CN114551641B - 一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构,热层结构由高热导冷平台、芯片基板和柔性缓冲层组成。本发明是根据探测器和制冷机冷指的耦合特性，在芯片基板设计加工一定形状的圆形凹台和芯片矩形槽，在柔性缓冲层相应位置加工一定形状缓冲开孔和出气槽，在确保满足一定热负载所需要热传输能力的前提下，实现热传导链路和耦合应力传递通道的物理隔离。本发明可以实现大冷量在分置式杜瓦冷平台上传输的低接触热阻，同时避免过盈耦合产生的耦合应力对探测器的影响，同时满足分置式杜瓦组件航天严酷的环境适应要求。本发明的结构简单，操作方便，兼容性好，可靠性高。可应用于各种分置式杜瓦组件。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器杜瓦组件技术，具体指一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构，它适用于分置式制冷型红外探测器杜瓦封装。
背景技术
红外探测器杜瓦组件在航天航空红外领域有着广泛的应用。随着波长向长波扩展和探测灵敏度的提高，红外探测器必须在深低温下才能工作。由于机械制冷具有结构紧凑、体积小、重量轻、制冷时间短、制冷温度可调范围大等优点，目前该类探测器件在应用中多采用机械制冷方式。这样也使得其应用时大多采用杜瓦封装形成红外探测器杜瓦制冷组件。
为减少分置式探测器杜瓦组件的制冷机与杜瓦耦合过程中产生的应力对探测器的影响，传统的方法采用弹性冷链结构或垫铟无压缩耦合。这两种方式都是通过控制耦合力，来减少冷指对低温下探测器的影响。当分置式杜瓦组件的寄生热负载在较小时，其耦合的接触热阻和温度梯度较小，但耦合装配时，对杜瓦冷平台和制冷机的冷指的尺寸公差及形位公差要求较高。随着杜瓦组件寄生热负载的增加和探测器焦耳热的增加(尤其是大面阵CTIA探测器应用)，无论是弹性冷链结构或垫铟无压缩耦合，其接触热阻和温度梯度都会随热负载增加而增加，这会导致制冷机冷功耗增加，从而影响制冷组件的寿命，甚至会影响探测器的性能和可靠性。综上所述，这对分置式制冷型红外探测器杜瓦组件而言，在大热负载下，减少耦合接触热阻同时避免耦合应力对探测器影响显得更加突出。必须要探索一种新方法来解决这一问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构，在确保热负载所需要的热流传输能力的前提下，通过增加耦合力来降低接触热阻，同时避免了过盈耦合的耦合力对探测器性能的影响。
本发明的目的是这样实现的：所述的一种物理隔离耦合应力的焦平面探测热层结构如附图1所示，包括冷平台1、芯片基板2和柔性缓冲层3。冷平台1、芯片基板2和柔性缓冲层3，冷平台1、芯片基板2和柔性缓冲层3均采用选用高热导材料，冷平台1位于最下面，柔性缓冲层3位于冷平台1的上面，柔性缓冲层3的上面是芯片基板2，芯片胶接在芯片基板2上，冷平台1、芯片基板2和柔性缓冲层3三者通过一定数量的螺栓连接。
冷平台1、芯片基板2选用高热导材料，其热导率不小于100W·M-1·K-1，芯片基板2与柔性缓冲层3接触面的中央位置有深度H2、直径D2的圆形凹台202，在芯片基板2与芯片接触的表面有长度L1×宽度W1×深度H1的芯片矩形槽201，芯片矩形槽201的开槽起始位置与芯片边缘平齐。
所述一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构的参数(见附图2)设计原则如下：
1)圆形凹台202的直径D2参数确认方法如下:
根据冷平台1的钎焊孔直径D1计算；
D1+2mm≥D2≥D1； (1)
2)圆形凹台202的深度H2参数确认方法如下：
1mm≥H2≥0.3mm； (2)
3)芯片矩形槽201的长度L1参数确认方法如下：
5mm≥L1≥0.5mm； (3)
4)芯片矩形槽201的深度H1参数确认方法如下：
2mm≥H1≥0.5mm； (4)
5)芯片矩形槽(201)的宽度W1由下式确定：
10mm≥W1≥3mm； (5)
