冷量并能稳定工作在100K左右深低温的组件。通过更换不同种类的循环液，该结构也可以用于室温下大功率探测器的封装组件。该组件主要解决了以下几个问题：第一、类似电阻阵等功率在数百瓦及以上探测器的制冷封装，在液氮作为冷却介质情况下可以实现100K以下的制冷温度；第二、组件密封封装后一般无法拆卸，或者即使可以拆卸也是一种破坏性的拆解，本发明的结构采用了螺钉连接结构，既可以保证有效的密封封装，也可以便于维护时的检查、拆卸和更换零部件。第三、该结构的电极板是采用陶瓷加工制备的，可以实现高密度的引线。
本专利的一种深低温工作的大功率光电探测器组件结构如图1所示。包括外壳1、管帽2、光学窗口3、管帽固定螺钉4、探测器芯片5、液冷装置6、隔热密封圈7和液冷装置固定螺钉8。
外壳1选用柯伐合金金属。在外壳1的上部加工16个与管帽2位置对应的M1.6螺孔108，在底部有8个与液冷装置6位置对应的Ф2.5的通孔106，底部有2个Ф8.0的通孔107，用于液冷装置的进液管和出液管的穿出，底部外侧8个Ф3.5的沉头孔105用于组件的安装固定，与管帽2定位安装的面上放置金属密封圈104。壳体101与真空插座102通过激光焊接工艺密封焊接在一起。
液冷装置6主要由液冷室601、低温密封圈602、液冷底板603、出液管604、进液管610五部分组成。液冷室601和液冷底板603采用具有高导热、低膨胀系数的钼、钨铜合金材料加工。液冷底板603上有8个Ф2.5的通孔607，其位置与外壳的通孔106对应，也与液冷室601上的8个M2.0螺纹通孔608对应。液冷底板603底部的大环形槽605，用于安装大隔热密封圈701，小环形槽606用于安装小隔热密封圈702。液冷室601上有676个按1.0mm×1.0mm阵列排布的扰流柱609，每个扰流柱大小为0.5mm(长)×0.5mm(宽)×3.0mm(高)。液冷装置6的进出液管610、604和液冷底板603通过真空钎焊工艺密封焊接在一起，液冷室601、低温密封圈602、液冷底板603通过销钉定位方式定位组装在一起。
隔热密封圈采用导热性能差的高分子材料加工，如玻璃钢、聚四氟乙烯等。大隔热密封圈701和小隔热密封圈702放在液冷底板对应的环形槽内，液冷装置6放在外壳1内，通过8个M2.0的液冷装置固定螺钉8将液冷装置6与外壳1连接在一起。
探测器芯片5与液冷室601通过低温软金属焊料焊接在一起，探测器芯片5与外壳1上的真空插座102通过超声波键合的工艺电学连接在一起。
管帽2选用柯伐合金金属。光学窗口3通过环氧胶粘贴或金属焊料焊接的方式与管帽2密封连接在一起。
外壳1上放置金属密封圈104，然后放置管帽2，使面201与金属密封圈104接触。外壳1与管帽2通过将16个M1.6管帽固定螺钉4对应安装穿过管帽2上的Ф1.8通孔202并与外壳1的上16个M1.6螺孔108螺接旋紧连接在一起。
本发明的优点在于，采用本发明的方案制作的封装结构，可以实现功率在100W～500W的大功率芯片真空制冷封装，可以实现大功率器件的100K下的深低温工作。
附图说明
图1组件结构剖面图；
1-外壳、2-管帽、3-光学窗口、4-管帽固定螺钉、5-探测器芯片、6-液冷装置、7-隔热密封圈、8-液冷装置固定螺钉；
图2封装结构爆炸图。
2-管帽、3-光学窗口、4-管帽固定螺钉、5-探测器芯片、8-液冷装置固定螺钉、101-壳体、102-真空插座、103-抽气口、104-金属密封圈、601-液冷室、602-低温密封圈、603-液冷底板、604-出液管、610-进液管、701-大隔热密封圈、702-小隔热密封圈。
图3组件结构立体图。
图4外壳结构示意图；
102-真空插座、103-抽气口、104-金属密封圈、105-Ф3.5的沉头孔、106-Ф2.5通孔、107-Ф8.0通孔、108-M1.6螺孔、109-定位安装面。
图5液冷装置结构图；
601-液冷室、602-低温密封圈、603-液冷底板、604-出液管、605-大方形槽、606-小方形槽、607-Ф2.5通孔、608-M2.0螺孔、609-扰流柱、610-进液管。
图6管帽结构示意图；
2-管帽、201-密封圈安装面、202-Ф1.8通孔、203-上表面、204-通光区、205-窗口定位面。
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
a)外壳1选用低膨胀系数的合金金属加工，如柯伐、殷钢等材料。在外壳1的外形尺寸100mm(长)×100mm(宽)×18mm(高)，在上部加工M1.6螺孔108，深度大于3mm，每边4个共16个，每边上按20mm的等间隔分布。在底部有8个Ф2.5的通孔106，按照方形单排排布，每边上的相邻通孔的间隔为17mm。底部加工2个Ф8.0的通孔107，间距16mm。底部外侧8个Ф3.5的沉头孔105用于组件的安装固定，按照方形单排排布，在每条边上相邻孔的间隔为43mm。外壳1底部靠经腔体的边缘焊接1根Ф3.0的无氧铜管103，真空插座102通过激光焊在外壳1的底边上。加工时定位安装面109的平面度要优于0.01mm，光洁度优于0.8。
