一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构制造技术

本发明专利技术公开了一种封装在杜瓦内的高精度装配的多透镜深低温红外探测器管壳结构。它适用于红外焦平面探测器杜瓦内带多个冷光学元件的深低温管壳封装技术。多透镜深低温红外探测器管壳结构包括探测器芯片、电极引线电路基板、多个透镜、滤光片、支撑管壳、压环式冷屏、芯片及引线硅铝丝等。本发明专利技术通过激光定位钻孔、嵌套压环式冷屏、特种合金的整体支撑管壳和侧面微调对位等特殊手段和结构形式实现深低温下带多透镜的管壳高精度封装，本发明专利技术能够有效确保低温红外光学的精度要求、降低芯片视场内的背景、杂散光和整个杜瓦的热辐射、有效消除陶瓷烧结管壳对探测器芯片的低温形变应力；本发明专利技术同样适用其它辐冷、热电制冷等红外探测器管壳封装结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种红外探测杜瓦内的管壳封装技术，具体是指一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构。属红外探测器封装

技术介绍
红外探测器通过封装后形成红外组件，其目的为确保红外探测器能够正常工作。 红外探测器组件在航天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，碲镉汞红外探测器必须在低温下才能工作。由于机械制冷具有结构紧凑、体积小、重量轻、制冷量大、制冷时间短、制冷温度可控范围大等优点，目前该类探测器在空间应用中大多采用机械制冷方式。为确保碲镉汞红外焦平面探测器芯片低温工作要求，大多采用金属杜瓦封装形式，形成红外探测器杜瓦组件。由于需要探测大气温度和湿度的垂直分布轮廓线和云参数，因此对于某些甚长波干涉式探测仪要求后光学透镜则必须工作在深低温环境下。同时由于目前甚长波红外探测器的探测率还不能完全到达干涉仪高灵敏探测的需求，因而为了得到更大的干涉信号能量，往往需采用F#数很小的光学系统。而为了消除由F#数太小所造成的光学系统变得庞大和复杂的不利后果，需要把后继光学的透镜组安放在尽量靠近红外探测器芯片的位置， 这样使得杜瓦内除了红外探测器外，还需要封装带透镜的管壳组件。红外探测器管壳组件内封装有多个透镜，并且整个管壳组件还工作在深低温环境下，这在国内外报道的很少。目前只有美国GEOS Advanced Baseline Sounder (ABS)干涉仪采用了封装深低温透镜的结构方式，但是ABS究竟采用何种方式固定透镜和确保透镜间的间距则没有提及。干涉式甚长波探测仪对后继光学靠近红外探测器的两个透镜进行深低温制冷，其目的主要是为了减小背景辐射，从而提高红外探测器的有效探测率。实际上一般的红外相机后继光学的透镜离红外探测器相距较大，这样后继光学透镜与探测器杜瓦可以分开封装。但干涉式甚长波探测仪后继光学的深低温制冷透镜与探测器杜瓦分开封装则存在几个问题1)若要满足上述方式，则各光敏元成像光学的夹角不能太大。若成像光学夹角过大， 则主光学系统会变得非常大，这样整个探测仪会变得很庞大和繁重，而且大口径的光学透镜加工也会变得非常困难；2)由于后继光学透镜也需要制冷，若分开封装则制冷机还需要分出冷链对其制冷或是另外再配置一台制冷机对其制冷，这样会使得整个红外系统变得更加复杂，从而使系统可靠性降低，非常不利于整机系统的环境力学考核。
技术实现思路
