專利名稱：一種低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外探測(cè)器微型杜瓦的封裝技術(shù)，具體指一種紅外探測(cè)器微型 杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)及方法。
技術(shù)背景紅外探測(cè)器在航天、航空紅外領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著波長(zhǎng)向長(zhǎng)波擴(kuò)展 和探測(cè)靈敏度的提高，紅外探測(cè)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(cè)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，形成紅外探測(cè)器杜瓦組件。它的技術(shù)指標(biāo)中有低的 熱負(fù)載和長(zhǎng)的真空壽命。從國(guó)內(nèi)外的介紹看，紅外探測(cè)器微型杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間的 引線方法，主要有如下幾種-(1)采用柔性聚酰亞胺薄膜引線帶，與探測(cè)器基板設(shè)有安裝固定機(jī)構(gòu)，與外殼采用接插件和O型密封圈將信號(hào)線引出(參見(jiàn)文獻(xiàn)James H. Rutter， Jr G. Scott Libonate， Gence Robillard et al， "Performance of the PV/PC HgCdTe Focal Plane/Dewar Assembly for the Atmospheric Sounder Instrument (AIRS)"， SPIE VOL. 3457(1998)，)它可以將大量的引線引出，但也存在如 下問(wèn)題a)O型橡膠圈真空密封存在真空滲透和放氣較大的不足，這對(duì)杜瓦組 件長(zhǎng)的真空壽命不利；b)聚酰亞胺的放氣率較金屬材料高兩個(gè)數(shù)量(文獻(xiàn)中 沒(méi)有提到對(duì)聚酰亞胺低放氣率處理)，大面積的薄膜引線帶放置在杜瓦內(nèi)，同樣對(duì)杜瓦組件長(zhǎng)的真空壽命不利；c)薄膜引線帶與探測(cè)器陶瓷基板和外殼互 聯(lián)需要設(shè)置對(duì)接機(jī)構(gòu)，使得杜瓦結(jié)構(gòu)復(fù)雜；d)在外殼上布置了多個(gè)接插件增 加了杜瓦的重量。(2) 冷平臺(tái)支撐柱的材料采用玻璃或塑料材料，在玻璃內(nèi)預(yù)埋可伐絲(參 見(jiàn)專利US4565925 Detector dewar with all-Kovar leads, and method of making the same)或通過(guò)塑料表面部分金屬化產(chǎn)生引線(參見(jiàn)專利EP0154947 Dewar Apparatus、 US4918312 Dewar Cold finger),其存在如下問(wèn)題a)玻 璃或塑料放氣率較金屬材料高，這對(duì)杜瓦組件的真空壽命不利；b)無(wú)論是預(yù) 埋可伐材質(zhì)的金屬絲還是部分金屬化形成引線，其在與冷平臺(tái)和外殼之間連接 時(shí)都需要設(shè)置對(duì)接機(jī)構(gòu)；c)這種引線方式需要較高的封裝技術(shù)和成本。(3) 在杜瓦內(nèi)增加一層電絕緣材料的中間件，在中間件上布置一些金屬 絲，與探測(cè)器基板和外殼連接處都需要安裝固定機(jī)構(gòu)和其它引線焊接方法過(guò)渡(參見(jiàn)專利US4645931 Detector Dewar Assembly),其存在如下問(wèn)題a)使 得杜瓦結(jié)構(gòu)復(fù)雜化；b)將探測(cè)器芯片的信號(hào)線引出杜瓦，需要多次焊接連接， 降低了可靠性。(4) 傳統(tǒng)的方法是通過(guò)電烙鐵焊接金屬引線，將冷平臺(tái)上的探測(cè)器芯片信 號(hào)線直接穿過(guò)室溫外殼引到杜瓦，在引線與外殼接觸處采用膠接密封，該結(jié)構(gòu) 的工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但要得到高的漏率和長(zhǎng)的真空壽命較難。(5) 半導(dǎo)體體工藝中常用的引線工藝有超聲鍵合和金絲球焊方法。