FR2677808A1 - Device for fastening a CCD sensor on an image intensifier tube - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF DE FIXATION D'UN SENSEUR CCD
SUR UN TUBE INTENSIFICATEUR D'IMAGE
La présente invention concerne un dispositif de fixation d'un senseur CCD sur un tube-image, fonctionnant sous vide. Les tubes image sont ceux dans lesquels une image se forme, comme dans les tubes de prise de vue, ou est amplifiée, comme dans les tubes intensificateurs d'image. Les CCD sont des circuits intégrés ou dispositifs à transfert de charges, qui transforment un signal photonique en signal électronique.DEVICE FOR FIXING A CCD SENSOR
ON AN IMAGE ENHANCER TUBE
The present invention relates to a device for fixing a CCD sensor to an image tube, operating under vacuum. Image tubes are those in which an image is formed, as in picture tubes, or is amplified, as in image intensifier tubes. CCDs are integrated circuits or charge transfer devices, which transform a photonic signal into an electronic signal.
De façon à être plus claire, l'invention sera exposée en s'appuyant sur l'exemple d'un tube intensificateur image. Les tubes intensificateurs d'image convertissent les photons d'une image peu lumineuse en électrons avec un gain important, ce qui fournit une image potentiellement lumineuse, soit après retransformation en photons, soit au moyen d'un senseur électro-sensible. Ces deux solutions connues sont montrées en figures 1 et 2. In order to be clearer, the invention will be explained based on the example of an image intensifier tube. Image intensifier tubes convert the photons of a dim image into electrons with a large gain, which provides a potentially bright image, either after photon retransformation, or by means of an electro-sensitive sensor. These two known solutions are shown in FIGS. 1 and 2.
La figure 1 est une coupe très simplifiée de la partie arrière d'un tube-image 1, pour illustrer la première solution. Les électrons produits dans le tube sont retransformés en photons au moyen d'une couche luminescente 3 déposée sur une galette 4 de fibres optiques, scellée dans la face arrière 2 du tube. L'image est ainsi transférée à l'extérieur du tube, et la première galette 4 de fibres sert de barrière entre le vide à l'intérieur et la pression atmosphérique à ltextérieur du tube. Cette image est à nouveau transférée, au moyen d'une deuxième galette 5 de fibres optiques, sur un dispositif à transfert de charges 6, encapsulé dans un boîtier 7 muni de broches de sorties 8. Figure 1 is a very simplified section of the rear part of an image tube 1, to illustrate the first solution. The electrons produced in the tube are transformed back into photons by means of a luminescent layer 3 deposited on a wafer 4 of optical fibers, sealed in the rear face 2 of the tube. The image is thus transferred to the outside of the tube, and the first wafer 4 of fibers serves as a barrier between the vacuum inside and the atmospheric pressure inside the tube. This image is again transferred, by means of a second wafer 5 of optical fibers, to a charge transfer device 6, encapsulated in a housing 7 provided with output pins 8.
La seconde solution, illustrée en figure 2, constitue une amélioration importante en plaçant directement un CCD aminci 6 à l'intérieur du tube 1. Le circuit intégré de CCD est aminci jusqu'à 10 microns et il reçoit les électrons par sa face arrière. The second solution, illustrated in FIG. 2, constitutes a significant improvement by directly placing a thinned CCD 6 inside the tube 1. The integrated CCD circuit is thinned to 10 microns and it receives the electrons through its rear face.
Un premier avantage de cette architecture provient de la suppression de la couche luminescente 3 et des deux galettes 4 et 5 de fibres optiques, ce qui permet d'améliorer la résolution du système, en pouvoir séparateur, et la qualité de l'image par la suppression des défauts de transmission des fibres. A first advantage of this architecture comes from the elimination of the luminescent layer 3 and of the two wafers 4 and 5 of optical fibers, which makes it possible to improve the resolution of the system, in separating power, and the quality of the image by the elimination of fiber transmission defects.
