CN209117880U - 一种cvd金刚石辐照探测器的封装体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种CVD金刚石辐照探测器的封装体。所述封装体，包括上下层陶瓷基印刷电路板(PCB)、中间绝缘层、上下层端盖、金属化后的CVD金刚石探测器。通过金线键合的方式连接金刚石探测器与PCB板间的电路，减少了电路损耗，有利于得到稳定的响应信号；采用陶瓷基PCB板，减少了辐照对封装的影响，降低不必要的噪声；采用3层结构，中间绝缘层保证了金刚石侧面的绝缘性，并使得金刚石上下面电极分别与上下两个PCB板进行键合，提高了探测器的电极间的绝缘性，进一步降低暗电流；上下盖帽在最后组装并用螺钉固定，可以防止因为外力而造成的器件的损伤；各层均通过螺钉连接，方便器件拆装有利于金刚石的二次利用。

Description

一种CVD金刚石辐照探测器的封装体

技术领域

本实用新型涉及CVD金刚石探测器测试封装技术领域，尤其涉及一种CVD 金刚石辐照探测器封装体结构设计。

背景技术

由于金刚石具有很大的禁带宽度，稳定的SP³键原子结构，可以保证在高强度辐照强度下，能有效抵挡高能粒子入射到金刚石中所产生的联级反冲。另外，金刚石还拥有高载流子迁移率、高导热性能、最强的硬度，可以满足金刚石探测器在恶劣的环境中稳定的工作。国外已经开展了很多相工作，比如在医疗X射线探测、快中子响应、α射线、大型强子对撞机的像素探测器以及其他高能领域均有CVD金刚石探测器的身影。随着不断应用和发展，CVD金刚石探测器逐渐被认为是取代传统硅基半导体固态探测器，并称为下一代辐照探测器的最理想选择。

传统辐照金刚石探测器，均采用绝缘树脂实现绝缘，以及金属压片完成外电路连接，会存在以下几个问题：

1、在较强辐照条件下，粒子入射到封装体将发生原子的位移及替换累积辐照损伤，会使得原本绝缘性良好的树脂变差，进而增加暗电流以及噪声。

2、由于金刚石禁带宽度较大，电子-空穴激发能较大，则粒子在金刚石所激发的电信号较弱。如果仅使用金属压片完成电路连接，将导致较大的接触电阻，不利于信号的收集和能量的分辨。

3、探测器器件不便于拆装，也不利于金刚石的二次利用。

发明内容

本实用新型的目的是设计一种辐照金刚石探测器的封装体，以解决金刚石辐照探测封装与测试存在的问题。包括双面实现金属化的高质量CVD金刚石探测器在内，其封装体整体分为3层，上下两层为相同陶瓷基印刷电路板(PCB)，中间层为绝缘垫片，三层结构通过螺钉固定。

一种CVD金刚石辐照探测器的封装体，其特征在于：包括上下层陶瓷基印刷电路板PCB、中间绝缘层、上下层端盖、金属化后的CVD金刚石探测器；中间绝缘层位于上下层陶瓷基印刷电路板PCB之间，金属化后的CVD金刚石探测器位于中间绝缘层中间的方孔内。

进一步地，CVD金刚石辐射探测器的金刚石材料使用微波化学气相沉积方法制备，并经激光切割、研磨、抛光以及表面清洗得到。

进一步地，CVD金刚石辐射探测器表面金属化材料为Cr+Au金属层，其中 Cr的厚度10-50nm，Au的厚度80-200nm，且需要在高温下退火处理。

进一步地，所述上下层陶瓷基印刷电路板PCB板为单面中心开孔陶瓷基板，且中心开孔周围布置有一定尺寸的矩形或圆形金属导电层，并由该金属导电层向四周辐射4路导电层；导电层基底金属铜厚度为20um，表面经镍钯金处理，镍钯金镀层厚度达到1μm。

进一步地，介于上下两层PCB板之间的绝缘层材料，厚度与CVD金刚石材料相当。

进一步地，CVD金刚石探测器两侧金属层通过金引线与上下层PCB板导电层连接，并且金刚石上下表面电极分别单独走线到上下两个PCB板。

进一步地，金刚石辐射探测器、上下PCB板，中间绝缘层形成的器件组装后通过上下添加聚酰亚胺盖帽进行保护，且通过8个贯穿整个器件的通孔采用螺钉固定。

本实用新型要点：

1.CVD金刚石辐照探测器

CVD金刚石辐照探测器作为封装体的核心，主要通常高质量CVD金刚石的沉积、表面抛光、清洗、金属化过程等步骤实现。CVD金刚石材料由沉积、切割、抛光、清洗而来。金刚石的清洗目的是去除金刚石表面非金刚石相，使得金刚石表面形成稳定的氧终端，提高金刚石的电阻率。

CVD金刚石探测器还包括表面金属化层，具体是Cr/Au复合层，通过磁控溅射后进一步进行高温退火，使得黏附层金属Cr与金刚石相发生反应，得到中间化合物，提高金属层的附着力，稳定得到的欧姆接触，减少探测器响应信号运输过程中的损耗，提高探测器的收集效率。

2.CVD金刚石辐照探测器封装体结构

本实用新型实施所述用于辐照金刚石探测器封装结构包括上层的陶瓷基印刷电路板(PCB)、中间绝缘层、下层的陶瓷基PCB、下层端盖(实际过程中也可增加上层端盖)、金属化后的金刚石探测器。其中，上下两层为相同PCB，中间层为和印刷电路板尺寸相同的绝缘垫片，可实现金刚石上下面良好的绝缘，三层结构通过螺钉固定。

