專利名稱：大面陣紅外探測器在冷平臺(tái)上的組裝結(jié)構(gòu)及其組裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外探測器芯片封裝技術(shù)，具體指一種大面陣紅外焦平面探測 器在微型杜瓦的冷平臺(tái)上的組裝結(jié)構(gòu)及其組裝方法，它適用于大面陣紅外焦平 面探測器芯片的微型杜瓦封裝。
背景技術(shù)：
高空間分辨率紅外遙感儀器是紅外預(yù)警、搜索、跟蹤系統(tǒng)的核心部件。提 高空間分辨率的方法一般有兩種， 一是提高紅外探測器的光電性能，提高探測 靈敏度，以獲取更多信息；二是增加紅外敏感元數(shù)量，即在相同高度、相同刈 幅的遙感儀器，敏感元越多，其空間分辨越高。因而大面陣紅外焦平面組件制 備技術(shù)在航天、航空紅外領(lǐng)域有著重要意義。隨著波長向長波擴(kuò)展和探測靈敏 度的提高，大面陣紅外焦平面探測器必須在深低溫下才能工作。由于機(jī)械制冷 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、制冷量大、制冷時(shí)間短、制冷溫度可控范圍 大等優(yōu)點(diǎn)，目前該類探測器在空間應(yīng)用中大多采用機(jī)械制冷方式。這樣也使得 其應(yīng)用時(shí)大多采用杜瓦封裝形成大面陣紅外焦平面杜瓦組件。
為了快捷靈敏的搜索、跟蹤目標(biāo)，要求紅外焦平面探測器組件能迅速降到 工作溫度點(diǎn)后開始工作。而且大面陣紅外焦平面探測器一般都帶有較大濾光片 及其支撐，同時(shí)為了降低背景噪聲，提高探測器性能還帶有冷屏。帶濾光片和 冷屏的大面陣紅外焦平面探測器的熱容量直接關(guān)系到紅外焦平面探測器組件 的降溫時(shí)間。
由于大面陣紅外焦平面杜瓦組件在航天、航空紅外領(lǐng)域的重要意義，關(guān)于 大面陣紅外焦平面在微型杜瓦內(nèi)組裝結(jié)構(gòu)介紹比較少。中國專利的一種用于紅外焦平面探測器的微型低溫金屬杜瓦(專利號(hào)200520043286.8)中，采用的方 案是微型濾光片膠接在冷屏上，再通過了螺釘固定在杜瓦的冷頭上。其優(yōu)點(diǎn)為 結(jié)構(gòu)簡單，冷屏既是安裝微型濾光片的支撐架，也為芯片提供一冷背景。但其 應(yīng)用到大面陣紅外焦平面探測器上，會(huì)存在如下問題1)對(duì)有效視場外和經(jīng) 光學(xué)鏡筒反射的雜散光的抑制效果較差；2)采用螺釘固定結(jié)構(gòu)，使得杜瓦的 冷平臺(tái)質(zhì)量偏重，增加杜瓦的熱容量，影響降溫時(shí)間；3)當(dāng)紅外光學(xué)系統(tǒng)的 出筒的位置與探測器的光敏元之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，這種結(jié)構(gòu)很難同時(shí)滿足濾光 片的低溫和光學(xué)距離的要求。根據(jù)James Rutter， Dave Jungkman, James Stobie, et. al,"A multispectral Hybrid HgCdTe FPA/Dewar Assembly for Remote Sensing in theAtmospheric Sounder (Airs)" ， SPIE.Vol.2817.pp200-213文獻(xiàn)報(bào)告，其濾光片 安裝在一個(gè)支架，同時(shí)再安裝單筒冷屏。它們都是通過螺釘機(jī)械固定的方式安 裝在杜瓦的冷平臺(tái)上。其的優(yōu)點(diǎn)是可以安裝多個(gè)通道的微型濾光片，但同樣存在 中國專利200520043286.8所述的前兩個(gè)問題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種大面陣紅外焦平面探測器在微型冷平臺(tái)上的組 裝結(jié)構(gòu)及其組裝方法，來解決大面陣紅外焦平面探測器芯片的微型杜瓦封裝中 熱容量大導(dǎo)致降溫時(shí)間長和雜散光有效的抑制的問題。