Un second avantage vient de ce que le remplacement de la première galette 4 de fibres optiques, utilisée comme amplificateur, par le capteur CCD 6 permet d'améliorer sensiblement le rapport signal sur bruit du détecteur. En effet, le gain de la multiplication électronique dans le silicium du CCD est statistiquement beaucoup moins bruité que celui de la galette 4. A second advantage comes from the fact that the replacement of the first wafer 4 of optical fibers, used as an amplifier, by the CCD sensor 6 makes it possible to significantly improve the signal to noise ratio of the detector. Indeed, the gain of electronic multiplication in CCD silicon is statistically much less noisy than that of wafer 4.
Par contre, cette structure qui nécessite un CCD aminci 6 électro-sensible placé à l'intérieur du tube, entraîne deux conséquences néfastes - les connexions électriques externes 9 doivent traverser les parois 2 du tube, ce qui implique un grand nombre de passages étanches 10 de type scellement verre-métal, - la plaquette 6 de CCD doit être spécialement encapsulée. En effet, la réalisation de la photo cathode du tube se fait après le montage du CCD dans le tube, et cette réalisation produit des ions alcalins qui se déposent, entre autres, sur les surfaces isolantes qui séparent les connexions de sorties 8 du boîtier 7 de CCD, entraînant une augmentation catastrophique des courants de fuite. On the other hand, this structure which requires a thinned electro-sensitive CCD 6 placed inside the tube, has two harmful consequences - the external electrical connections 9 must pass through the walls 2 of the tube, which implies a large number of watertight passages 10 glass-metal sealing type, - CCD plate 6 must be specially encapsulated. Indeed, the realization of the photo cathode of the tube is done after mounting the CCD in the tube, and this realization produces alkaline ions which are deposited, among other things, on the insulating surfaces which separate the output connections 8 of the housing 7 CCD, resulting in a catastrophic increase in leakage currents.
L'invention apporte une solution à ces différents problèmes, et propose une structure de montage d'un CCD sur un tube, telle que - le boîtier et le CCD qu'il contient forment une paroi du tube, - le CCD étant à l'intérieur du tube, ce qui supprime donc les galettes de fibres de verre, - mais les connexions étant à l'extérieur de l'enceinte sous vide, ce qui les met hors de portée des ions alcalins lors de la réalisation de la photocathode et ce qui supprime les passages étanches à travers les parois du tube. The invention provides a solution to these various problems, and proposes a structure for mounting a CCD on a tube, such that - the housing and the CCD which it contains form a wall of the tube, - the CCD being at inside the tube, which therefore removes the glass fiber slabs, - but the connections being outside the vacuum enclosure, which puts them out of reach of alkaline ions during the realization of the photocathode and this which removes tight passages through the walls of the tube.
La plaquette de CCD étant aminçie, un renfort externe lui permet de résister à la différence de pression entre l'extérieur et l'intérieur du tube, et des joints assurent l'étanchéité. As the CCD plate is thinned, an external reinforcement allows it to resist the pressure difference between the outside and the inside of the tube, and seals ensure sealing.
De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de fixation d'un senseur CCD sur un tube intensificateur d'image comportant une paroi munie d'un orifice, ce dispositif étant caractérisé en ce que - le senseur est monté dans un boitier d'encapsulation muni d'une fenêtre, qui est obturée de façon étanche par le senseur, - le boitier d'encapsulation est brasé, de façon étanche au moyen d'une métallisation, sur les bords de l'orifice de la paroi du tube intensificateur. More specifically, the invention relates to a device for fixing a CCD sensor to an image intensifier tube comprising a wall provided with an orifice, this device being characterized in that - the sensor is mounted in a housing d encapsulation provided with a window, which is sealed by the sensor, - the encapsulation box is brazed, sealingly by means of metallization, on the edges of the orifice of the wall of the intensifier tube .
