CN109186754A - 一种分体式KIDs探测器样品封装装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一种分体式KIDs探测器样品封装装置，包含盒体、盖板、CPW电路板、玻璃绝缘子、SMA和芯片载体，芯片载体的上侧面上开有与芯片匹配的槽道，芯片卡设在芯片载体的槽道内，盒体下侧面设置有与芯片载体匹配的凹口，设置有芯片的芯片载体固定设置在盒体下侧的凹口内，盖板可拆卸设置在盒体上侧，两片CPW电路板分别固定在盒体内并且两片CPW电路板分别与芯片两侧位置对应，两组SMA和玻璃绝缘子分别固定在盒体两端并且与两片CPW电路板连接。本发明便于KIDs芯片安装拆卸。
Description
技术领域
本发明涉及一种样品封装装置，特别是一种分体式KIDs探测器样品封装装置。
背景技术
超导动态电感探测器（Kinetic Inductance Detectors, KIDs）是一种新型低温高灵敏度探测器，可用于从毫米波到太赫兹、光学/紫外、X射线、γ频段的目标成像观测。KIDs探测器核心电路主要由光子信号接收器和微波谐振器两个部分组成，根据KIDs工作原理，当外部射频信号辐照KIDs探测器，接收器接受光子能量后发生超导库珀对破裂的现象，将导致微波谐振器的动态电阻和动态电感的变化，从而引起了微波谐振器特性（Q因子、幅度、相位等）变化。通过读出电路获取微波谐振器的（幅度或相位）变化信息，即可间接探测到入射光子信号的信息特征。由于KIDs探测器微波谐振器可实现超过104以上的高Q值设计，使得在一根单一的传输线上有可能耦合多个(>1000)具有不同谐振频率的KIDs探测器成为可能。若采用梳状信号发生器在传输线上外加与KIDs探测器阵列单元的谐振频率一一对应的激励信号，通过频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）技术，即可同时读取KIDs探测器阵列所有输出信号。
在超导KIDs探测器电路系统中，安装超导KIDs探测器芯片的样品封装装置无疑是其中关键和必需的部件之一。一般情况下，该封装装置主要由KIDs芯片、共面波导传输线（CPW）、SMA(Sub-Miniature-A的简称,一种微型连接器)接头、邦定连接线、封装装置壳体、盖板、螺丝等组成。KIDs芯片需要固定封装装置内壁的底板上，以保证良好的热接触。主要的固定方法有两种：一种是直接采用低温胶水将KIDs芯片直接粘附在样品封装装置内壁的底板上；另一种是采用磷青铜制作成具有一定弹性的触爪，并通过该触爪将芯片压在底板上。
在实际使用中发现这两种方法也存在着一些不足之处，使得封装装置拆卸耗费的时间较长，成功率降低。例如，对于低温胶水固定方式，胶水的用量和涂抹方式有很多讲究：如果涂得的太少，芯片粘附可能不够牢靠，在多次制冷/回温的循环中容易出现芯片脱落现象；涂得过多，则芯片中心位置有可能会悬空，因而不能与样品封装装置底板保持良好的热接触，使得芯片中心位置的温度高于边缘位置。如果在整个芯片的背面及相对应安装盒接地面都涂满低温胶水，则粘结可靠，热接触良好。但若想更换芯片时，由于芯片中央位置很难被丙酮浸润，在极端状况下可能需要浸泡两三天时间才能将KIDs芯片从样品盒基板上取下。对于磷青铜触爪方式，则触爪压的松紧完全靠经验估计。若压得过松或者过紧，在低温下发生芯片松动开路或者碎掉的情况也都有发生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种分体式KIDs探测器样品封装装置，便于KIDs芯片安装拆卸。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种分体式KIDs探测器样品封装装置，其特征在于：包含盒体、盖板、CPW电路板、玻璃绝缘子、SMA和芯片载体，芯片载体的上侧面上开有与芯片匹配的槽道，芯片卡设在芯片载体的槽道内，盒体下侧面设置有与芯片载体匹配的凹口，设置有芯片的芯片载体固定设置在盒体下侧的凹口内，盖板可拆卸设置在盒体上侧，两片CPW电路板分别固定在盒体内并且两片CPW电路板分别与芯片两侧位置对应，两组SMA和玻璃绝缘子分别固定在盒体两端并且与两片CPW电路板连接。