本专利的目的是提供一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构，以解决干涉式深低温红外探测器探测仪过于庞大和后继光学结构过于复杂的问题，同时实现红外探测器杜瓦的高集成化封装。本专利技术的一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构如附图I所示， 它包括管壳底座I、宝石片芯片模块2、定位聚酰亚胺3、透镜支撑管壳4、下透镜5、下透镜压环式冷屏6、上透镜7、上透镜压环式冷屏8、管帽9。上层宝石电极板202、下层宝石电极板201先进行激光定位钻孔，然后下层宝石电极板201先与上层宝石电极板202对中胶接好，红外探测器芯片203胶接在下层宝石电极板201上形成宝石片芯片模块。管壳底座I 与透镜支撑管壳4通过螺钉401连接把芯片模块固定，同时在管壳底座I与透镜支撑管壳 4两者之间加垫定位聚酰亚胺3。下透镜5放置在透镜支撑管壳4的下层台阶404后，上面压有下透镜压环式冷屏6。上透镜7则放置在支撑管壳4的上层台阶405后，上面压有上透镜压环式冷屏8。管帽的带通滤光片902胶接固定在管帽9上，最后把管帽9与透镜支撑管壳4定位固定。管壳底座I、透镜支撑管壳4、管帽9均采用特种合金CE7，下透镜压环式冷屏6、上透镜压环式冷屏8则均采用可伐合金材料。管壳底座I、透镜支撑管壳4、管帽9需要抛光镀金，下透镜压环式冷屏6、上透镜压环式冷屏8则需电镀黑镍(发黑处理)。电极板201、 202需要光刻成形之后进行高精度激光定位钻孔，同时红外探测器芯片与宝石片胶接后还需要进行引线键合操作，工艺过程如附图2、附图3所示。本专利技术的实现方法如下I)零件加工完成后，通过Z轴测量显微镜和三坐标测量仪测量透镜支撑管壳从底面(基准面)到台阶404即下透镜5安装面的高度D1，然后再测量底面(基准面)到台阶 405即上透镜7安装面的高度D2。2)在高精度影像仪下，完成宝石电极板201和202对中胶接，然后再与红外探测器芯片203对中胶接。胶干后把宝石电极板与芯片203金丝球焊互联，形成宝石片芯片模块 2。同时测量芯片光敏元面到芯片宝石电极板的高度D3。3)根据高度D1、D2和D3值，计算出台阶404到芯片光敏面高度H1，台阶405到芯片光敏面高度H2。考虑到设计时Hl，H2的值比理论要求值小O. Olmm到O. 02mm,因此根据实际计算值，确定在台阶404、台阶405和透镜支撑管壳4底部三个位置分别加垫O. 005mm 或O. Olmm的聚酰亚胺圆垫片的类型和数量，这样能够确保H1、H2的实际值比理论值偏差小于 O. Olmnin4)通过特殊的对中夹具把管壳底座102与夹具固定，在高精度影像仪下，同时把透镜支撑管壳4与宝石片芯片模块2对中装配；然后通过透镜支撑管壳的螺纹孔401，采用四个M2螺钉把管壳底座102、宝石片芯片模块2、芯片处聚酰亚胺垫片301和透镜支撑管壳 4固定好。5)根据计算的H1，把下台阶聚酰亚胺垫片302和下透镜5固定在台阶404上，同时把下压环式冷屏6垂直压入透镜支撑管壳4内。通过四个Ml. 6的螺钉，从透镜支撑管壳侧面螺孔406对中调节下透镜5中心轴，并固定不动，使其与芯片模块中心重合，然后通过 Ml. 4的螺钉把下透镜压环式冷屏6嵌套在透镜5上，松开侧面螺孔406处的四个Ml. 6螺钉，最后Ml. 4螺钉头点胶固定，这样把下压环式冷屏斜边面601固定下透镜5上，确保透镜中心限位固定。6)根据计算的H2，把上台阶聚酰亚胺垫片303和上透镜7固定在台阶405上，同时把上压环式冷屏8垂直压入透镜支撑管壳4内，通过上压环式冷屏斜边面801固定上透镜7。通过四个Ml. 6的螺钉从透镜支撑管壳侧面螺孔407调节上透镜7中心轴，并固定不动，使其与芯片模块中心重合。7)通过低温胶把带通滤光片902胶接在管帽9内，等胶接固化后，把管帽螺纹部分901旋在透镜支撑管壳4上。考虑上压环式冷屏8高度比管帽窗口 902下底面到台阶 405的高度要高出O. 1mm，因此当管帽的限位底边904接触到支撑透镜管壳时，支撑管帽窗口 902的台阶下底面903压迫上压环式冷屏8，从而固定上透镜7。当上透镜7固定后，把 4个对中用Ml. 