CN113270515B - 红外探测器低漏热封装装置及其制备方法、红外探测器 - Google Patents

红外探测器低漏热封装装置及其制备方法、红外探测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红外探测器低漏热封装装置及其制备方法、红外探测器，本发明是在杜瓦冷指的冷头部件上设有杜瓦冷屏，并在杜瓦冷屏和冷头部件外设有冷屏隔热屏，以及在制冷机冷指外依次套接杜瓦冷指和隔热冷指，通过杜瓦冷指和隔热冷指构成两层隔热装置，使得红外探测器能够搭载工作在20K温度的320×256(30μm)甚长波MCT芯片。

Description

红外探测器低漏热封装装置及其制备方法、红外探测器
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，特别是涉及一种超低温红外探测器低漏热封装装置及其制备方法和红外探测器。
背景技术
制冷型红外焦平面探测器是红外成像技术的核心部件，目前它已经广泛应用于民用安防系统、气候气象信息采集、天文学研究、火灾预警、生产线安全生产监控等多个民用领域，成为先进光电探测系统的重要组成部分。制冷是高性能红外光子探测器的必要工作条件，低的工作温度可以抑制探测器的背景噪声，提高探测器的信噪比和灵敏度，极大提升探测器的探测性能。目前常规的锑化铟(In Sb)、碲镉汞(HgCdTe)材料制成的红外焦平面探测器通常工作在77K～90K的温度区间，并实现了上述工作温度下杜瓦结构的研制和批量生产。面对更低的工作温度(如20K)和更长的工作波长(甚长波)的探测器，对探测器封装结构的设计提出了更严格的要求，需要进一步深入研究。
发明内容
本发明提供了一种超低温红外探测器低漏热封装装置及其制备方法和红外探测器，以解决现有红外焦平面探测器不能实现更低的工作温度的问题。
第一方面，本发明提供了一种超低温红外探测器低漏热封装装置，该装置包括：在杜瓦冷指的冷头部件上设有杜瓦冷屏，在所述杜瓦冷屏所述冷头部件外设有冷屏隔热屏，所述冷屏隔热屏的外形与所述冷头部件的整体外形相适配；在靠近所述冷头部件侧的制冷机冷指外套接有杜瓦冷指，所述杜瓦冷指外套接有隔热冷指，通过所述杜瓦冷指和所述隔热冷指形成两层隔热装置，以对制冷机冷指进行热屏蔽；在所述制冷机冷指的预设高度位置设有冷平台，所述冷平台用于承载芯片，且所述冷平台与所述杜瓦冷指、所述隔热冷指相密封连接。
可选地，所述装置还包括：窗座部件；所述窗座部件上设有红外窗口，所述红外窗口用来采集红外波段的光信号。
可选地，所述装置还包括：外壳；
所述外壳与所述窗座部件之间固定连接，且所述外壳与所述制冷机的法兰进行固定连接；
所述外壳上设有电学引出连接器。
可选地，所述外壳与所述窗座部件之间的连接处设有密封胶圈。
可选地，所述杜瓦冷屏、所述冷屏隔热屏、所述隔热冷指、所述工作台以及所述制冷机冷指整体通过预设隔热膜进行包裹。
可选地，所述预设隔热膜为铝箔。
可选地，所述冷平台设置在距离所述制冷机的法兰110mm至160mm之间的某一位置上。
可选地，所述冷平台通过法兰固定到所述制冷机冷指上，且所述冷平台与所述杜瓦冷指密封连接。
第二方面，本发明提供了一种制备上述任一种所述的超低温红外探测器低漏热封装装置的方法，该方法包括：
将杜瓦冷指与隔热冷指通过定向粘接互配成为杜瓦冷指部件；
将冷头部件定向粘接装配到所述杜瓦冷指部件的端面并烘烤至完全固化；
所述冷头部件上定向粘接装配杜瓦冷屏；
将冷屏隔热屏按照预设角度安装在所述隔热冷指上；