本發(fā)明一種大面陣紅外焦平面探測器在微型冷平臺(tái)上的組裝結(jié)構(gòu)如附圖1 所示，它主要包括大面陣紅外探測器芯片1、基板襯底2、微型杜瓦的冷平臺(tái)3、 引線電路4、濾光片支架5、濾光片6、冷屏7、硅鋁絲8。大面陣紅外探測器 芯片1由光敏元101和讀出電路模塊102通過直接倒焊而成，讀出電路模塊102 有電路引出端103;基板襯底2采用與紅外探測器芯片1的讀出電路模塊102 和柯伐或殷鋼材質(zhì)的微型杜瓦的冷平臺(tái)3相配的藍(lán)寶石或高拋光氮化鋁；基板襯底2有引線電路4;引線電路4上有與大面陣紅外探測器芯片1的讀出電路模塊102的電路引出端103 —一對(duì)應(yīng)的焊盤401。濾光片支架5的原始基料為 厚度為0. 2mm-0. 5mm柯伐材質(zhì)的板片，先通過900°C、保持2小時(shí)的真空處理 后，通過沖剪工藝形成所需要圖形(如附圖2所示)，其包括通光口501和安 裝插腳卡口 502(插腳卡口尺寸具體尺寸如下S i和S 2都選用0. lmm-O. 3mm， D 選用比基板厚度大0. 02mm-0. 05mm， L選用1. 5 mm-2mm)，再通過沖壓沿虛線向 同一方向彎曲90。成"門"型，然后通過液氮浸埋工藝來釋放應(yīng)力，最后在將其 表面處理成黑色；冷屏7由多個(gè)共用甲種圓筒701和一個(gè)共用乙種圓筒702按 一定次序組成，共用乙種圓筒702放置在冷屏的下部分，在共用乙種圓筒702 之上根據(jù)需要放置不同數(shù)量的共用甲種圓筒701。這兩類圓筒之間通過激光焊 接形成冷屏7。這兩種類型圓筒均為薄壁件，薄厚為0. 15腿-0. 3mm。共用甲種 圓筒701和共用乙種圓筒702上都預(yù)留滿足光學(xué)要求的通光孔703。共用乙種 圓筒702上預(yù)先加工出安裝插腳卡口 704(說明安裝插腳結(jié)構(gòu)與濾光片支架插 腳結(jié)構(gòu)類似，其所有尺寸按弧長設(shè)計(jì))。所有的共用甲種圓筒701和共用乙種圓 筒702的內(nèi)表面處理成黑色，外表面鏡面拋光處理。 本發(fā)明的組裝結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法如下(1) 通過激光加工方法，在帶有引線電路4的基板襯底2上加工出濾光片 支架安裝槽201和冷屏安裝槽202;槽的寬度分別比濾光片支架對(duì)應(yīng)尺寸和冷 屏對(duì)應(yīng)尺寸大0.02 mm -0. 05mra。槽的長度分別比濾光片支架對(duì)應(yīng)尺寸和冷屏 對(duì)應(yīng)尺寸為大0. lmm -0. 3腿，以保證插腳卡口可以通過。(2) 將大面陣紅外探測器芯片1膠接在基板襯底2對(duì)應(yīng)的位置上，并通過 硅鋁絲8和超聲鍵合工藝將大面陣紅外探測器芯片1的讀出電路模塊102的引 出端103與引線電路4上的焊盤401連接起來；(3) 將紅外濾光片6膠接濾光片支架相應(yīng)的位置后，插入基板襯底2的濾 光片安裝槽201后，再平推0. lmm-O. 3rmi固定好(安裝好的插腳卡口結(jié)構(gòu)見附 圖3所示)，用低溫膠將安裝槽201中的間隙填實(shí)固封；(4) 將激光焊接好的冷屏7插入基板襯底2的冷屏安裝槽202后，再旋轉(zhuǎn) 平推0. lmm-0. 3mm固定好，用低溫膠將安裝槽202中的間隙填實(shí)固封；(5) 將組裝完成的組件用低溫膠膠接在冷平臺(tái)3上。以上完成了本發(fā)明的一種大面陣紅外焦平面探測器在微型冷平臺(tái)上的組裝。