柔性缓冲层3具有良好的延展性和导热率，其莫氏硬度小于4，热导率不小于70W·M-1·K-1，例如铟、银。柔性缓冲层3的中央位置通过激光切割加工出缓冲层开孔301和出气槽302，其中缓冲层开孔301和出气槽302是相连的，贯通的，缓冲层开孔301为圆形的通孔，出气槽302的起始位置始于缓冲层开孔301，并且连通，延伸至柔性缓冲层3的边缘。柔性缓冲层3可由一片，或相同结构的两片、三片组成。
所述一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构的参数(见附图3)设计原则如下：
1)缓冲层开孔301的直径D3参数确认方法如下:
根据圆形凹台202的直径D2计算；
D3＝D2； (6)
2)出气槽302的宽度L2参数确认方法如下；
1mm≥L2≥0.3mm； (7)
3)出气槽302的厚度H由下式确定；
1mm≥H≥0.1mm； (8)
所述一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构的参数设计均可以迭代优化，以达到物理隔离耦合应力的目的。
所述的一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构的制备方法如下：
1)如附图2所示，冷平台1按设计要求加工成型并与冷指钎焊；
2)钎焊后在机床上用专用夹具装夹，并对冷平台1与焦平面探测器耦合处的上表面进行研磨，保证耦合面平面度和平行度满足装配要求；
3)对冷平台1镜面抛光，抛光后将残留的研磨膏清洗干净，然后依次用丙酮、酒精及去离子水在超声波清洗机内清洗5-10分钟，去除加工中残留在零件表面的油脂和碎屑。
4)将冷平台1完全浸入液氮内，浸泡时间1-3分钟取出，室温保持时间大于5分钟，重复5-10次；
5)最后进行250度，真空度优于3×10-4Pa连续真空排气48小时后待用；
6)将0.1mm厚柔性缓冲层3激光切割成相应的形状，应具有缓冲层开孔301和出气槽302，缓冲层开孔301和出气槽302连通；
7)将0.1mm厚柔性缓冲层3用相应的工艺清洗腐蚀；
8)将柔性缓冲层3用镊子轻轻的放置在冷平台1的相应位置上；
9)将带有探测器芯片的芯片基板2放置在柔性缓冲层3上，并用一定数量螺栓连接，并控制扭力。
以上就实现了一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构组装。
本发明的优点是：
(1)本发明的结构简单，操作方便，成本低廉；
(2)本发明中冷平台1、芯片基板2和柔性缓冲层3采用高热导的材料，柔性缓冲层3具有良好的延展性，温度均匀性好，具有与红外探测器良好的热匹配性；
(3)本发明中的芯片基板2的下表面设计加工相应宽度的圆形凹台202，可以隔离分置式制冷机探测器组件过盈耦合应力对探测器的影响，提高探测器的可靠性；
(4)本发明中的芯片基板2的上表面设计加工相应宽度的芯片矩形槽201，当探测器损坏需要更换时，方便从芯片基板2取下；
(5)本发明中的柔性缓冲层3的设计加工相应宽度的出气槽302，可以满足冷平台1和芯片基板2压紧时残留在圆形凹台202处的空气排出。
附图说明
图1为一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构图；
图中：1—冷平台；
2—芯片基板；
3—柔性缓冲层；
图2为一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器芯片基板示意图。
图中：201—芯片矩形槽；
202—圆形凹台；
图3为一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器柔性缓冲层示意图。
图中：301—缓冲层开孔；
302—出气槽；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
实例一是某航天项目用长波2000×3元红外探测器分置式杜瓦组件结构。其装配结构如下：根据制冷量和功耗要求，制冷机选择某脉管式制冷机，其工作温度为55K，冷平台1的直径D1为26mm。如附图1所示。本发明的具体实施方式如下：
1.本发明中设计结果如下：
所述的冷平台1选用Mo材料(牌号高温钼或TZM)，高热导材料，芯片基板2选用AlN材料，柔性缓冲层3选用In材料；
