CN112422855A - 拼接高度误差小的无应力空间天文相机ccd总成及装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及导星CCD装配技术，具体涉及一种拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成及安装方法，以解决现有导星CCD装配过程中，存在导星CCD装配精度低和拼接高度误差大问题。本发明所采用的技术方案为：拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成，包括：拼接基板、设置在其上的探测CCD和导星CCD组件；所述导星CCD组件包括电路板，所述电路板上设置有导星CCD；所述导星CCD组件还包括支撑板和设置在支撑板下方的三个修切垫；所述电路板在焊接板上进行焊接，焊接后的电路板固定安装在支撑板上；三个修切垫位置按等腰三角形排布，设置在支撑板下方的三个修切凹槽内。本发明还提供拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成的装配方法。

Description

拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成及装配方法
技术领域
本发明涉及导星CCD装配技术，具体涉及一种拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成及安装方法。
背景技术
对暗弱目标探测的空间天文相机为保证信噪比，需要长时间积分成像，为保证主光轴的稳定性，空间天文卫星一般采用导星探测器保证姿态稳定性。导星探测器一般与天文相机的探测CCD共用光学系统，导星探测器整体结构必须满足空间环境防振动冲击的力学要求和良好的热传导与热稳定性要求，并且需要与探测器CCD进行高精度拼接。
现有导星探测器大都采用背照式导星CCD，传统的装配方式为：按照加工尺寸和要求加工电路板和导星支撑，将电路板安装在导星支撑上，再将导星CCD焊接在电路板上，最后，导星CCD通过导星支撑和探测CCD一同安装到拼接基板上。
但导星CCD在装配过程中存在装配应力，易影响导星CCD的装配精度。一方面，导星CCD与电路板焊接时，导星CCD内部会产生应力，使薄弱的焊接点脱焊，无法保证CCD的位置精度；另一方面，导星CCD表面没有像元网格，无法利用传统的高倍率工具显微镜成像的方法进行拼接，导致导星CCD拼接的高度误差较大，对导星CCD产生了装配应力，降低了导星CCD安装的可靠性。
发明内容
本发明在于解决现有导星CCD装配过程中，存在导星CCD装配精度低，拼接高度误差大，降低了导星CCD安装的可靠性问题。
本发明所采用的技术方案为：一种拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成，包括：拼接基板、设置在其上的探测CCD和导星CCD组件；
所述导星CCD组件包括电路板，所述电路板上设置有导星CCD；
其特殊之处在于：
所述导星CCD组件还包括支撑板和设置在支撑板下方的修切垫；所述电路板固定在支撑板上；
所述电路板和支撑板的固定采用如下方式实现：
a1)在同一机床上同时加工焊接板和支撑板
所述焊接板上的电路板安装凸面和支撑板上的装配电路板安装凸面之间的高度差为0～0.005mm，焊接板上的装配CCD热接触凸面和支撑板上的CCD热接触凸面之间的高度差为0～0.005mm；
所述支撑板上还设置有多个装配螺钉孔和分别设置在装配CCD热接触凸面两侧的两个焊柱槽，所述焊柱槽与待安装导星CCD的管脚位置相适配；
所述焊接板上还设置有多个螺钉孔和切削区，所述切削区在焊接板上的位置、焊柱槽在支撑板上的位置，满足条件为：在所述焊接板和支撑板叠放后，焊柱槽的投影位于切削区内；
a2)将导星CCD叠放在电路板上，通过螺钉将电路板固定在焊接板上，再将导星CCD焊接到电路板上；
a3)将电路板从焊接板上拆卸下来；
a4)通过螺钉将电路板安装在支撑板上。
进一步地，所述修切垫为3个，所述3个修切垫按等腰三角形排布，其高度按如下方式确定：
b1)在探测CCD和导星CCD的感光面上均选取3个测量点进行高度测量，测量点的位置满足条件：测量点组成的等腰三角形与修切垫组成的等腰三角形相似，计算探测器CCD与导星CCD相对应测量点的高度差，分别记为△H1、△H2和△H3；
b2)按照步骤b1)的高度差，对导星CCD的3个修切垫分别修切K△H1、K△H2和K△H3，K为修切垫组成等腰三角形的边长与测量点组成等腰三角形对应边长的比值，重复步骤b1)至步骤b2)，直至△H1、△H2和△H3均小于10μm。