本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)是1) 結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；2) 濾光片支架和冷屏都為薄壁，質(zhì)量很輕；另外采用插腳固定形式，克 服了傳統(tǒng)螺紋固定形式，使得微型杜瓦的冷平臺(tái)尺寸較小，這兩點(diǎn)都減輕了 微型杜瓦的冷平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)負(fù)載，更重要的是大大降低了熱容量，有 利于縮短微型杜瓦的降溫時(shí)間；3) 采用濾光片支架和冷屏分開的形式，微型濾光片可以更加靠近探測器 芯片，有利于降低背景輻射，提高探測器性能。另外濾光片靠近探測器芯片 可以減少濾光片大??；4) 冷屏采用了多個(gè)圓筒的形式，有效的抑制了視場外和經(jīng)光學(xué)鏡筒反射 的雜散光。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)有著輻射換熱中多屏效應(yīng)，降低了微型杜瓦組件的 熱輻射量，有利于降低微型杜瓦的寄生熱負(fù)載；5) 冷屏由兩種類型圓筒按一定的次序組裝后激光焊接而成，當(dāng)紅外光學(xué) 系統(tǒng)出筒的位置與探測器光敏面元的距離加長時(shí)，只需要增加共用甲種圓筒701的數(shù)量后與共用乙種圓筒702組合焊接起來，就能很好的滿足使用要求。 具有高兼容性和通用性；
6)濾光片支架和冷屏與基板襯底的固定采用插腳卡口結(jié)構(gòu)，具有抗強(qiáng)溫 度沖擊的能力，增加了組裝結(jié)構(gòu)的可靠性。


圖1為一種大面陣紅外焦平面探測器在微型杜瓦的冷平臺(tái)上的組裝結(jié)構(gòu)示意; 圖中l(wèi)一大面陣紅外探測器芯片；
101— 紅外探測器的光敏元；
102— 紅外探測器的讀出電路模塊；
103— 讀出電路模塊的電路引出端； 2—基板襯底；
201— 基板襯底上的濾光片支架安裝槽；
202— 基板襯底上的冷屏安裝槽； 3一冷平臺(tái)；
4一引線電路；
401—與讀出電路模塊引出端對(duì)應(yīng)的焊盤
5— 濾光片支架；
501— 通光口；
502— 安裝插腳卡口
6— 濾光片；
7— 冷屏；
701— 共用甲種圓筒；
702— 共用乙種圓筒；703— 通光孔；704— 共用乙種圓筒的插腳卡口 ；8—硅鋁絲。 圖2濾光片支架沖剪成型示意圖。 圖3安裝好的插腳卡口結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖于實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明-本實(shí)施例為320X240面陣紅外探測器在冷平臺(tái)上的組裝結(jié)構(gòu)，如附圖1 所示，它的主要實(shí)施方法如下(1) 將光敏元101和讀出電路模塊102通過直接倒焊而成紅外探測器芯片 1。讀出電路102的電路引出端103在讀出電路模塊102的兩側(cè)邊緣布置。(2) 基板襯底2采用d) 21. 7mm厚度為0. 6mm的藍(lán)寶石片。在清潔處理后》 21. 7mm圓寶石片上先離子濺射厚度為300A的Cr膜，然后濺射Au使該金屬層 的厚度到達(dá)lum，再將設(shè)計(jì)好的引線電路圖案通過光刻和腐蝕在寶石片上形成 引線電路4。引線電路4上有與大面陣紅外探測器芯片1的讀出電路模塊102 的電路引出端103 —一對(duì)應(yīng)的焊盤401;(3) 通過紫外激光加工方法，在帶有引線電路4的基板襯底2上加工出濾 光片支架安裝槽201和冷屏安裝槽202;槽的寬度為0. 25mm，安裝槽201槽的 長度為2. 05mm,冷屏安裝槽202的長度為1. 