将上述已完成的部件与制冷机进行定向耦合并相对固定；
将外壳利用压封胶圈与制冷机的热端进行压封耦合，将芯片的电学引出柔带与电学引出连接器进行对插连接；
将窗座部件压封在所述外壳上。
第三方面，本发明提供了一种超低温红外探测器，所述红外探测器内设有上述任一种所述的超低温红外探测器低漏热封装装置。
本发明有益效果如下：
本发明是在杜瓦冷指的冷头部件上设有杜瓦冷屏，并在杜瓦冷屏和冷头部件外设有冷屏隔热屏，以及在制冷机冷指外依次套接杜瓦冷指和隔热冷指，通过杜瓦冷指和隔热冷指构成两层隔热装置，使得红外探测器能够搭载工作在20K温度的320×256(30μm)甚长波MCT芯片。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明第一实施例提供的超低温红外探测器低漏热封装结构设计示意图；
图2是本发明第一实施例提供的液氦温区长寿命多级脉管制冷机示意图；
图3是本发明第一实施例提供的超低温红外探测器杜瓦模型；
标识说明：1.制冷机；2.外壳；3.密封胶圈；4.窗座部件；5.杜瓦冷屏；6.冷屏隔热屏；7.冷头部件；8.杜瓦冷指；9.隔热冷指；10.制冷机冷指；11.电学引出连接器；12.冷平台；13.固定件。
具体实施方式
本发明实施例针对现有红外探测器无法适用于更低的工作温度(如20K)和更长的工作波长(甚长波)的问题，通过在杜瓦冷指的冷头部件上设置杜瓦冷屏，并在杜瓦冷屏和冷头部件外设有冷屏隔热屏，以及在制冷机冷指外依次套接杜瓦冷指和隔热冷指，使得杜瓦冷指和隔热冷指形成两层隔热装置，最终使红外探测器能够搭载工作在20K温度的320×256(30μm)甚长波MCT芯片。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
本发明第一实施例提供了一种超低温红外探测器低漏热封装装置，参见图1，所述装置包括：在杜瓦冷指8的冷头部件7上设有杜瓦冷6屏5，在所述杜瓦冷屏5和所述冷头部件7外设有冷屏隔热屏6，所述冷屏隔热屏的外形与所述冷头部件7的整体外形相适配；
在靠近所述冷头部件7侧的制冷机冷指10外套接有杜瓦冷指8，所述杜瓦冷指8外套接有隔热冷指9，通过所述杜瓦冷指8和所述隔热冷指9形成两层隔热装置，以对制冷机冷指10进行热屏蔽；
在所述制冷机冷指10的预设高度位置设有冷平台12，所述冷平台12用于承载芯片，且所述冷平台12与所述杜瓦冷指8和所述隔热冷指均密封连接，其中，所述芯片的工作维度为20K的甚长波MCT芯片。
也就是说，本发明是在杜瓦冷指8的冷头部件7上设有杜瓦冷屏5，并在杜瓦冷屏5和冷头部件7外设有冷屏隔热屏6，以及在制冷机冷指10外依次套接杜瓦冷指8和隔热冷指9，通过杜瓦冷指8和隔热冷指9构成两层隔热装置，使得红外探测器能够搭载工作在20K温度的320×256(30μm)甚长波MCT芯片。
实践表明，本发明搭载以探测波段10～16μm的320×256(30μm)的芯片为例，实际也可以封装640×512、1280×1024、4×288等多种像元规格，像元中心距7.5μm、10μm、25μm、50μm等多种像元间距，探测谱段短波、中波等多种型号的红外芯片，并且本发明的封装结构总热耗﹤640mw，杜瓦总包络尺寸≤φ130×180mm。
具体实施时，本发明实施例所述装置还设有窗座部件4以及外壳2；
所述窗座部件4上设有红外窗口，所述红外窗口用来采集红外波段的光信号。所述外壳2与所述窗座部件4之间固定连接，且所述外壳2与所述制冷机1的法兰进行固定连接；通过窗座部件4以及外壳2将杜瓦冷屏5至制冷机冷指10全部包围起来。