6螺钉从侧面螺孔407处松开，最后对接触面904进行点胶固定。这样确保透镜中心限位固定。8)形成管壳组件后，管壳组件通过螺纹孔103和四个M2的钛合金螺钉把管壳固定在杜瓦冷平台101上，盖上焊接有窗口 1002的窗口帽10，并激光焊接，完成整个杜瓦封装， 形成带管壳的杜瓦组件。以上为本专利技术的一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构的装配和实现过程。本专利技术具有以下优点I)结构形式比较复杂，但是装配简单可行。2)整个管壳结构采用全新的CE7特种合金，该合金具有低温下高热导率(为可伐材料的7倍)，轻量化(密度为可伐材料的1/3)，线膨胀系数与透镜Ge接近的特点。选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构，它包括：管壳底座(1)、宝石片芯片模块(2)、定位聚酰亚胺(3)、透镜支撑管壳(4)、下透镜(5)、下透镜压环式冷屏(6)、上透镜(7)、上透镜压环式冷屏(8)、管帽(9)和杜瓦窗口帽(10)，其特征是：1)管壳底座(1)与透镜支撑管壳(4)通过螺钉(401)连接，把宝石片芯片模块(2)固定在中间；2)下透镜(5)放置在透镜支撑管壳(4)的下层台阶(404)，上面压有下透镜压环式冷屏(6)；3)上透镜(7)则放置在透镜支撑管壳(4)的上层台阶(405)，上面压有上透镜压环式冷屏(8)；4)管帽的带通滤光片(902)胶接固定在管帽(9)上，然后把管帽(9)与透镜支撑管壳(4)定位固定；5)整个带透镜管壳固定装配好后固定在杜瓦冷平台(101)上，最后激光焊接杜瓦窗口帽(10)，形成包含带透镜组管壳和探测器的杜瓦组件。

【技术特征摘要】
1.一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构，它包括管壳底座(I)、宝石片芯片模块(2)、定位聚酰亚胺(3)、透镜支撑管壳(4)、下透镜(5)、下透镜压环式冷屏(6)、上透镜(7)、上透镜压环式冷屏(8)、管帽(9)和杜瓦窗口帽(10)，其特征是: 1)管壳底座(I)与透镜支撑管壳(4)通过螺钉(401)连接，把宝石片芯片模块(2)固定在中间； 2)下透镜(5)放置在透镜支撑管壳(4)的下层台阶(404)，上面压有下透镜压环式冷屏(6)； 3)上透镜(7)则放置在透镜支撑管壳(4)的上层台阶(405)，上面压有上透镜压环式冷屏⑶； 4)管帽的带通滤光片(902)胶接固定在管帽(9)上，然后把管帽(9)与透镜支撑管壳(4)定位固定； 5)整个带透镜管壳固定装配好后固定在杜瓦冷平台(101)上，最后激光焊接杜瓦窗口帽(10)，形成包含带透镜组管壳和探测器的杜瓦组件。2.根据权利I所述的一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构，其特征是所述的宝石片芯片模块(2)的上层宝石电极板(202)和下层宝石电极板(201)先进行激光高精度定位钻孔，各孔间距误差精度小于O. 03mm，然后下层宝石电极板(201)先与上层宝石电极板(202)对中胶接好，红外探测器芯片(203)胶接在下层宝石电极板(201)上，同时红外探测器芯片与上下层宝石片电极进行金丝球焊互联。3.根据权利I所述的一种封装在杜瓦内的多透镜深低温红外探测器管壳结构，其特征是所述的下透镜压环式冷屏(6)，上透镜压环式冷屏(8)都采用薄壁。4.根据权利I...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾智江，杨力怡，郝振贻，沈一璋，王小坤，莫德锋，龚海梅，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：