进一步地，所述支撑板底部开设三个修切凹槽，三个修切凹槽用于安装三个修切垫。
进一步地，所述支撑板上的装配螺钉孔内设置有与螺钉配合安装的钢丝螺套，所述支撑板选择铝基碳化硅材料。
进一步地，所述导星CCD和装配CCD热接触凸面之间设置有第一导热硅脂，支撑板与拼接基板之间设置有第二导热硅脂。
本发明还提供了一种拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成的装配方法，包括以下步骤：
步骤一：在同一机床上同时加工焊接板和支撑板；要求电路板安装凸面和装配电路板安装凸面之前的高度差为0～0.005mm，要求装配CCD热接触凸面和CCD热接触凸面之间的高度差为0～0.005mm；
步骤二：将导星CCD叠放在电路板上，通过螺钉将电路板固定在焊接板上，再将导星CCD焊接到电路板上；
步骤三：将电路板从焊接板上拆卸下来，通过螺钉将电路板安装在支撑板上；
步骤四：将探测CCD固定安装于拼接基板上，再将支撑板通过修切后的修切垫安装于拼接基板上，使导星CCD位于探测CCD一侧，且导星CCD和探测CCD的感光面在同一水平面上；
步骤五：在支撑板与拼接基板之间的间隙中填充第二导热硅脂，将导星CCD安装在相机中。
进一步地，步骤四中，所述修切垫设置三个，三个修切垫按等腰三角形排布，其高度按如下方式确定：
b1)在探测CCD和导星CCD的感光面上均选取3个测量点进行高度测量，测量点的位置满足条件：测量点组成的等腰三角形与修切垫组成的等腰三角形相似，计算探测器CCD与导星CCD相对应测量点的高度差，分别记为△H1、△H2和△H3；
b2)按照步骤b1)的高度差，对导星CCD的3个修切垫分别修切K△H1、K△H2和K△H3，K为修切垫组成等腰三角形的边长与测量点组成等腰三角形对应边长的比值，重复步骤b1)至步骤b2)，直至△H1、△H2和△H3均小于10μm。
进一步地，步骤三中，将电路板安装在支撑板之前，在导星CCD和装配CCD热接触凸面之间涂抹第一导热硅脂。
进一步地，步骤三中，将电路板安装在支撑板之后，还通过限位板将导星CCD限定在支撑板上，且限位板和电路板之间设置橡胶垫片。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
一、本发明采用的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成，可消除导星CCD装配过程产生的应力，一方面，在导星CCD安装在支撑板时，实现了导星CCD在支撑板上的无应力安装，避免了导星CCD的焊接点脱焊；另一方面，支撑板通过修切垫与拼接基板安装，消除了支撑板由于受力不平衡产生对导星CCD的应力，提高了导星CCD安装的稳定性和可靠性。
二、本发明采用的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成，安装导星CCD的支撑板通过修切垫的三点静定支撑与拼接基板连接，三点支撑的位置与导星CCD在拼接时的测量点位置形成等边三角形，无多余约束力限定，使修切厚度时计算简单，拼接高度误差小，利于实现高位置精度。
三、本发明采用的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成，设置的三个修切凹槽，可将修切垫限位在支撑板底部，便于修切垫的切削安装，提高了修切垫的修切效率和测量精度。
四、本发明采用的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成，支撑板上设置的钢丝螺套，可消除螺纹制造误差，提高与螺钉的连接强度。
五、本发明采用的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成，导星CCD和装配CCD热接触凸面之间、以及支撑板和拼接基板之间均用导热硅脂填充，使导星CCD具有良好的力学性能与热稳定性。
六、本发明采用的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成，支撑板为铝基碳化硅材料，具备良好的传导率，且其热膨胀系数与导星CCD的氧化铝陶瓷封装的热膨胀系数相匹配，维持导星CCD与支撑板间的热接触，能够在导星CCD在轨低温(-30℃～-50℃)运行时保证导星CCD的温控精度与结构安全性。
附图说明