进一步地，所述芯片载体的前侧面为凸字型，芯片载体在凸字型上侧沿芯片载体横向开设有一条与芯片形状匹配的槽道，芯片卡设在该槽道内并通过低温胶固定，槽道底部均匀开设有多个贯穿芯片载体纵向的通孔。
进一步地，所述盒体为上下两侧敞开的空心盒体，盒体的前后两侧面的下端设置有与芯片载体匹配的凸字型凹口，盒体内设置有两个固定部，两个固定部分别固定在盒体内侧两端，芯片载体插设在盒体下侧的凹口内并通过螺栓锁紧固定在固定部上。
进一步地，所述两片CPW电路板分别固定在两个固定部上侧，在芯片载体插入固定在盒体下侧凹口内状态下，芯片与两片CPW电路板在同一平面并且留有微小缝隙。
进一步地，所述两个SMA固定在盒体两端外侧并且与两片CPW电路板位置对应，盒体两端端部开有与玻璃绝缘子匹配的通孔，玻璃绝缘子固定在该通孔内并且玻璃绝缘子的两端分别与SMA和CPW电路板连接。
进一步地，所述盖板下侧设置有凸起部，盖板边沿和盒体上侧边沿设置有相互对应的螺纹孔，盖板盖设在盒体上侧并且通过螺栓固定，在盖板盖设固定的状态下，盖板边沿设置在盒体边沿上侧面上，盖板的凸起部的侧面与盒体内壁接触并且盖板下侧压设在CPW电路板上侧面上，盖板的凸起部对应CPW电路板位置开开设有与CPW电路板匹配的凹槽。
进一步地，所述盒体的两端下侧设置有水平向盒体两端外侧延伸的耳部，耳部开设有螺孔用于固定在杜瓦冷板上进行测试。
进一步地，所述芯片载体采用无氧铜材料，盒体和盖板采用紫铜、铝、铝合金或黄铜材料。
进一步地，所述盒体和盖板采用采用具有静磁屏蔽作用的高磁导率材料或者超导材料加工。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本发明使得芯片和芯片载体固定成一个整体，一般情况下不需要单独将芯片从芯片载体上取下来，因此能够快速、方便地的更换芯片（含载体）或者盒体，提高了盒体的复用率；
2、本发明在芯片载体背板上均匀分布的孔隙，在安装芯片时便于将低温胶均匀涂覆在芯片背面，而过剩的低温胶可通过轻压过程从缝隙处挤出，而当必须需把芯片从载体上取下时，可以将整个芯片和载体浸泡在丙酮溶液中，多个孔隙的存在使得丙酮更易渗入芯片背面，使得低温胶溶解过程大大加快；
3、本发明除芯片载体采用无氧铜以保证良好的低温导热以外，盒体其他部分可以采用相对于无氧铜价格更为低廉的紫铜、铝/铝合金材料或更易加工黄铜材料来制作，有效的降低了样品装置的成本；
4、本发明盖板采用沉入式共形设计，可以抑制CPW电路板表面的高次模以及空间耦合等电磁兼容问题；
5、本发明除芯片载体以外的盒体及其他部分亦可以采用磁屏蔽材料加工制作，因而可以减少外界静磁场和地磁场的干扰，提高KIDs探测器的灵敏度。
附图说明
图1是本发明的一种分体式KIDs探测器样品封装装置的示意图。
图2是本发明的一种分体式KIDs探测器样品封装装置的分拆图。
图3是本发明的芯片载体的示意图。
图4是本发明的盖板的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1和2所示，本发明的一种分体式KIDs探测器样品封装装置，包含盒体1、盖板2、CPW电路板3、玻璃绝缘子4、SMA5和芯片载体6，芯片载体6的上侧面上开有与芯片7匹配的槽道，芯片7卡设在芯片载体6的槽道内，盒体1下侧面设置有与芯片载体6匹配的凹口8，设置有芯片7的芯片载体6固定设置在盒体1下侧的凹口8内，盖板2可拆卸设置在盒体1上侧，两片CPW电路板3分别固定在盒体1内并且两片CPW电路板3分别与芯片7两侧位置对应，两组SMA5和玻璃绝缘子4分别固定在盒体1两端并且与两片CPW电路板3连接。分体式载体使得芯片和载体固定成一个整体，一般情况下不需要将单独将芯片从载体上取下来，因此快速、方便地的更换芯片（含载体）或者盒体，提高了盒体的复用率。SMA连接器是一种微型连接器，具有高力学强度、高耐久性、高可靠性及低VSWR等显著特点，在各种微型回路包括密封结构的使用条件下是最佳的选择。SMA连接器可以使用于各种不同的场合。例如测量测试、移动通信、电子设备等等。