L'invention sera mieux comprise par la description plus complète qui suit maintenant de trois exemples de réalisation, en liaison avec les figures jointes en annexe, qui représentent - figures 1 et 2 : deux états de l'art connu, précédemment exposés, - figures 3,4, et 5 : vues en coupes de la partie arrière d'un tube intensificateur d'image, montrant la fixation d'un CCD sur le tube, dans trois structures selon l'invention. The invention will be better understood from the more complete description which now follows of three exemplary embodiments, in conjunction with the appended figures, which represent - Figures 1 and 2: two prior art, previously exposed, - Figures 3,4, and 5: sectional views of the rear part of an image intensifier tube, showing the fixing of a CCD on the tube, in three structures according to the invention.
La figure 3 montre une première structure selon l'invention. Figure 3 shows a first structure according to the invention.
L'extrêmité arrière d'un tube 1 intensificateur d'image est obturée par une paroi métallique, munie d'un orifice 2a, et sur laquelle est brasé un boîtier l1, portant à cet effet une métallisation 12 : le boîtier il vient obturer l'orifice 2a, central de la paroi.The rear end of an image intensifier tube 1 is closed off by a metal wall, provided with an orifice 2a, and on which a casing 11 is brazed, carrying for this purpose a metallization 12: the casing is closed off orifice 2a, central to the wall.
Le boîtier il est lui même percé en son centre par une fenêtre dont le pourtour 13 correspond aux dimensions de la partie sensible de la plaquette 6 de CCD. Celle-ci a été amincie jusqu'à une épaisseur de l'ordre de 10 micromètres : elle ne peut donc pas servir de paroi d'étanchéité entre la pression atmosphérique et le vide à l'intérieur du tube et il faut la renforcer. Mais de plus, le CCD est disposé substrat côté du tube et face active côté externe au tube, de façon que les interconnexions et les plots métalliques soient hors de pollution par les alcalins, au cours de la réalisation de la photocathode dans le tube. I1 faut donc que la plaquette de renfort 14 s'inscrive à l'intérieur du périmètre des plots de métallisation portés par le CCD 6, de façon à permettre la soudure des fils de connexions 16.La plaquette de CCD 6 est si fine qu'il n'est pas possible d'y souder ces fils sans précautions. C'est pourquoi un second renfort 15, en forme de cadre, est fixé sous le CCD 6. Les dimensions de ce cadre 15 correspondent, extérieurement, au moins aux dimensions de la puce 6, et intérieurement à moins que les dimensions du premier renfort 14, de sorte qu'il y ait superposition partielle. S'il n'y avait pas superposition, le renfort 14, sous l'effet de la pression atmosphérique, découperait la puce de CCD 6, à travers le cadre 15. The housing itself is pierced in its center by a window whose periphery 13 corresponds to the dimensions of the sensitive part of the plate 6 of CCD. This has been thinned to a thickness of the order of 10 micrometers: it cannot therefore serve as a sealing wall between atmospheric pressure and the vacuum inside the tube and it must be reinforced. But in addition, the CCD is arranged substrate side of the tube and active face on the side external to the tube, so that the interconnections and the metal studs are free from pollution by alkalis, during the production of the photocathode in the tube. It is therefore necessary for the reinforcement plate 14 to be inscribed inside the perimeter of the metallization pads carried by the CCD 6, so as to allow the soldering of the connection wires 16. The CCD plate 6 is so thin that it is not possible to solder these wires to it without precautions. This is why a second reinforcement 15, in the form of a frame, is fixed under the CCD 6. The dimensions of this frame 15 correspond, externally, at least to the dimensions of the chip 6, and internally unless the dimensions of the first reinforcement 14, so that there is partial overlap. If there was no overlap, the reinforcement 14, under the effect of atmospheric pressure, would cut the CCD chip 6, through the frame 15.