需要说明的是，本发明实施例在所述杜瓦冷屏5、所述冷屏隔热屏6、所述隔热冷指9、所述工作台以及所述制冷机冷指10外，还套有预设隔热膜，通过该预设隔热膜将上述所有部件进行整体包裹，以更好地实现热屏蔽。
在具体实施时，本发明实施例采用铝箔作为该预设隔热膜，当然本领域技术人员也可以采用全天的隔热膜，本发明对此不作详细限定，只要能达到隔热作用即可。
在具体实施时，本发明实施例还在所述外壳2上设有电学引出连接器11，该电学引出连接器11的具体设置位置可以根据实际需要进行任意设定，具体本申请是将所述电学引出连接器11设置在冷平台12附近，以利于芯片的电学引出柔带的引出。
为了获得更好的密封性，本发明实施例在外壳2与窗座部件4之间的连接处设有密封胶圈3。
在具体实施时，本发明实施例是将冷平台12设置在距离制冷机1的法兰110mm至160mm之间的某一位置上，具体本领域技术人员可以根据需要进行设置。
另外需要说明的是，为了达到更好的热屏蔽效果，本发明实施例的冷平台12通过法兰固定到所述制冷机冷指10上，且所述冷平台12与所述杜瓦冷指8密封连接。
整体来说，本发明实施例是针对超低温工作的甚长波红外芯片，设计了一种新型的封装结构，即上述的超低温红外探测器低漏热封装装置，用以搭载工作在20K温度的320×256(30μm)甚长波MCT芯片。
超低温红外探测器低漏热封装结构所互配的液氦温区长寿命多级脉管制冷机1如图2所示，其结构为两级制冷装置，最终实现最冷端平台20K的工作温度。
本发明实施例的超低温红外探测器低漏热封装结构设计原理图如图1所示，其主要包括：液氦温区长寿命多级脉管的制冷机1、外壳2、密封胶圈3、窗座部件4、杜瓦冷屏5、冷屏隔热屏6、冷头部件7、杜瓦冷指8、甚长波红外探测器杜瓦冷指的隔热冷指9、制冷机冷指10、红外探测器电学引出连接器11、制冷机120K冷平台12、固定件13(具体可以是压封螺钉)。
下面将通过一个具体的例子对本发明实施例所述的装置进行详细的解释和说明：
如图1所示，本发明实施例设置的超低温红外探测器低漏热封装结构的装配步骤具体包括：
1)将组件装配所需的零部件进行尺寸表面状态进行复验，合格零件进行清洗、除气、烘干等预处理，对电学光学零件进行相关的设计指标(光谱透过率、电学导通性等)测试；
2)将甚长波320×256(30μm)碲镉汞芯片进行中测筛选，合格的芯片准备进行封装工艺；
3)将杜瓦冷指8(已钎焊冷台)与隔热冷指9通过定位标记定向互配，并在结合面进行利用粘接剂粘接组成杜瓦冷指部件，在80℃烘箱内烘烤5h；
4)在工具显微镜下将结构件、异形框架、甚长波320×256(30μm)碲镉汞芯片按照设计角度依次粘接装配到上述杜瓦冷指部件的冷台端面上，每一次粘接工艺后需要烘烤至粘接剂完全固化才能进行下一步操作；
5)上述部件与专用工装互配后安装在金丝焊接机平台上进行读出电路芯片焊盘与框架焊盘之间的内引线键合；
6)将已粘接滤光片和冷屏隔板的红外探测器杜瓦冷屏5定向装配在上述部件的甚长波红外探测器冷头部件7上，待粘接剂固化后进行多余物的检查清理；
7)将上述部件通过专用工装固定在金丝焊接机上进行外引线的键合，键合两端分别是框架的焊盘和电学引出柔带的键合指，键合完成后将冷屏隔热屏6按照特定角度安装在隔热冷指9上，利用粘接剂配合螺钉进行连接固定；
8)上述完成的部件与液氦温区长寿命多级脉管制冷机1的最冷端冷指进行定向耦合，利用螺钉级低温胶等配合进行紧固连接；