在冷平台2的下底面加工出0.3mm深度，直径26mm的圆形凹台202，在芯片基板2的上表面靠近芯片的位置加工出长0.5mm×深0.5mm×宽3mm的芯片矩形槽201。柔性缓冲层3通过激光切割加工出缓冲层开孔301和出气槽302，其中缓冲层开孔301和出气槽302是相连的，贯通的，缓冲层开孔301直径为26mm，出气槽302的宽度为0.3mm，柔性缓冲层3的厚度为0.1mm，冷平台1、芯片基板2和柔性缓冲层3通过4个螺栓螺接。
2.组装及连接步骤
1)如附图2所示，冷平台1按设计要求加工成型并与冷指钎焊；
2)钎焊后在机床上用专用夹具装夹，并对冷平台1与焦平面探测器耦合处的上表面进行研磨，保证耦合面平面度(0.008mm)和平行度(0.015mm)满足装配要求；
3)对冷平台1镜面抛光，抛光后将残留的研磨膏清洗干净，然后依次用丙酮、酒精及去离子水在超声波清洗机内清洗5-10分钟，去除加工中残留在零件表面的油脂和碎屑。
4)将冷平台1完全浸入液氮内，浸泡时间1-3分钟取出，室温保持时间大于5分钟，重复5-10次；
5)最后进行250度，真空度优于3×10-4Pa连续真空排气48小时后待用；
6)将0.1mm厚柔性缓冲层3激光切割成相应的形状，应具有缓冲层开孔301和出气槽302，缓冲层开孔301和出气槽302连通；
7)将0.1mm厚柔性缓冲层3置于酸液中约10秒钟，待表面光亮无氧化层后放于去离子水中里连续冲洗15分钟；
8)将柔性缓冲层3用镊子轻轻的放置在冷平台1的相应位置上；
9)将带有探测器芯片的芯片基板2放置在柔性缓冲层3上，并用一定数量螺栓连接，并控制扭力≤8cN·m。
以上就实现了长波2000×3元红外探测器分置式杜瓦组件的一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构组装。
实例二是某航天项目用短波1024×512元红外探测器分置式杜瓦组件结构。其装配结构如下：根据制冷量和功耗要求，制冷机选择某脉管式制冷机，其工作温度为100K，冷平台1的直径D1为17mm。如附图1所示。本发明的具体实施方式如下：
1.本发明中设计结果如下：
所述的冷平台1选用Mo材料(牌号高温钼)，高热导材料，芯片基板2选用SiC材料，柔性缓冲层3选用In材料；
在冷平台2的下底面加工出1mm深度，直径19mm的圆形凹台202，在芯片基板2的上表面靠近芯片的位置加工出长5mm×深2mm×宽10mm的芯片矩形槽201。柔性缓冲层3通过激光切割加工出缓冲层开孔301和出气槽302，其中缓冲层开孔301和出气槽302是相连的，贯通的，缓冲层开孔301直径为19mm，出气槽302的宽度为1mm，柔性缓冲层3的厚度为1mm，冷平台1、芯片基板2和柔性缓冲层3通过6个螺栓螺接。
2.组装及连接步骤
1)如附图2所示，冷平台1按设计要求加工成型并与冷指钎焊；
2)钎焊后在机床上用专用夹具装夹，并对冷平台1与焦平面探测器耦合处的上表面进行研磨，保证耦合面平面度(0.005mm)和平行度(0.013mm)满足装配要求；
3)对冷平台1镜面抛光，抛光后将残留的研磨膏清洗干净，然后依次用丙酮、酒精及去离子水在超声波清洗机内清洗5-10分钟，去除加工中残留在零件表面的油脂和碎屑。
4)将冷平台1完全浸入液氮内，浸泡时间1-3分钟取出，室温保持时间大于5分钟，重复5-10次；
5)最后进行250度，真空度优于3×10-4Pa连续真空排气48小时后待用；
6)将1mm厚柔性缓冲层3激光切割成相应的形状，应具有缓冲层开孔301和出气槽302，缓冲层开孔301和出气槽302连通；
7)将0.1mm厚柔性缓冲层3置于酸液中约10秒钟，待表面光亮无氧化层后放于去离子水中里连续冲洗15分钟；
8)将柔性缓冲层3用镊子轻轻的放置在冷平台1的相应位置上；
9)将带有探测器芯片的芯片基板2放置在柔性缓冲层3上，并用一定数量螺栓连接，并控制扭力≤8cN·m。
以上就实现了短波1024×512元红外探测器分置式杜瓦组件的一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构组装。
实例三是某航天项目用中波2000×2000元红外探测器分置式杜瓦组件结构。其装配结构如下：根据制冷量和功耗要求，制冷机选择某脉管式制冷机，其工作温度为70K，冷平台1的直径D1为18.5mm。如附图1所示。本发明的具体实施方式如下：