b)液冷装置6的液冷室601和液冷底板603用钼加工，低温密封圈602用低温橡胶加工，进出液管604采用无氧铜加工。液冷室601上加工8个M2.0的螺纹通孔608，液冷底板603上加工8个Ф2.5的通孔607，螺纹通孔608和通孔607都是按照方形单排排布，在每条边上相邻孔的间隔为17mm。液冷底板603上靠近进出液管604的面加工大方形槽605和小方形槽606，槽宽1mm。液冷底板603各零部件加工完成后进出液管604与液冷底板603真空钎焊。
c)管帽2选用柯伐、殷钢等合金金属加工。在管帽2的四边加工Ф1.8的通孔202，每边4个共16个，每边上按20mm的等间隔分布。管帽的中间根据光学窗口3的尺寸加工通光区204和定位面205，定位面的宽度1.0mm～2.0mm，定位面205距离上表面203的距离比光学窗口3的厚度大0.2mm。
2.装配及密封工艺
a)按照安装后的相对位置自下而上，依次把液冷室601、低温密封圈602、液冷底板603、大隔热密封圈701、小隔热密封圈702放置好。放置时确认低温密封圈602位于液冷底板603上的定位槽中，大隔热密封圈701位于液冷底板603上的大方形槽605中，小隔热密封圈702位于液冷底板603上的小方形槽606中。
b)将外壳1的反扣放置，与液冷装置6对位时，根据配合关系将进出液管604分别从两个Ф8.0的通孔107中穿出。将8个M2.0的液冷装置固定螺钉8依次穿过外壳1底部的8个Ф2.5通孔、液冷底板603上的8个Ф2.5通孔607，并与液冷室601上的8个M2.0螺纹通孔608接触。然后旋紧液冷装置固定螺钉8，旋紧力矩5cN.m～10cN.m。
c)用高导热银浆或低温金属焊料将探测器芯片5固定在液冷室601上。
d)在外壳1的定位安装面109上放置金属密封圈104，厚度0.3mm～0.5mm。管帽2对位放置在外壳1上，放置时使面201与金属密封圈104接触，Ф1.8通孔202与螺孔108位置对应。然后将16个管帽固定螺钉4穿过通孔202并旋入螺孔108，旋紧力矩3cN.m～8cN.m。
e)反向操作上述步骤就可以分离各个零件。

Claims (5)

1.一种集成深低温制冷装置的大功率光电探测器组件，它包括外壳(1)、管帽(2)、光学窗口(3)、管帽固定螺钉(4)、探测器芯片(5)、液冷装置(6)、隔热密封圈(7)和液冷装置固定螺钉(8)，其特征在于：
光学窗口(3)通过环氧胶粘贴或金属焊料焊接的方式与管帽(2)密封连接在一起，外壳(1)上放置金属密封圈(104)，然后放置管帽(2)，使密封圈安装面(201)与金属密封圈(104)接触，外壳(1)与管帽(2)通过将16个M1.6管帽固定螺钉(4)对应安装穿过管帽(2)上的Ф1.8通孔(202)并与外壳1的上16个M1.6螺孔(108)螺接旋紧连接在一起，液冷装置(6)的进出液管(610)、(604)和液冷底板(603)通过真空钎焊工艺密封焊接在一起，液冷室(601)、低温密封圈(602)、液冷底板(603)通过销钉定位组装在一起；大隔热密封圈(701)和小隔热密封圈(702)放在液冷底板对应的环形槽内，液冷装置(6)放在外壳(1)内，通过8个M2.0的液冷装置固定螺钉(8)将液冷装置(6)与外壳(1)连接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种集成深低温制冷装置的大功率光电探测器组件，其特征在于：所述的外壳(1)选用柯伐合金，在外壳(1)的上部加工16个与管帽(2)位置对应的M1.6螺孔(108)，在底部有8个与液冷装置(6)位置对应的Ф2.5的通孔(106)，底部有2个Ф8.0的通孔(107)，用于液冷装置(6)的进液管(610)和出液管(604)的穿出，底部外侧8个Ф3.5的沉头孔(105)用于组件的安装固定，与管帽(2)定位安装的面上放置金属密封圈(104)，壳体(101)与真空插座(102)通过激光焊接工艺密封并固定。
3.根据权利要求1所述的一种集成深低温制冷装置的大功率光电探测器组件，其特征在于：所述的液冷装置(6)由液冷室(601)、低温密封圈(602)、液冷底板(603)、出液管(604)、进液管(610)五部分组成，液冷室(601)和液冷底板(603)采用钼或钨铜合金，液冷底板(603)上有8个Ф2.5的通孔(607)，其位置与外壳的通孔(106)对应，也与液冷室(601)上的8个M2.0螺纹通孔(608)对应，液冷底板(603)底部的大环形槽(605)，用于安装大隔热密封圈(701)，小环形槽(606)用于安装小隔热密封圈(702)；液冷室(601)上有676个按1.0mm×1.0mm阵列排布的扰流柱(609)，每个扰流柱大小为：长0.5mm，宽0.5mm，高3.0mm。
4.根据权利要求1所述的一种集成深低温制冷装置的大功率光电探测器组件，其特征在于：所述的大隔热密封圈(701)和小隔热密封圈(702)采用高分子材料玻璃钢或聚四氟乙烯加工。
5.根据权利要求1所述的一种集成深低温制冷装置的大功率光电探测器组件，其特征在于：所述的管帽(2)选用柯伐合金金属。
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