PCB采用陶瓷基极板，不仅具有高导热率、高绝缘性、防腐蚀，且有一定的抗辐射作用，可保证在辐照条件下探测器工作的稳定性，提高信噪比。上层PCB 板与下层PCB板中心开有略小于CVD金刚石探测器尺寸的方孔，且环方孔周围布有方形导电金属层与辐射向四周的四条导电层。方形导电金属层与四条导电层均通过掩膜、沉积金属的方式实现。其中方形导电金属层用于通过金引线连接 CVD金刚石辐射探测器上下电极。而辐射向四周的四条导电层用于连接测试外电路。PCB板上的导电层材料为铜基底，表面镍钯金处理的金属层，该金属层可支持金丝球焊，极大降低接触电阻，减小了信号传输过程中的能量损耗。

两个PCB板中间的绝缘层厚度与CVD金刚石相当，可以实现CVD金刚石探测器的良好固定，同时使得CVD金刚石探测器上下表面得到良好的绝缘，降低了探测器暗电流，减少了探测器噪声。

将CVD金刚石探测器的上下表面分别与上下层PCB板使用金线连接后，为避免在随后测试过程中容易触碰到引线，以及环境中的干扰，器件上下均可以盖帽，用于保护PCB层免受外界影响。盖帽上需制作与PCB板、绝缘层位置相同的通孔，用于最后组装并用螺钉固定。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型通过金线键合的方式连接金刚石与PCB板间的电路，减少了电路损耗，有利于得到稳定的响应信号；采用陶瓷基PCB板，减少了辐照对封装的影响，降低不必要的噪声；采用3层结构，中间绝缘层保证了金刚石侧面的绝缘性，并使得金刚石上下面电极分别与上下两个PCB板进行键合，提高了探测器的电极间的绝缘性，进一步降低暗电流；上下盖帽在最后组装并用螺钉固定，可以防止因为外力而造成的器件的损伤；各层均通过螺钉连接，方便器件拆装有利于金刚石的二次利用。

附图说明

为了更直观地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例中使用的附图做简要介绍。

图1为本实用新型实施所述用于辐照金刚石探测器封装结构示意图。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

1.CVD金刚石辐射探测器的制作

使用H₂SO₄/HNO₃(5：1)的混合溶液将金刚石煮沸40min。酸洗的主要目的是，去除金刚石表面的非金刚石相并形成稳定的氧终端。之后分别放入去离子水、丙酮、无水乙醇中各超声清洗10min，尽可能去除附着在衬底表面的油污、灰尘等杂质，以免影响金刚石电极的制备。

使用磁控溅射的方法，在金属掩膜板的保护下对金刚石上下表面溅射得到2.5x2.5mm²的方形电极，金属层的厚度为10nmCr+80nmAu，并在400℃保温 10min后快速退火。退火显著提高金属层与金刚石的结合力，稳定得到了欧姆接触，减少探测器响应信号运输过程中的损耗。

器件的封装

如图1所示，为本实用新型实施所述用于辐照金刚石探测器封装结构示意图，具体包括上层的PCB 1、中间绝缘层2、上层的PCB 3、下层端盖4(实际过程中也可增加上层端盖)、金属化后的CVD金刚石探测器5。其中PCB板1和3上电路层镍为钯金处理作为电路导通层，中间绝缘层2中间方孔用于放置金刚石，8 个圆孔用于各层之间的连接。其中PCB板的厚度为1mm，PCB采用陶瓷基板，线路层金属厚度为20um；为保证得到稳定的金线键合(bonding)，表面焊盘为镍钯金处理且厚度为1um。设计孔为通孔，尺寸2.1mm；设计槽尺寸为2.8x 2.8mm2，倒角选用最小；孔以及槽均为非金属化处理。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种CVD金刚石辐照探测器的封装体，其特征在于：包括上下层陶瓷基印刷电路板PCB、中间绝缘层、上下层端盖、金属化后的CVD金刚石探测器；中间绝缘层位于上下层陶瓷基印刷电路板PCB之间，金属化后的CVD金刚石探测器位于中间绝缘层中间的方孔内。

2.如权利要求1所述的一种CVD金刚石辐照探测器的封装体，其特征在于：CVD金刚石辐射探测器表面金属化材料为Cr+Au金属层，其中Cr的厚度10-50nm，Au的厚度80-200nm，且需要在高温下退火处理。

3.如权利要求1所述的一种CVD金刚石辐照探测器的封装体，其特征在于：所述上下层陶瓷基印刷电路板PCB板为单面中心开孔陶瓷基板，且中心开孔周围布置有一定尺寸的矩形或圆形金属导电层，并由该金属导电层向四周辐射4路导电层；导电层基底金属铜厚度为20um，表面经镍钯金处理，镍钯金镀层厚度达到1μm。

4.如权利要求1所述CVD金刚石辐照探测器的封装体，其特征在于，介于上下两层PCB板之间的绝缘层材料，厚度与CVD金刚石探测器相当。

5.如权利要求1或3所述CVD金刚石辐照探测器的封装体，其特征在于：CVD金刚石探测器两侧金属层通过金引线与上下层PCB板导电层连接，并且金刚石上下表面电极分别单独走线到上下两个PCB板。

6.如权利要求1或3所述CVD金刚石辐照探测器的封装体，其特征在于：CVD金刚石辐射探测器、上下PCB板，中间绝缘层形成的器件组装后通过上下添加聚酰亚胺盖帽进行保护，且通过8个贯穿整个器件的通孔采用螺钉固定。