但它們對(duì)金屬引線材質(zhì)種類都有限制， 一般多采用硅鋁絲和金絲，并且它們對(duì)兩焊點(diǎn)之間的相對(duì)位置有一定限制的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種紅外探測(cè)器微型杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)及方法，來(lái)解決低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間高通用、高氣密電 連接問(wèn)題，同時(shí)又有利紅外探測(cè)器杜瓦組件寄生熱負(fù)載的降低和長(zhǎng)真空壽命的 獲得。本發(fā)明的紅外探測(cè)器微型杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu) 如附圖1所示，它主要包括紅外探測(cè)器的安裝襯底1、引線電路2、冷平臺(tái)3、引線環(huán)4、杜瓦外殼5、低熱導(dǎo)率的金屬引線6。紅外探測(cè)器的安裝襯底1采用 藍(lán)寶石或高拋光氮化鋁或99氧化鋁，通過(guò)磁控或離子濺射或蒸發(fā)Cr/Au或 Cr/Ni/Au工藝在安裝襯底1表面形成金屬層，再將設(shè)計(jì)好的電極圖案通過(guò)光刻 和腐蝕的方法形成引線電路2;通過(guò)半球形銦頭生成方法在引線電路2的外側(cè) 引線端201上形成半球形銦頭202后，將帶引線電路2的安裝襯底1通過(guò)膠接 固定在冷平臺(tái)3上；引線環(huán)4由可伐合金材質(zhì)的金屬環(huán)401、絕緣材料玻璃珠 或陶瓷402 、可伐合金材質(zhì)電極針腳或厚膜工藝形成的引線電路內(nèi)側(cè)引線端403 高氣密燒結(jié)而成，通過(guò)半球形銦頭生成方法在引線環(huán)4的電極針腳(圖1中(a) 所示)或厚膜工藝形成的引線電路(圖1中(b)所示)內(nèi)側(cè)引線端403上形成 半球形銦頭404后，將引線環(huán)4通過(guò)激光焊接或氬弧焊接固定在室溫外殼5上； 最后通過(guò)銦埋引線方法和金屬引線6將安裝襯底1上的引線電路2與引線環(huán)4 連接起來(lái)，金屬引線6采用不同直徑不同材質(zhì)的低熱導(dǎo)率的金屬引線(如鉑、 錳銅、康銅、金、鎳等等)。本發(fā)明的引線環(huán)4可以由兩種氣密燒結(jié)獲得，下面分別闡述其結(jié)構(gòu) 1)玻璃與可伐合金燒結(jié)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1 (a)):在可伐合金材質(zhì)的金屬環(huán)401 根據(jù)需要預(yù)留若干個(gè)孔，在孔中插入可伐材質(zhì)的電極針腳403，在金屬環(huán)401 與電極針腳403之間填上玻璃珠402實(shí)現(xiàn)電學(xué)絕緣，再通過(guò)高氣密燒結(jié)工藝獲 得引線環(huán)4。2)陶瓷與可伐合金燒結(jié)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖l (b)):兩層陶瓷402的下面一層的 上表面上，通過(guò)厚膜工藝和金屬漿料形成所需要的引線環(huán)4上的引線電路403， 在引線電路403上再放置一層陶瓷402,來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)可伐合金材質(zhì)的金屬環(huán)401 之間和引線環(huán)4上的引線電路403與金屬環(huán)401之間的電學(xué)絕緣，再通過(guò)高氣 密燒結(jié)工藝獲得引線環(huán)4。本發(fā)明對(duì)安裝襯底1上引線電路2和引線環(huán)4上可伐合金材質(zhì)的電極針腳 或厚膜工藝形成的引線電路內(nèi)側(cè)引線端403的設(shè)計(jì)有如下原則1)引線電路2 的外側(cè)引線端201和可伐電極針腳或厚膜工藝形成的引線電路內(nèi)側(cè)引線端403 的端面面積S要大于0. 25mm2; 2)引線電路2的所有外側(cè)引線端子201要與引 線環(huán)4的電極針腳或厚膜工藝形成的引線電路的內(nèi)側(cè)引線端403 —一對(duì)應(yīng)；本發(fā)明的半球形銦頭生成方法如下1) 通過(guò)斷電的熱的電烙鐵和松香在引線電路2的外側(cè)引線端201上處理 上高度I約為0. 5mm-lmm半球形銦頭202，然后將半球形銦頭202用酒精和去 離子水依次清洗并烘干；2) 在引線環(huán)4高氣密燒結(jié)而成后，在電極針腳或厚膜工藝形成的引線電 路的內(nèi)側(cè)引線端403上，按步驟1形成高度I約為0. 