如图3所示，芯片载体6的前侧面为凸字型，芯片载体6在凸字型上侧沿芯片载体6横向开设有一条与芯片7形状匹配的槽道，芯片7卡设在该槽道内并通过低温胶固定，槽道底部均匀开设有多个贯穿芯片载体纵向的通孔9。在芯片载体背板上均匀分布的通孔，在安装芯片时便于将低温胶均匀涂覆在芯片背面，而过剩的低温胶可通过轻压过程从通孔处挤出，而当必须需把芯片从载体上取下时，可以将整个芯片和载体浸泡在丙酮溶液中，多个通孔的存在使得丙酮更易渗入芯片背面，使得低温胶溶解过程大大加快。
盒体1为上下两侧敞开的空心盒体，盒体1的前后两侧面的下端设置有与芯片载体6匹配的凸字型凹口8，盒体1内设置有两个固定部10，两个固定部10分别固定在盒体1内侧两端，芯片载体6插设在盒体1下侧的凹口内并通过螺栓锁紧固定在固定部10上。
两片CPW电路板3分别固定在两个固定部10上侧，在芯片载体6插入固定在盒体1下侧凹口8内状态下，芯片7与两片CPW电路板3在同一平面并且留有微小缝隙。
两个SMA5固定在盒体1两端外侧并且与两片CPW电路板3位置对应，盒体1两端端部开有与玻璃绝缘子4匹配的通孔，玻璃绝缘子4固定在该通孔内并且玻璃绝缘子4的两端分别与SMA5和CPW电路板3连接。CPW电路两侧的接地导体保持紧密接触，而与CPW电路板中心导体和KIDs芯片上表面保持适当距离，宽度小于3mm，高度差小于1.5mm，从而保证在<80GHz频率范围内，CPW电路板不会出现高次模和辐射泄露。
如图4所示，盖板2下侧设置有凸起部11，盖板2边沿和盒体1上侧边沿设置有相互对应的螺纹孔，盖板2盖设在盒体1上侧并且通过螺栓固定，在盖板2盖设固定的状态下，盖板2边沿设置在盒体1边沿上侧面上，盖板2的凸起部的侧面与盒体1内壁接触并且盖板2下侧压设在CPW电路板3上侧面上，盖板2的凸起部11对应CPW电路板3位置开开设有与CPW电路板3匹配的凹槽12。盖板采用沉入式共形设计，可以抑制CPW电路板表面的高次模以及空间耦合等电磁兼容问题。
盒体1的两端下侧设置有水平向盒体1两端外侧延伸的耳部13，耳部13开设有螺孔用于固定在KIDs上进行测试。芯片载体6采用无氧铜材料，盒体1和盖板2采用紫铜、铝、铝合金或黄铜材料。除芯片载体采用无氧铜以保证良好的低温导热以外，盒体其他部分可以采用相对于无氧铜价格更为低廉的紫铜、铝/铝合金材料或更易加工黄铜材料来制作，有效的降低了样品盒的成本。此外，盒体其他部分也可采用具有静磁屏蔽作用的高磁导率材料或者超导材料加工。目前在低温下可用的静磁屏蔽材料主要有两类：一类是高磁导率材料如铁镍合金等，该类材料在常温或者低温下都具有磁屏蔽作用；另一类是超导材料，如铌、铅、铝/铝合金等，该类材料只有当工作温度低于超导转变温度才具有磁屏蔽效果（注：静磁场屏蔽与电磁兼容是两个完全不同性质的问题）。如对于工作温度低于1K的KIDs芯片，采用铝/铝合金材料制作样品封装装置的盒体。因为铝/铝合金材料在低温下会进入超导状态，以其作为盒体材料可以起到屏蔽静磁场的作用（静磁场、地磁场）和交流电磁场，因而提高KIDs探测器的灵敏度。
本发明的一种分体式KIDs探测器样品封装装置在初次装配使用的时候，首先使用丙酮稀释低温粘结剂并将其均匀的涂覆在KIDs芯片的背面；将KIDs芯片边缘与载体对齐，适当用力使得KIDs芯片粘附在载体上；将KIDs芯片载体常温固化24小时，并用棉签蘸取丙酮清理干净芯片周围溢出的粘结剂残余；在CPW电路板背面涂覆银胶，固定在盒体基板给定位置，并常温固化24小时以上；在样品封装装置侧壁安装孔射频玻璃绝缘子和与之配套的SMA接头，将玻璃绝缘子内导体看见电路的一端与CPW的中心导体用焊锡焊接成一体，另一端插入SMA接头，并用螺丝将SMA法兰与样品盒固定；将KIDs芯片载体台阶边缘与与样品封装装置的相应部分对齐，并旋入螺丝固定；采用邦定机将几十微米直径的铝丝或者金丝一端压焊在KIDs芯片的导体上，一端压焊在CPW相应导体上。值得注意的是，一般CPW中心导体要压2-3根铝丝，而接地面的铝丝至少要压焊几十根并均匀分布在整个KIDs芯片的四周，以充分保证良好的电接触和热传导；使用万用表检查KIDs芯片、CPW电路板、SMA接头、盒体的接地部分和中心导体部分是否连接好，以及是否存在短路现象；将盖板放入封装装置内，并旋入螺丝固定。