Les deux renforts 14 et 15 sont de préférence isolants, ou métalliques recouvert d'une couche isolante. Les matériaux utilisés peuvent etre de la céramique, du verre de coefficient de dilatation adapté au silicium, ou même du silicium oxydé en surface.The two reinforcements 14 and 15 are preferably insulating, or metallic covered with an insulating layer. The materials used can be ceramic, glass of expansion coefficient adapted to silicon, or even silicon oxidized on the surface.
Cette structure en sandwich est rendue étanche au vide au moyen de trois joints au moins. Le premier joint 17, entre le boîtier Il et le cadre 15, ainsi que le second joint 18, entre le cadre 15 et la puce 6, sont soumis aux exigences de fabrication et de fonctionnement de la photocathode du tube : tenue jusqu'à des températures de 300-3500C, absence de dégazage, ultravide. Ces deux joints doivent être minéraux, en un verre ou une pâte à l'argent, à bas point de fusion et compatibles avec les CCD. La température du CCD 6 ne doit pas dépasser 4500 - 5000 C pendant l'assemblage. This sandwich structure is made vacuum tight by at least three joints. The first seal 17, between the housing II and the frame 15, as well as the second seal 18, between the frame 15 and the chip 6, are subject to the manufacturing and operating requirements of the photocathode of the tube: held up to temperatures of 300-3500C, no degassing, ultra-vacuum. These two joints must be mineral, in a glass or a silver paste, with low melting point and compatible with CCDs. The temperature of the CCD 6 must not exceed 4500 - 5000 C during assembly.
Le troisième joint 19 est situé entre la puce 6 de CCD et la plaquette 14 de renfort sur la face avant de la puce. Ce joint doit être également étanche sinon la pression atmosphérique ferait éclater la puce 6. Placé à l'extérieur du tube, il peut être minéral, en verre à bas point de fusion pour l'homogénéité de technique avec les deux autres joints, ou être organique, en polymide par exemple. Il n'y aura dans ce cas pas de problèmes de dégazage. The third seal 19 is located between the CCD chip 6 and the reinforcement plate 14 on the front face of the chip. This joint must also be leaktight otherwise atmospheric pressure would cause the chip 6 to burst. Placed outside the tube, it can be mineral, made of glass with a low melting point for the homogeneity of technique with the other two joints, or be organic, in polymide for example. In this case there will be no degassing problems.
Le boîtier 11 est un boîtier en alumine ou céramique utilisant les technologies classiques dans ce type de boîtier. Il comporte des broches 20 de connexions extérieures, réunies chacune à un plot métallique 21, porté par un rebord intérieur en boîtier, et nécessaire pour l'interconnexion du CCD 6 par des fils métalliques 16. The housing 11 is an alumina or ceramic housing using the conventional technologies in this type of housing. It has pins 20 for external connections, each joined to a metal stud 21, carried by an inner rim in a housing, and necessary for the interconnection of the CCD 6 by metal wires 16.
Un couvercle 22, métallique ou céramique, referme le boîtier et protège les connexions 16. A cover 22, metallic or ceramic, closes the housing and protects the connections 16.
La caractéristique de cette structure est que le CCD 6 est à l'intérieur du tube intensificateur , mais que sa face active et toutes ses connexions sont à l'extérieur du tube, hors de pollution par les ions alcalins. The characteristic of this structure is that the CCD 6 is inside the intensifier tube, but that its active face and all its connections are outside the tube, free from pollution by alkaline ions.
Une variante de cette structure est présentée en figure 4. Le renfort 23 de face avant du CCD est une plaquette de matériau isolant, comportant des trous métallisés 24 en regard des plots de contacts sur le CCD. La liaison entre le CCD et les trous métallisés 24 est faite avec du verre à l'argent, ou avec une résine conductrice, ou encore avec une soudure eutectique, telle que Pb-Sn, In Ag, Au Si ou Au Ge. A variant of this structure is presented in FIG. 4. The reinforcement 23 on the front face of the CCD is a plate of insulating material, comprising metallized holes 24 facing the contact pads on the CCD. The connection between the CCD and the metallized holes 24 is made with silver glass, or with a conductive resin, or with a eutectic weld, such as Pb-Sn, In Ag, Au Si or Au Ge.