1.本发明中设计结果如下：
所述的冷平台1选用Mo材料(牌号TZM)，高热导材料，芯片基板2选用Si3N4材料，柔性缓冲层3选用In材料；
在冷平台2的下底面加工出0.6mm深度，直径19.5mm的圆形凹台202，在芯片基板2的上表面靠近芯片的位置加工出长2.8mm×深1.3mm×宽6.5mm的芯片矩形槽201。柔性缓冲层3通过激光切割加工出缓冲层开孔301和出气槽302，其中缓冲层开孔301和出气槽302是相连的，贯通的，缓冲层开孔301直径为19.5mm，出气槽302的宽度为0.7mm，柔性缓冲层3的厚度为0.55mm，冷平台1、芯片基板2和柔性缓冲层3通过6个螺栓螺接。
2.组装及连接步骤
1)如附图2所示，冷平台1按设计要求加工成型并与冷指钎焊；
2)钎焊后在机床上用专用夹具装夹，并对冷平台1与焦平面探测器耦合处的上表面进行研磨，保证耦合面平面度(0.008mm)和平行度(0.015mm)满足装配要求；
3)对冷平台1镜面抛光，抛光后将残留的研磨膏清洗干净，然后依次用丙酮、酒精及去离子水在超声波清洗机内清洗5-10分钟，去除加工中残留在零件表面的油脂和碎屑。
4)将冷平台1完全浸入液氮内，浸泡时间1-3分钟取出，室温保持时间大于5分钟，重复5-10次；
5)最后进行250度，真空度优于3×10-4Pa连续真空排气48小时后待用；
6)将0.1mm厚柔性缓冲层3激光切割成相应的形状，应具有缓冲层开孔301和出气槽302，缓冲层开孔301和出气槽302连通；
7)将0.1mm厚柔性缓冲层3置于酸液中约10秒钟，待表面光亮无氧化层后放于去离子水中里连续冲洗15分钟；
8)将柔性缓冲层3用镊子轻轻的放置在冷平台1的相应位置上；
9)将带有探测器芯片的芯片基板2放置在柔性缓冲层3上，并用一定数量螺栓连接，并控制扭力≤8cN·m。
以上就实现了中波2000×2000元红外探测器分置式杜瓦组件的一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构组装。
Claims (2)
1.一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构，包括冷平台(1)、芯片基板(2)和柔性缓冲层(3)，冷平台(1)位于最下面，柔性缓冲层(3)位于冷平台(1)的上面，柔性缓冲层(3)的上面是芯片基板(2)，芯片胶接在芯片基板(2)上，冷平台(1)、芯片基板(2)和柔性缓冲层(3)三者通过螺栓连接，其特征在于：
芯片基板(2)与柔性缓冲层(3)接触面的中央位置有深度H2、直径D2的圆形凹台(202)，在芯片基板(2)与芯片接触的表面有长度L1×宽度W1×深度H1的芯片矩形槽(201)，芯片矩形槽(201)的开槽起始位置与芯片边缘平齐；
圆形凹台(202)的直径D2由下式确定:
D1+2mm≥D2≥D1
式中：D1为冷平台(1)的钎焊孔直径D1；
圆形凹台(202)的深度H2由下式确定：
1mm≥H2≥0.3mm；
芯片矩形槽(201)的长度L1由下式确定：
5mm≥L1≥0.5mm；
芯片矩形槽(201)的深度H1由下式确定：
2mm≥H1≥0.5mm；
芯片矩形槽(201)的宽度W1由下式确定：
10mm≥W1≥3mm。
2.根据权利要求1所述的一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构，其特征在于：
所述的柔性缓冲层(3)，其莫氏硬度小于4，热导率不小于70W﹒M-1﹒K-1；柔性缓冲层(3)的中央位置有缓冲层开孔(301)，缓冲层开孔(301)为圆形的通孔，缓冲层开孔(301)和出气槽(302)是相连的，贯通的，出气槽(302)的起始位置始于缓冲层开孔(301)，延伸至柔性缓冲层(3)的边缘；柔性缓冲层(3)由一片，或相同结构的两片、三片组成；
缓冲层开孔(301)的直径D3由下式确定:
D3＝D2；
出气槽(302)的宽度L2由下式确定；
1mm≥L2≥0.3mm；
出气槽(302)的厚度H由下式确定；
1mm≥H≥0.1mm。
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