5mm-lmm半球形銦頭404;本發(fā)明的銦埋引線方法如下1) 在顯微鏡下用手術(shù)刀先將半球形銦頭202的中心切開(kāi)一小槽，槽深不 小于0.3mm,將低熱導(dǎo)率金屬引線6的低溫端601插入槽中后，用小0.5的針 將其埋入半球形銦頭202中。操作中手不得接觸金屬引線6，用鑷子夾持；2) 按步驟1將金屬引線6的室溫端602埋入半球形銦頭404。 本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)-1)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，無(wú)需專門(mén)設(shè)備；2) 本發(fā)明采用了高氣密燒結(jié)得到的引線環(huán)，并將其通過(guò)激光焊接或氬弧 焊接連接到室溫外殼上，漏率優(yōu)于1X10—upa,l/s，克服了O型密封圈真空滲漏 和放氣較大的不足；3) 本發(fā)明對(duì)金屬引線的材料種類沒(méi)有要求，可根據(jù)需要選用不同直徑不 同材質(zhì)的金屬引線，具有很高的通用性；4) 本發(fā)明對(duì)焊點(diǎn)之間的相對(duì)位置沒(méi)有特殊要求，克服了半導(dǎo)體引線超聲 鍵合、金絲球焊工藝要求引線材質(zhì)單一和焊點(diǎn)之間相對(duì)位置范圍特定的不足；5) 本發(fā)明的引線兩端連接點(diǎn)可承受的拉力是傳統(tǒng)超聲鍵合或金絲球焊的 6-7倍，同時(shí)連接點(diǎn)采用軟金屬過(guò)渡連接，可承受高速率變化的高低溫沖擊， 具有較高的可靠性。


圖l( (a)、 (b))—種低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中l(wèi)一安裝襯底；2— 引線電路；201— 引線電路外側(cè)的引出端；202— 弓I線電路外側(cè)的引出端上的半球形銦頭；3— 低溫冷平臺(tái)； 4一引線環(huán)；401— 可伐金屬環(huán)；402— 絕緣玻璃或陶瓷；403— 引線環(huán)上的電極針腳或厚膜工藝形成的引線電路的內(nèi)測(cè)引 出端；404— 引線環(huán)上的電極針腳或厚膜工藝形成的引線電路內(nèi)測(cè)引出端上的半球形銦頭；5— 室溫外殼；6— 低熱導(dǎo)率的金屬引線；601— 低熱導(dǎo)率的金屬引線的低溫端；602— 低熱導(dǎo)率的金屬引線的室溫端。 圖2圖1 (a)中I處的局部放大示意圖。 圖3圖1 (b)中I處的局部放大示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施例1是2000X 1元長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器微型杜瓦組件，如附圖1 (a)所示，它的主要實(shí)施方法如下1) 安裝襯底1選用0. 4mm的藍(lán)寶石，先對(duì)其進(jìn)行清潔處理后通過(guò)離子濺 射Cr/Au形成金屬層，再將設(shè)計(jì)好的電路圖案通過(guò)光刻和腐蝕方法，在寶石 片上形成引線電路2。在引線電路2上有與引線環(huán)4的電極針腳403 —一對(duì)應(yīng) 的外側(cè)引出端201，其尺寸為0.5 mmXlmm;2) 通過(guò)斷電的熱的電烙鐵和松香在引線電路2的外側(cè)引線端201上處理 上高度約為0. 6mm半球形銦頭202，然后將半球形銦頭202用酒精和去離子水 依次清洗并烘干；3) 將帶有引線電路2的安裝襯底1膠接到冷平臺(tái)3;4) 引線環(huán)4由可伐金屬環(huán)401、絕緣材料的玻璃珠402和可伐材質(zhì)的電 極針腳403高氣密燒結(jié)而成，可伐材質(zhì)的電極針腳403的直徑為0. 8mm,再通 過(guò)高靈敏檢漏篩選，要求其漏率優(yōu)于1 X 10—"Pa. 1/s。再將電極針腳403按步 驟2的處理方法形成高度約為0. 6mm半球形銦頭404;5) 將引線環(huán)4通過(guò)高氣密激光焊接固定到杜瓦外殼5上；6) 在顯微鏡下先用手術(shù)刀將半球形銦頭202的中心切開(kāi)一小槽，槽深 0.5mm，再將直徑為20u鉑材質(zhì)的金屬引線6的低溫端601插入槽中后，用d> 0. 5的針將低溫端601埋入半球形銦頭202中。操作中手不得接觸金屬引線6， 須用鑷子夾持；7) 按步驟6將金屬引線6的室溫端602埋入半球形銦頭404。 