本发明的一种分体式KIDs探测器样品封装装置拆卸的使用的时候，挑掉KIDs芯片与盒体及CPW电路板连接的邦定线，松开载体固定螺丝即可。如必需更换与芯片固定在一起的载体，则只需要载体和芯片以前浸没在丙酮溶液中一两个小时即可。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种分体式KIDs探测器样品封装装置，其特征在于：包含盒体、盖板、CPW电路板、玻璃绝缘子、SMA和芯片载体，芯片载体的上侧面上开有与芯片匹配的槽道，芯片卡设在芯片载体的槽道内，盒体下侧面设置有与芯片载体匹配的凹口，设置有芯片的芯片载体固定设置在盒体下侧的凹口内，盖板可拆卸设置在盒体上侧，两片CPW电路板分别固定在盒体内并且两片CPW电路板分别与芯片两侧位置对应，两组SMA和玻璃绝缘子分别固定在盒体两端并且与两片CPW电路板连接。
2.按照权利要求1所述的一种分体式KIDs探测器样品封装装置，其特征在于：所述芯片载体的前侧面为凸字型，芯片载体在凸字型上侧沿芯片载体横向开设有一条与芯片形状匹配的槽道，芯片卡设在该槽道内并通过低温胶固定，槽道底部均匀开设有多个贯穿芯片载体纵向的通孔。
3.按照权利要求2所述的一种分体式KIDs探测器样品封装装置，其特征在于：所述盒体为上下两侧敞开的空心盒体，盒体的前后两侧面的下端设置有与芯片载体匹配的凸字型凹口，盒体内设置有两个固定部，两个固定部分别固定在盒体内侧两端，芯片载体插设在盒体下侧的凹口内并通过螺栓锁紧固定在固定部上。
4.按照权利要求3所述的一种分体式KIDs探测器样品封装装置，其特征在于：所述两片CPW电路板分别固定在两个固定部上侧，在芯片载体插入固定在盒体下侧凹口内状态下，芯片与两片CPW电路板在同一平面并且留有微小缝隙。
5.按照权利要求4所述的一种分体式KIDs探测器样品封装装置，其特征在于：所述两个SMA固定在盒体两端外侧并且与两片CPW电路板位置对应，盒体两端端部开有与玻璃绝缘子匹配的通孔，玻璃绝缘子固定在该通孔内并且玻璃绝缘子的两端分别与SMA和CPW电路板连接。
6.按照权利要求5所述的一种分体式KIDs探测器样品封装装置，其特征在于：所述盖板下侧设置有凸起部，盖板边沿和盒体上侧边沿设置有相互对应的螺纹孔，盖板盖设在盒体上侧并且通过螺栓固定，在盖板盖设固定的状态下，盖板边沿设置在盒体边沿上侧面上，盖板的凸起部的侧面与盒体内壁接触并且盖板下侧压设在CPW电路板上侧面上，盖板的凸起部对应CPW电路板位置开开设有与CPW电路板匹配的凹槽。
7.按照权利要求1所述的一种分体式KIDs探测器样品封装装置，其特征在于：所述盒体的两端下侧设置有水平向盒体两端外侧延伸的耳部，耳部开设有螺孔用于固定在杜瓦冷板上进行测试。
8.按照权利要求1所述的一种分体式KIDs探测器样品封装装置，其特征在于：所述芯片载体采用无氧铜材料，盒体和盖板采用紫铜、铝、铝合金或黄铜材料。
9.按照权利要求1所述的一种分体式KIDs探测器样品封装装置，其特征在于：所述盒体和盖板采用采用具有静磁屏蔽作用的高磁导率材料或者超导材料加工。
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Citations (4)
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| CN102004001A (zh) * | 2010-10-15 | 2011-04-06 | 中国科学院紫金山天文台 | 毫米波多像元制冷接收机杜瓦 |
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| US20120013013A1 (en) * | 2010-07-19 | 2012-01-19 | Mariam Sadaka | Temporary semiconductor structure bonding methods and related bonded semiconductor structures |
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2018
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