9)将外壳2(已安装红外探测器电学引出连接器11)利用压封胶圈与液氦温区长寿命多级脉管制冷机1的热端(300K)大法兰进行压封耦合，同时将芯片的电学引出柔带所带的内插件与红外探测器外壳2上的电学引出连接器11进行对插连接螺钉紧固；
10)对上述部件利用多层铝箔进行包覆，包覆工艺注意铝箔要紧贴在冷端位置，工艺过程中避免多余物的进入，包覆完成后进行多余物的检查和清理；
11)最后将窗座部件4(已安装甚长波窗片和真空排气管)通过压封的方式与上述部件进行耦合密封，组件成品在高灵敏氦质朴检漏仪下进行真空漏率检测，合格后交付检测中心配合制冷机1进行电学性能测试。
实验表明，本发明实施例的超低温红外探测器低漏热封装结构设计可以实现总热耗﹤640mw，杜瓦总包络尺寸≤φ130×180mm的指标，但该封装方案不限于320×256(30μm)甚长波MCT芯片的封装，还可以封装640×512、1280×1024、4×288等多款像元规格、探测波段、芯片材料种类等红外芯片的封装，具体的热耗及包络尺寸根据适配的制冷机1型号，芯片规格，工作温度等具体设计指标会有上下浮动变化，但总体效果均好于现有的红外探测器状况。
与图1相对应地，本发明实施例提供了一种制备上述任一种所述的超低温红外探测器低漏热封装装置的方法，该方法包括：
将杜瓦冷指8与隔热冷指9通过定向粘接互配成为杜瓦冷指部件；
将冷头部件7定向粘接装配到所述杜瓦冷指部件的端面并烘烤至完全固化；
所述冷头部件7上定向粘接装配杜瓦冷屏5；
将冷屏隔热屏6按照预设角度安装在所述隔热冷指9上；
将上述已完成的部件与制冷机1进行定向耦合并相对固定；
将外壳2利用压封胶圈与制冷机1的热端进行压封耦合，将芯片的电学引出柔带与电学引出连接器11进行对插连接；
将窗座部件4压封在所述外壳2上。
详细来说，本发明的封装结构的工艺实施方法是：
首先杜瓦冷指8与隔热冷指9通过定位标记定向粘接互配成为杜瓦冷指部件；然后在工具显微镜下将甚长波红外探测器冷头部件7(已集成芯片、框架、陶瓷结构件等)定向粘接装配到上述杜瓦冷指部件的冷台端面并烘烤至完全固化；在金丝焊接机下进行芯片与框架之间的内引线键合；在上述部件的甚长波红外探测器冷头部件7上定向粘接装配红外探测器杜瓦冷屏5(包括滤光片和冷屏隔板)；上述部件置于在金丝焊接机上进行外引线的键合，外键合完成后将冷屏隔热屏6按照特定角度安装在隔热冷指9上；上述已完成的部件与液氦温区长寿命多级脉管制冷机1进行定向耦合，利用螺钉等连接件进行紧固；将甚长波红外探测器杜瓦结构外壳2(已安装红外探测器电学引出连接器11)利用压封胶圈与液氦温区长寿命多级脉管制冷机1的热端大法兰进行压封耦合，同时将芯片的电学引出柔带与红外探测器电学引出连接器11进行对插连接；然后对上述部件进行铝箔包覆以减少冷端与环境温度之间的热辐射；最后将窗座部件4通过压封的方式与上述部件进行耦合密封，成品在高灵敏氦质朴检漏仪下进行真空漏率检测，合格后进行整机探测性能测试。
本发明实施例主要是利用两层隔热装置外加包覆铝箔的方法实现热屏蔽，即用最冷端20K区域与制冷机120K冷平台12提供的隔热屏和隔热冷指9之间的热辐射代替直接与环境(300K)之间的热辐射，降低结构的漏热；利用芯片-框架内引线键合，框架-柔带的外引线键合，柔带与电学引出连接器11的对插等电学引出措施实现两级制冷结构的低漏热电学引出；真空采用活真空的密封形式，利用两道密封圈实现组件的真空密封。
上述结构设计方案可以实现工作温度为20K的320×256(30μm)甚长波MCT红外探测器的封装，可以有效降低甚长波红外探测器的背景噪声，提高提高探测器的信噪比和灵敏度，实现高性能甚长波红外探测器的组件研制和工程应用。