以上就完成了 2000元長(zhǎng)線列紅外焦平面探測(cè)器微型杜瓦組件內(nèi)的低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間的引線連接，從而使探測(cè)器的信號(hào)和功能線引到了杜瓦 外。實(shí)施例2是320X240面陣紅外焦平面探測(cè)器微型杜瓦組件，如附圖1 (b) 所示，它的主要實(shí)施方法如下-1) 安裝襯底1選用0. 5mm的氮化鋁陶瓷，先對(duì)其進(jìn)行清潔處理后通過(guò)離 子濺射Cr/Au形成金屬層，再將設(shè)計(jì)好的電路圖案通過(guò)光刻和腐蝕在寶石片 上形成引線電路2。在引線電路2上有與引線環(huán)4上厚膜工藝形成引線電路的 內(nèi)側(cè)引線端403 —一對(duì)應(yīng)的外側(cè)引出端201，其尺寸為0.5 mmX0.5mm;2) 將320X240面陣紅外焦平面探測(cè)器固定在帶引線電路2的安裝襯底1上；3) 通過(guò)斷電的熱的電烙鐵和松香在引線電路2的外側(cè)引線端201上處理 上高度約為0. 6mm半球形銦頭202，(注意操作中電烙鐵的停留時(shí)間不得超 過(guò)30秒)，然后在專用夾具上對(duì)半球形銦頭202用酒精和去離子水依次清洗， 酒精和去離子水不得碰到紅外探測(cè)器，最后低于50QC真空烘干；4) 將帶有引線電路2和紅外探測(cè)器的安裝襯底1膠接到冷平臺(tái)3;5) 引線環(huán)4由可伐材質(zhì)的金屬環(huán)401、兩層絕緣陶瓷402、厚膜工藝形成的引線電路的內(nèi)側(cè)引線端403燒結(jié)而成，厚膜工藝形成的引線電路的內(nèi)側(cè)引 線端403的尺寸為0.5mmX0.5mm。通過(guò)高靈敏檢漏篩選，要求其漏率優(yōu)于1 X 10—"Pa. 1/s。再將厚膜工藝形成的引線電路的內(nèi)側(cè)引線端403按步驟3的處 理方法形成高度約為0. 6mm半球形銦頭404;6) 將引線環(huán)4通過(guò)高氣密激光焊接固定到杜瓦外殼5上；7) 在多功能顯微鏡下用手術(shù)刀先將半球形銦頭202的中心切開(kāi)一小槽， 槽深0. 5mm，將直徑為30 u錳銅材質(zhì)的金屬引線6的低溫端601插入槽中后， 用小O. 5的針將低溫端601埋入半球形銦頭202中。操作中手不得接觸金屬引 線6，用鑷子夾持；8) 按步驟7將金屬引線6的室溫端602埋入半球形銦頭404。 以上就完成了 320X240面陣紅外焦平面探測(cè)器微型杜瓦組件內(nèi)的低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間的引線連接，從而使探測(cè)器的信號(hào)和功能線引到了杜瓦 外。
權(quán)利要求
1.一種紅外探測(cè)器微型杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，它由紅外探測(cè)器的安裝襯底(1)、引線電路(2)、冷平臺(tái)(3)、引線環(huán)(4)、杜瓦外殼(5)、低熱導(dǎo)率的金屬引線(6)組成，其特征在于A.低溫端的引線結(jié)構(gòu)帶有引線電路(2)的安裝襯底(1)膠接固定在杜瓦的冷平臺(tái)(3)上，引線電路(2)的外側(cè)引線端(201)上有半球形銦頭(202)；B.室溫端的引線結(jié)構(gòu)與杜瓦外殼(5)焊接相連的引線環(huán)(4)中的金屬環(huán)(401)上排列有通過(guò)絕緣材料(402)絕緣的引線端(403)，在引線端(403)上有半球形銦頭(404)；C.低溫端的引線電路(2)通過(guò)連接在半球形銦頭(202)和半球形銦頭(404)之間的金屬引線(6)連接到室溫端的引線環(huán)(4)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外探測(cè)器微型杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的引線電路(2)的外側(cè)引線端(201) 的端面面積大于0. 25mm2 。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外探測(cè)器微型杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的引線環(huán)(4)的引線端(403)的端 面面積大于0. 