图1为导星CCD装配在本发明拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成支撑板上的结构图。
图2为本发明拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成俯视图，其中显示有导星CCD测量点与修切凹槽中心点相对位置关系。
图3为本发明拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成中导星CCD与拼接基板安装示意图。
图4为本发明拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成焊接板的俯视图。
图5为本发明拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成支撑板的俯视图。
图6为本发明拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成的局部放大图。
图中：
1-限位板螺钉，2-限位板，3-橡胶垫片，4-导星CCD，4.1-第一测量点，4.2-第二测量点，4.3-第三测量点，5-CCD焊柱，6-电路板，7-支撑板，7.1-装配螺钉孔，7.2-装配电路板安装凸面，7.3-装配CCD热接触凸面，7.4-焊柱槽，8-电路板安装螺钉，9-修切垫，9.1-第一修切点，9.2-第二修切点，9.3-第三修切点，10-焊接板，10.1-螺钉孔，10.2-电路板安装凸面，10.3-CCD热接触凸面，10.4-切削区，11-第一导热硅脂，12-第二导热硅脂，13-拼接基板。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
如图1所示，本实施例中的一种空间天文相机可拼接导星CCD的装配工装，包括拼接基板13、设置在其上的探测CCD和导星CCD组件；导星CCD组件包括电路板6，电路板6上设置有导星CCD4；
导星CCD组件还包括支撑板7和设置在支撑板7下方的三个修切垫9；电路板6固定在支撑板7上；
本实施例电路板6和支撑板7的固定采用如下方式实现：
a1)在同一机床上同时加工焊接板10和支撑板7
如图4所示，所述焊接板10包括左板、右板以及连接左板和右板的CCD热接触凸面10.3；所述左板和右板上均设置有多个螺钉孔10.1和多个电路板安装凸面10.2；所述CCD热接触凸面10.3的两侧边、左板内侧边及右板内侧边形成的两个矩形区域为切削区10.4；
如图5所示，所述支撑板7上设置有多个装配螺钉孔7.1、多个装配电路板安装凸面7.2、装配CCD热接触凸面7.3、分别设置在装配CCD热接触凸面7.3两侧的两个焊柱槽7.4，所述焊柱槽7.4与待安装导星CCD 4的管脚位置相适配；
所述焊柱槽7.4在支撑板7上的位置、切削区10.4在焊接板10上的位置，满足条件为：在所述焊接板10和支撑板7叠放后，焊柱槽7.4的投影位于切削区10.4内；
焊接板10和支撑板7的加工要求：电路板安装凸面10.2和装配电路板安装凸面7.2之间的高度差为小于0.005mm，要求装配CCD热接触凸面10.3和CCD热接触凸面7.3之间的高度差小于0.005mm。
a2)将导星CCD 4叠放在电路板6上，通过螺钉将电路板6固定在焊接板10上，再将导星CCD4焊接到电路板6上；
a3)将电路板6从焊接板10上拆卸下来；
a4)通过螺钉将电路板6安装在支撑板7上。
本实施例三个修切垫9按等腰三角形排布，其高度按如下方式确定：
b1)如图2所示，在探测CCD和导星CCD4的感光面上均选取3个测量点进行高度测量，3个测量点分别为第一测量点4.1、第二测量点4.2、第三测量点4.3；3个测量点的位置满足条件：测量点组成的等腰三角形与3个修切垫9组成的等腰三角形相似，计算探测器CCD与导星CCD4相对应测量点的高度差，分别记为△H1、△H2和△H3；
b2)按照步骤b1)的高度差，对导星CCD4的3个修切垫9分别修切K△H1、K△H2和K△H3，K为修切垫9组成等腰三角形的边长与测量点组成等腰三角形对应边长的比值，重复步骤b1)至步骤b2)，直至△H1、△H2和△H3均小于10μm。
本实施例导星CCD组件通过3个修切垫9与拼接基板13连接，拼接基板13上的3个修切点分别为第一修切点9.1、第二修切点9.2、第三修切点9.3；3个修切垫形成静定支撑，无过约束，同时导星CCD 4在拼接时利用3个测量点形成一个平面，3个测量点与3个修切点形成相似等腰三角形，修切厚度时只需将测量高度等比例相乘，利于实现高精度修切。
