超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构及实现方法技术

本发明专利技术公开了一种超长线列探测器与单点冷源的高温度均匀性耦合结构及实现方法，它主要由超长线列红外探测器、隔热垫片、辅助固定基板、中空圆锥支撑柱、“树状”低温柔性冷链、“齿状”咬合结构的三层叠加结构的低温热层和单点冷源组成。“树状”低温柔性冷链和三层叠加结构低温热层相结合的温度均匀化方法将单点冷原的冷量均匀引到超长线列红外探测器上，得到高的温度均匀性，同时消除冷源与超长线列红外探测器连接后在降温过程中的三维冷缩；本发明专利技术采用桥式力学支撑结构具有很好的环境适应性；本发明专利技术结构简单，操作方便，维修性和互换性好，同样适用于其它超大冷平台与单点冷源的热耦合场合。

【技术实现步骤摘要】
超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构及实现方法
本专利技术涉及超长线列红外探测器封装技术，具体指一种超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构及实现方法，它适用于超长线列红外焦平面探测器芯片的杜瓦封装,同样适用于其它超大冷平台与单点冷源的热耦合场合。
技术介绍
高空间分辨率红外遥感仪器是红外YX、搜索、跟踪系统的核心部件。提高空间分辨率的方法一般有两种，一是提高红外探测器的光电性能，提高探测灵敏度，以获取更多信息；二是增加红外敏感元数量，即在相同高度、相同刈幅的遥感仪器，敏感元越多，其空间分辨越高。因而超长线列(≥6000元)红外焦平面组件制备技术在航天、航空红外领域有着重要意义。随着波长向长波扩展和探测灵敏度的提高，超长线列红外焦平面探测器必须在深低温下才能工作。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。这样也使得其应用时大多采用杜瓦封装形成超长线列红外焦平面杜瓦组件。传统的小规模红外探测器杜瓦组件，由于线列或面阵探测器规模比较小，分置式杜瓦的芯柱或集成式杜瓦的内管既是探测器的力学支撑又是探测器的低温平台载体。由于探测器仅为一个模块且尺寸很小，探测器的温度均匀性很容易控制在+0.5K。低温平台和支撑结构一般为悬臂结构，冷平台的尺寸很小，由于冷平台与探测器膨胀系数之间差异产生的应力对探测器的性能影响也较小。比如中国专利200810334312大面阵红外探测器在冷平台上的组装结构及其组装方法，其冷源为分置式杜瓦的冷头。其实施例为封装320×240面阵，探测器最大尺寸约为9.6mm×7.2mm。其探测器胶接在宝石衬底上。宝石衬底胶接在芯柱冷头上，探测器的温度均匀性很容易控制在+0.5K。另外中国专利CN2008100334308长线列红外探测器杜瓦组件的布线结构及其连接方法，其主要阐述的多个子模块外引线的布线结构和合并引出方法。其对2000元探测器各子模块之间的温度均匀性未阐述，其单点冷源同样为探测器的支撑。冷平台的长度约为61mm左右。随着超长线列(≥6000元)红外焦平面组件发展，探测器的尺寸达到≥180mm后，无法将单点冷源简单作为力学支撑，冷平台(≥180mm)上各子模块的温度均匀性对探测器性能的影响问题就显得更加突出，必须要探索一种新方法来解决这一问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种超长线列探测器与单点冷源的高温度均匀性耦合结构及实现方法，解决拼接式超长线列红外探测器芯片的杜瓦封装中超大尺寸的高温度均匀性和力学支撑的问题。本专利技术的一种超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构如附图1所示，它包括超长线列红外探测器1、隔热垫片2、辅助固定基板3、中空圆锥支撑柱4、树状低温柔性冷链5、低温热层6和单点冷源7。超长线列红外探测器1由多个芯片子模块101在拼接基板102上拼接而成，拼接基板102由低膨胀的柯伐或殷钢制成，每个芯片子模块101胶接在拼接基板102相应位置的凸台103上，在拼接基板102四周均匀开有通孔104，在拼接基板102中央区域开有一定数量的螺孔105。隔热垫片2选用TC4或氧化锆材料，其为一圆柱薄片，厚度比低温热层6厚度厚0.1-0.2mm。辅助固定基板3如图2所示，为长方型板状结构，选用热导率低且比重小的TC4材料，中间区域有矩形分布的预留螺孔301，矩形分布的预留螺孔301内有矩形孔302结构及隔热安装结构304，两端有支撑安装孔303。中间位置矩形孔302尺寸比低温热层6长宽尺寸小1-2mm。矩形孔302外为隔热安装结构304，隔热安装结构304的固定框尺寸比低温热层6长宽尺寸小0.2mm-0.4mm，固定框的宽度选用1mm-1.5mm，间隙槽宽度为0.5mm-1.5mm。