另一方面，本发明实施例还提供了一种超低温红外探测器，该红外探测器内设有上述任一种所述的超低温红外探测器低漏热封装装置。本发明实施例的相关内容可参见本发明上述实施例部分进行理解，在此不做详细论述。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种超低温红外探测器低漏热封装装置，其特征在于，包括：
在杜瓦冷指的冷头部件上设有杜瓦冷屏，在所述杜瓦冷屏和所述冷头部件外设有冷屏隔热屏，所述冷屏隔热屏的外形与所述冷头部件的整体外形相适配，且所述冷屏隔热屏与所述冷头部件的外周壁之间具有间隔空间；
在靠近所述冷头部件侧的制冷机冷指外套接有杜瓦冷指，所述杜瓦冷指外套接有隔热冷指，所述冷屏隔热屏按照预设角度安装在所述隔热冷指上，通过所述杜瓦冷指和所述隔热冷指形成两层隔热装置，以对制冷机冷指进行热屏蔽；
在所述制冷机冷指的预设高度位置设有冷平台，所述冷平台用于承载芯片，且所述冷平台与所述杜瓦冷指和所述隔热冷指均密封连接，其中，所述芯片的工作维度为20K的甚长波MCT芯片；所述装置利用芯片-框架内引线键合，框架-柔带的外引线键合，柔带与电学引出连接器的对插电学引出措施实现两级制冷结构的低漏热电学引出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：窗座部件；
所述窗座部件上设有红外窗口，所述红外窗口用以采集红外波段的光信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：外壳；
所述外壳与所述窗座部件之间固定连接，且所述外壳与所述制冷机的法兰进行固定连接；
所述外壳上设有电学引出连接器。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述外壳与所述窗座部件之间的连接处设有密封胶圈。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述杜瓦冷屏、所述冷屏隔热屏、所述隔热冷指、所述冷平台以及所述制冷机冷指整体通过预设隔热膜进行包裹。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述预设隔热膜为多层铝箔。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述冷平台设置在距离所述制冷机的法兰110mm至160mm之间的某一位置上。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的装置，其特征在于，
所述冷平台通过法兰固定到所述制冷机冷指上，且所述冷平台与所述杜瓦冷指密封连接。
9.一种制备权利要求1-8中任意一项所述的超低温红外探测器低漏热封装装置的方法，其特征在于，包括：
将杜瓦冷指与隔热冷指通过定向粘接互配成为杜瓦冷指部件；
将冷头部件定向粘接装配到所述杜瓦冷指部件的端面并烘烤至完全固化；
所述冷头部件上定向粘接装配杜瓦冷屏；
将冷屏隔热屏按照预设角度安装在所述隔热冷指上；
将已完成的部件与制冷机进行定向耦合并相对固定；
将外壳利用压封胶圈与制冷机的热端进行压封耦合，将芯片的电学引出柔带与电学引出连接器进行对插连接；
将窗座部件压封在所述外壳上。
10.一种超低温红外探测器，其特征在于，所述红外探测器内设有权利要求1-8中任意一项所述的超低温红外探测器低漏热封装装置。
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