支撑板7底部开设三个修切凹槽，三个修切凹槽用于安装三个修切垫9。
所述支撑板7上的装配螺钉孔7.1内嵌入有钢丝螺套，待安装螺钉与钢丝螺套的内螺纹连接，可消除螺纹制造误差，提高与螺钉的连接强度。
如图6所示，导星CCD4和装配CCD热接触凸面7.3之间设置有厚度小于0.1mm的第一导热硅脂11。如图3所示，支撑板7与拼接基板13之间的间隙通过预设厚度的第二导热硅脂12(例如导热绝缘垫和硅橡胶)填充，保证第二导热硅脂12压缩量小于15％，高刚度的铝基碳化硅支撑板7能够有效降低由第二导热硅脂12弹性产生的变形，保证导星CCD 4的位置精度。
支撑板7选择铝基碳化硅材料。
本实施例中拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成的装配方法，包括以下步骤：
步骤一：在同一机床上同时加工焊接板10和支撑板7；要求电路板安装凸面10.2和装配电路板安装凸面7.2之前的高度差为0～0.005mm，要求装配CCD热接触凸面10.3和CCD热接触凸面7.3之间的高度差为0～0.005mm；
当焊接板10和支撑板7同时加工完成后，在机床上加工焊接板10上的焊柱槽7.4，使焊柱槽7.4的投影位于切削区10.4内；
步骤二：将电路板6利用电路板安装螺钉8安装到焊接板10上，导星CCD 4叠放在电路板6上，再将导星CCD 4上的CCD焊柱5与电路板6焊接；
步骤三：将电路板6从焊接板10上拆卸下来，在导星CCD4和装配CCD热接触凸面7.3之间涂抹第一导热硅脂11，然后通过螺钉将电路板6安装在支撑板7上，使导星CCD 4与装配CCD热接触凸面7.3相接触，同时导星CCD 4的管脚与焊柱槽7.4之间保持一定的距离间隙；
在支撑板7上安装限位板2，限位板2通过限位板螺钉1与支撑板7连接，限位板2将导星CCD4限定在支撑板7上，并在限位板2和电路板6之间设置橡胶垫片3，保证橡胶垫片3压缩量小于10％，避免导星CCD 4装配应力过大；
步骤四：将支撑板7底部通过3个修切垫安装于拼接基板13上，且三个修切垫9按等腰三角形排布，其高度按如下方式确定：
b1)在探测CCD和导星CCD4的感光面上均选取3个测量点进行高度测量，测量点的位置满足条件：测量点组成的等腰三角形与修切垫9组成的等腰三角形相似，计算探测器CCD与导星CCD4相对应测量点的高度差，分别记为△H1、△H2和△H3；
b2)按照步骤b1)的高度差，对导星CCD4的3个修切垫分别修切K△H1、K△H2和K△H3，K为修切垫组成等腰三角形的边长与测量点组成等腰三角形对应边长的比值，重复步骤b1)至步骤b2)，直至△H1、△H2和△H3均小于10μm。
将探测器CCD固定安装于拼接基板13上，使探测器CCD位于导星CCD4一侧，且导星CCD4和探测CCD的感光面在同一水平面上；
步骤五：在支撑板7与拼接基板13之间的间隙中填充第二导热硅脂12，将导星CCD4安装在相机中。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成，包括拼接基板(13)、设置在其上的探测CCD和导星CCD组件；
所述导星CCD组件包括电路板(6)，所述电路板(6)上设置有导星CCD(4)；
其特征在于：
所述导星CCD组件还包括支撑板(7)和设置在支撑板(7)下方的修切垫(9)；所述电路板(6)固定在支撑板(7)上；
所述电路板(6)和支撑板(7)的固定采用如下方式实现：
a1)在同一机床上同时加工焊接板(10)和支撑板(7)
所述焊接板(10)上的电路板安装凸面(10.2)和支撑板(7)上的装配电路板安装凸面(7.2)之间的高度差为0～0.005mm，焊接板(10)上的装配CCD热接触凸面(10.3)和支撑板(7)上的CCD热接触凸面(7.3)之间的高度差为0～0.005mm；
所述支撑板(7)上还设置有多个装配螺钉孔(7.1)和分别设置在装配CCD热接触凸面(7.3)两侧的两个焊柱槽(7.4)，所述焊柱槽(7.4)与待安装导星CCD(4)的管脚位置相适配；
所述焊接板(10)上还设置有多个螺钉孔(10.1)和切削区(10.4)，所述切削区(10.4)在焊接板(10)上的位置、焊柱槽(7.4)在支撑板(7)上的位置，满足条件为：在所述焊接板(10)和支撑板(7)叠放后，焊柱槽(7.4)的投影位于切削区(10.4)内；
a2)将导星CCD(4)叠放在电路板(6)上，通过螺钉将电路板(6)固定在焊接板(10)上，再将导星CCD(4)焊接到电路板(6)上；
a3)将电路板(6)从焊接板(10)上拆卸下来；