55mm;(4) 將大面陣紅外探測器芯片1膠接在基板襯底2對(duì)應(yīng)的位置上，并通過 硅鋁絲8和超聲鍵合工藝將大面陣紅外探測器芯片1的讀出電路模塊102的引 出端103與引線電路4上的焊盤401連接起來。然后將帶大面陣紅外探測器芯 片1的基板襯底2膠接在微型杜瓦的冷平臺(tái)3上；(5) 濾光片支架5選用與紅外濾光片常用材質(zhì)膨脹系數(shù)比較接近的柯伐。濾光片支架5的原始基料為厚度為0. 2mm的板片，先通過如下條件900°C、保 持2小時(shí)、真空度優(yōu)于5X10—3Pa的真空處理，使其由硬態(tài)變?yōu)檐洃B(tài)，增加其的 可塑性。然后通過沖剪工藝形成所需要圖形(如圖2所示)，其包括通光口 501 和安裝插腳卡口 502(卡口尺寸具體尺寸如下S jtJ S 2都選用0. 2謹(jǐn)，D選用 0. 65咖，L選用2mm)，再通過沖壓沿虛線向同一方向彎曲90°成"門"型，再通 過液氮浸埋5分種工藝來釋放應(yīng)力，最后在將其表面通過電鍍黑鎳工藝形成黑 色；(6) 先機(jī)械加工出柯伐材質(zhì)的共用甲種圓筒701和共用乙種圓筒702，這 兩種類型的圓筒為薄壁件，厚度為0.2mm。共用甲種圓筒701和共用乙種圓筒 702上都預(yù)留滿足光學(xué)要求的通光孔703。共用乙種圓筒702上預(yù)先加工出安 裝插腳卡口 704((卡口尺寸具體尺寸如下S,和S2都選用0.2mm， D選用 0. 65mm， L選用1. 5mm)。再將對(duì)共用甲種圓筒701和共用乙種圓筒702的進(jìn)行 電鍍黑鎳使其表面為黑色，再將它們安裝在專用夾具上對(duì)它們的外表面進(jìn)行鏡 面拋光，最后再通過激光焊接連接起來。(7) 將紅外濾光片6膠接濾光片支架5相應(yīng)的位置后，插入基板襯底2的 濾光片安裝槽201后，再平推0. 2mm固定好。最后在濾光片支架5的安裝插腳 卡口 502與基板襯底2的濾光片支架安裝槽201之間的間隙內(nèi)填滿DW-3低溫 膠，來防止受力松動(dòng)；(8) 將冷屏7插入基板襯底2的冷屏安裝槽202后，再旋轉(zhuǎn)平推0. 2mm固 定好。最后在冷屏7的安裝插腳卡口 704與基板襯底2的冷屏安裝槽202之間 的間隙內(nèi)填滿DW-3低溫膠，來防止受力松動(dòng)；以上完成了本發(fā)明的大面陣紅外探測器在微型杜瓦的冷平臺(tái)上的組裝結(jié)構(gòu)及其組裝。
權(quán)利要求
1.一種大面陣紅外焦平面探測器在冷平臺(tái)上的組裝結(jié)構(gòu)，包括大面陣紅外探測器芯片(1)、基板襯底(2)、微型杜瓦的冷平臺(tái)(3)、引線電路(4)、濾光片支架(5)、濾光片(6)、冷屏(7)和硅鋁絲(8)，其特征在于A.大面陣紅外探測器芯片(1)通過低溫膠與基板襯底(2)膠合在一起，基板襯底(2)通過低溫膠與微型杜瓦的冷平臺(tái)(3)膠合在一起；B.濾光片支架(5)與基板襯底(2)之間通過濾光片支架安裝槽(201)與安裝插腳卡口(502)進(jìn)行聯(lián)結(jié)固定；C.冷屏(7)與基板襯底(2)之間通過冷屏安裝槽(202)與共用乙種圓筒的插腳卡(704)進(jìn)行聯(lián)結(jié)固定；D.引線電路(4)制作在基板襯底(2)上，設(shè)置有與讀出電路模塊(102)引出端(103)對(duì)應(yīng)的焊盤，大面陣紅外探測器芯片(1)的讀出電路模塊(102)的電路引出端(103)通過硅鋁絲(8)與這些焊盤相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面陣紅外焦平面探測器在冷平臺(tái)上的組 裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的基板襯底(2)的材料是藍(lán)寶石或高拋光氮化鋁， 其上的濾光片支架安裝槽(201)和冷屏安裝槽(202)由激光加工而成，槽的 寬度分別比濾光片支架(5 )對(duì)應(yīng)尺寸和冷屏(7 )對(duì)應(yīng)尺寸大0. 