Mais dans tous les cas, ces liaisons doivent être compatibles en température avec le second joint 18, intérieur au tube, et avec le troisième joint 19 qui empêche la puce de CCD 6 d'éclater sous l'effet de la pression atmosphérique.But in all cases, these connections must be compatible in temperature with the second seal 18, inside the tube, and with the third seal 19 which prevents the CCD chip 6 from bursting under the effect of atmospheric pressure.
Dans cette variante, les fils de connexions 16 ne sont plus thermocomprimés sur la puce du CCD 6 : il s'ensuit que le cadre de renfort 15 n'est plus utile, et la puce 6, renforcée par la plaque céramique 23, est fixée sur le boîtier 11 par un second joint 18, minéral (il est à l'intérieur du tube). Mais tandis qu'en figure 3 la plaquette métallique 14 devait impérativement être plus petite que la puce 6, pour permettre les soudures des fils 16, par contre dans ce cas de figure 4 la plaquette céramique 23 doit impérativement être au moins aussi grande que la puce 6, de façon à ce que les trous 24 recouvrent les plots de connexion de la puce. In this variant, the connection wires 16 are no longer thermocompressed on the CCD chip 6: it follows that the reinforcement frame 15 is no longer useful, and the chip 6, reinforced by the ceramic plate 23, is fixed on the housing 11 by a second mineral seal 18 (it is inside the tube). But while in FIG. 3 the metal plate 14 must imperatively be smaller than the chip 6, to allow the soldering of the wires 16, on the other hand in this case of FIG. 4 the ceramic plate 23 must imperatively be at least as large as the chip 6, so that the holes 24 cover the connection pads of the chip.
Le reste du boîtier (flans, broches, couvercle) est identique au boîtier de la figure précédente. The rest of the housing (blanks, pins, cover) is identical to the housing in the previous figure.
Une seconde variante de l'architecture est représentée en figure 5. La puce de CCD 6 est comme précédemment fixée sur un renfort céramique muni de trous, mais dans lestours sont placés des fils métalliques qui dépassent notablement du renfort. A second variant of the architecture is shown in FIG. 5. The CCD chip 6 is as previously fixed on a ceramic reinforcement provided with holes, but in the lattices are placed metal wires which notably protrude from the reinforcement.
La liaison entre ces fils conducteurs et les plots de connexion du
CCD est assurée par du verre à l'argent, une colle conductrice ou une soudure eutectique.The connection between these conductive wires and the connection pads of the
CCD is ensured by silver glass, conductive glue or eutectic welding.
Ces fils conducteurs peuvent être utilisés de deux façons. Soit ils sont reliés aux plots métalliques 21 portés par le boîtier, tel que représenté en figure 4. Soit ils sont reliés directement à des broches 25 de connexions extérieures, fixées dans le couvercle 26 qui ferme le boîtier. Celui-ci a alors une configuration connue sous le nom de "boîtier fakir" ou PGA (pour Pin Grid Array). These conductive wires can be used in two ways. Either they are connected to the metal studs 21 carried by the housing, as shown in FIG. 4. Or they are directly connected to pins 25 of external connections, fixed in the cover 26 which closes the housing. This then has a configuration known as a "fakir box" or PGA (for Pin Grid Array).
L'architecture qui a été décrite, dans diverses variantes, est plus spécialement destinée aux tubes intensificateurs d'images, fonctionnant sous vide, et dans lesquels le processus de fabrication de la photocathode risque d'endommager la plaquette de CCD et ses connexions externes. The architecture which has been described, in various variants, is more specifically intended for image intensifier tubes, operating under vacuum, and in which the photocathode manufacturing process risks damaging the CCD wafer and its external connections.
L'invention est précisée par les revendications suivantes. The invention is specified by the following claims.
Claims (8)
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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