a4)通过螺钉将电路板(6)安装在支撑板(7)上。
2.根据权利要求1所述的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成，其特征在于：所述修切垫(9)为3个，所述3个修切垫(9)按等腰三角形排布，其高度按如下方式确定：
b1)在探测CCD和导星CCD(4)的感光面上均选取3个测量点进行高度测量，测量点的位置满足条件：测量点组成的等腰三角形与修切垫(9)组成的等腰三角形相似，计算探测器CCD与导星CCD(4)相对应测量点的高度差，分别记为△H1、△H2和△H3；
b2)按照步骤b1)的高度差，对导星CCD(4)的3个修切垫(9)分别修切K△H1、K△H2和K△H3，K为修切垫(9)组成等腰三角形的边长与测量点组成等腰三角形对应边长的比值，重复步骤b1)至步骤b2)，直至△H1、△H2和△H3均小于10μm。
3.根据权利要求2所述的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成，其特征在于：所述支撑板(7)底部开设三个修切凹槽，三个修切凹槽用于安装三个修切垫(9)。
4.根据权利要求1-3任一所述的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成，其特征在于：所述支撑板(7)的装配螺钉孔(7.1)内设置有与螺钉配合安装的钢丝螺套，所述支撑板(7)选择铝基碳化硅材料。
5.根据权利要求4所述的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成，其特征在于：所述导星CCD(4)和装配CCD热接触凸面(7.3)之间设置有第一导热硅脂(11)，支撑板(7)与拼接基板(13)之间设置有第二导热硅脂(12)。
6.一种权利要求1-5任一所述的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在同一机床上同时加工焊接板(10)和支撑板(7)；要求电路板安装凸面(10.2)和装配电路板安装凸面(7.2)之前的高度差为0～0.005mm，要求装配CCD热接触凸面(10.3)和CCD热接触凸面(7.3)之间的高度差为0～0.005mm；
步骤二：将导星CCD(4)叠放在电路板(6)上，通过螺钉将电路板(6)固定在焊接板(10)上，再将导星CCD(4)焊接到电路板(6)上；
步骤三：将电路板(6)从焊接板(10)上拆卸下来，通过螺钉将电路板(6)安装在支撑板(7)上；
步骤四：将探测CCD固定安装于拼接基板(13)上，再将支撑板(7)通过修切后的修切垫(9)安装于拼接基板(13)上，使导星CCD(4)位于探测CCD一侧，且导星CCD(4)和探测CCD的感光面在同一水平面上；
步骤五：在支撑板(7)与拼接基板(13)之间的间隙中填充第二导热硅脂(12)，将导星CCD(4)安装在相机中。
7.根据权利要求6所述的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成的装配方法，其特征在于：步骤四中，所述修切垫(9)设置三个，三个修切垫(9)按等腰三角形排布，其高度按如下方式确定：
b1)在探测CCD和导星CCD(4)的感光面上均选取3个测量点进行高度测量，测量点的位置满足条件：测量点组成的等腰三角形与修切垫(9)组成的等腰三角形相似，计算探测器CCD与导星CCD(4)相对应测量点的高度差，分别记为△H1、△H2和△H3；
b2)按照步骤b1)的高度差，对导星CCD(4)的3个修切垫分别修切K△H1、K△H2和K△H3，K为修切垫组成等腰三角形的边长与测量点组成等腰三角形对应边长的比值，重复步骤b1)至步骤b2)，直至△H1、△H2和△H3均小于10μm。
8.根据权利要求7所述的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成的装配方法，其特征在于：步骤三中，将电路板(6)安装在支撑板(7)之前，在导星CCD(4)和装配CCD热接触凸面(7.3)之间涂抹第一导热硅脂(11)。
9.根据权利要求8所述的拼接高度误差小的无应力空间天文相机CCD总成的装配方法，步骤三中，将电路板(6)安装在支撑板(7)之后，还通过限位板(2)将导星CCD(4)限定在支撑板(7)上，且限位板(2)和电路板(6)之间设置橡胶垫片(3)。
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