02腿-0. 05腿， 槽的長度分別比濾光片支架(5)對(duì)應(yīng)尺寸和冷屏(7)對(duì)應(yīng)尺寸為大O.lmm _0. 3腿。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面陣紅外焦平面探測器在冷平臺(tái)上的組 裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的濾光片支架(5)采用厚度為0. 2mm-0. 5mm柯伐 材質(zhì)的板片，安裝插腳卡口(502)尺寸具體尺寸如下卜和S2為0. lmm-O. 3mm， D選用比基板襯底(2)厚度大0. 02mm-0. 05mm， L為1. 5 mm-2ram。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面陣紅外焦平面探測器在冷平臺(tái)上的組 裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的濾光片(6)用低溫膠膠接在濾光片支架(5)上的通光口(501)位置上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面陣紅外焦平面探測器在冷平臺(tái)上的組 裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的冷屏(7)由多個(gè)共用甲種圓筒(701)和一個(gè)共 用乙種圓筒(702)按一定次序組成，共用乙種圓筒(702)放置在冷屏的下部 分，在共用乙種圓筒(702)之上根據(jù)需要放置不同數(shù)量的共用甲種圓筒(701); 共用甲種圓筒(701)和共用乙種圓筒(702)均是柯伐材質(zhì)的薄壁件，上面都 預(yù)留滿足光學(xué)要求的通光孔(703)，壁厚為0. 15ram-0. 3mm，所有的共用甲種圓 筒(701)和共用乙種圓筒(702)的內(nèi)表面處理成黑色，外表面鏡面拋光處理； 共用甲種圓筒(701)和共用乙種圓筒(702)之間通過激光焊接連接在一起； 共用乙種圓筒(702)上加工有安裝插腳卡口 (704)，具體尺寸為S^nS2為 0. 1,-0. 3mm， D選用比基板襯底(2)厚度大0. 02腿-0. 05腿，L弧長為1.5 mm—2mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大面陣紅外焦平面探測器在冷平臺(tái)上的組裝結(jié)構(gòu)及其組裝方法，它適用于對(duì)大面陣紅外焦平面探測器芯片的杜瓦封裝。大面陣紅外焦平面探測器在微型杜瓦的冷平臺(tái)上的組裝結(jié)構(gòu)包括大面陣紅外探測器芯片、基板襯底、微型杜瓦的冷平臺(tái)、引線電路、濾光片支架、濾光片、由兩類共用圓筒組成的冷屏、硅鋁絲。本發(fā)明通過在基板襯底、濾光片支架和冷屏制備和連接上引入特定的處理方法，來實(shí)現(xiàn)了大面陣紅外焦平面探測器在微型杜瓦的冷平臺(tái)上的組裝結(jié)構(gòu)，本發(fā)明降低了微型杜瓦的冷平臺(tái)的熱容量，縮短了降溫時(shí)間，同時(shí)也有效的抑制了雜散光和降低了微型杜瓦組件的寄生熱負(fù)載。
文檔編號(hào)H01L25/00GK101226926SQ20081003343
公開日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月1日
發(fā)明者君 俞, 吳家榮, 張亞妮, 曾智江, 朱三根, 洪斯敏, 王小坤, 郝振貽, 龔海梅 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所