25mm2 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外探測(cè)器微型杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的半球形銦頭(202)通過(guò)斷電的熱 的電烙鐵和松香在引線電路(2)的外側(cè)引線端(201)上制成，它的高度在 0. 5咖-lmm之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外探測(cè)器微型杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的半球形銦頭(404)通過(guò)斷電的熱 的電烙鐵和松香在引線環(huán)(4)中的的引線端(403)上制成，它的高度在 0. 5mm-lmm之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外探測(cè)器微型杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的金屬引線(6)采用低熱導(dǎo)率的鉑、 錳銅、康銅、金或者鎳材料的金屬引線。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外探測(cè)器微型杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的引線環(huán)(4)中的引線端(403)是 可伐合金材質(zhì)電極針腳，還可以是由厚膜工藝形成的引線電路。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外探測(cè)器微型杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的絕緣材料(402)是玻璃珠或陶瓷。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外探測(cè)器微型杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的引線環(huán)(4)中的金屬環(huán)(401)、 絕緣材料(402)和引線端(403)之間通過(guò)高氣密燒結(jié)工藝連接在一起。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外探測(cè)器微型杜瓦的低溫冷平臺(tái)與室 溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的金屬引線(6)與半球形銦頭(202) 和半球形銦頭(404)之間用銦埋引線方法連接；所說(shuō)的銦埋引線方法包括以下步驟(a) 在顯微鏡下用手術(shù)刀先將半球形銦頭(202)的中心切開(kāi)一小槽，槽 深不小于0.3mm，用鑷子夾持低熱導(dǎo)率金屬引線(6)將金屬引線(6)的低溫 端(601)插入槽中后，用4)0.5mm的針將其埋入半球形銦頭(202)中；(b) 按步驟(a)方法將金屬引線(6)的室溫端(602)埋入半球形銦頭 (404)中。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)及方法，它適用于對(duì)紅外探測(cè)器芯片的杜瓦封裝。本發(fā)明的引線結(jié)構(gòu)包括紅外探測(cè)器的安裝襯底1、引線電路2、冷平臺(tái)3、引線環(huán)4、杜瓦外殼5和低熱導(dǎo)率的金屬引線6。通過(guò)在安裝襯底、引線電路、引線環(huán)、金屬引線制備和連接上引入特定的處理方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)了低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了低溫冷平臺(tái)與室溫外殼之間高通用、高氣密的電學(xué)和真空連接，有利于微型紅外探測(cè)器杜瓦組件的寄生熱負(fù)載降低和長(zhǎng)真空壽命的獲得，同時(shí)引線連接點(diǎn)可承受高速率變化的高低溫沖擊，具有較高的可靠性。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101335250SQ20081003882
公開(kāi)日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月12日
發(fā)明者吳家榮, 張亞妮, 曾智江, 朱三根, 王小坤, 龔海梅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所