连接筋结构的宽度为1-2mm。中空圆锥支撑柱4选用TC4材料，形状为中空圆锥体，圆锥体壁厚为0.2-0.4mm，圆锥体较小端有安装螺孔401结构。树状低温柔性冷链5为单点输入多点输出的“树状”结构，其选用无氧铜或纯铝材料，各个支路为中空多片“S型”冷链501结构，每片厚度为0.15-0.25mm，两片间间隙为0.3-0.5mm。树状低温柔性冷链5一端为冷源安装端502，另外一端为有多个支路的按一定间隔分布的固定块503，每个固定块503上有固定块孔504。树状低温柔性冷链5在宽度方向中间有去应力槽505结构，去应力槽505贯穿“S型”冷链501和固定块503。低温热层6高度方向上为三层叠加结构，中间层选用高热导率的金属银或金属铜或蓝宝石层，上层及下层选用0.1-0.3mm厚度质地较软的金属铟，上层在长度宽度方向的尺寸与低温热层6的中间层尺寸一样，下层在长度宽度方向的尺寸与树状柔型冷链5的各个固定块503尺寸一样。低温热层6三层叠加结构厚度比隔热垫片2的厚度厚0.1-0.2mm。如图4所示，长度方向采用两端“L”字型中间“Z”字型的多片排列“齿状咬合”结构。低温热层6上相应位置设置有安装孔601。超长线列红外探测器1与单点冷源7的热耦合结构如图1所示，辅助固定基板3的隔热安装结构304上为低温热层6。在辅助固定基板3上，低温热层6的周围放置有矩形分布的隔热垫片2。低温热层6及隔热垫片2上为超长线列红外探测器1，超长线列红外探测器1上矩形分布的光孔104与各隔热垫片2的垫片圆孔201及辅助固定基板3上的矩形分布的预留螺孔301对齐安装。低温热层6下方为树状低温柔性冷链5，树状低温柔性冷链5的各固定块503穿过辅助固定基板3的各矩形孔302与低温热层6固定。在辅助固定基板3两侧的支撑安装孔303位置安装有中空圆锥支撑柱4。树状低温柔性冷链5的冷源安装端502下方与单点冷源7固定。本专利技术的实现步骤如下：(1)将超长线列红外探测器1倒置，18个不锈钢材质的螺钉贯穿低温热层6上的预留安装孔601将低温热层6固定在超长线列红外探测器1的拼接基板102的预留安装螺孔105上；(2)将超长线列红外探测器1的子模块101向上放置。TC4材质的螺钉贯穿超长线列红外探测器1四周均匀性开的通孔104和隔热垫片2，将超长线列红外探测器1固定在辅助固定基板3的预留螺孔301上。同时通过辅助固定基板3的隔热安装结构304实现对低温热层6的周向固定。隔热安装结构304能增加低温热层6与辅助固定基板3间的传热热阻，降低传导漏热，再对辅助固定基板3表面进行抛光及镀金处理来降低其辐射漏热；(3)将带有超长线列红外探测器1的辅助固定基板3倒置，将步骤1安装的18个不锈钢材质的螺钉依次拆下，让树状低温柔性冷链5的六个冷量传输分路的固定块503贯穿辅助固定基板3上矩形孔302，再用不锈钢螺钉实现“树状”低温柔性冷链5的六个固定块503的固定块孔504、低温热层6上的安装孔601和有超长线列红外探测器1的拼接基板2上的螺孔105连接，这样实现树状低温柔性冷链5与超长线列红外探测器1的低温热耦合；(4)使用钛合金螺钉贯穿辅助固定基板3两端的预留孔301，实现辅助固定基板3两端与中空圆锥支撑柱4的预留螺孔401的安装固定；(5)将中空圆锥支撑柱4通过不锈钢螺钉与单点冷源7所属安装平台固定，这样实现超长线列红外探测器1的桥式力学支撑，最后通过不锈钢螺钉将树状低温柔性本文档来自技高网...

【技术保护点】
超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构，它包括超长线列红外探测器(1)、隔热垫片(2)、辅助固定基板(3)、中空圆锥支撑柱(4)、树状低温柔性冷链(5)、低温热层(6)和单点冷源(7)；其特征在于：所述的超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构为：辅助固定基板(3)的隔热安装结构(304)上为低温热层(6)，在辅助固定基板(3)上，低温热层(6)的周围有隔热垫片(2)；低温热层(6)及隔热垫片(2)上为超长线列探测器(1)；低温热层(6)下方为“树状”低温柔性冷链(5)，“树状”低温柔性冷链(5)的各固定块(503)穿过辅助固定基板(3)的各矩形孔(302)与低温热层(6)固定；在辅助固定基板(3)两侧安装有圆锥支撑柱(4)；“树状”低温柔性冷链(5)下方与单点冷源(7)固定。

【技术特征摘要】
2015.01.21 CN 20152004138181.超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构，它包括超长线列红外探测器(1)、隔热垫片(2)、辅助固定基板(3)、中空圆锥支撑柱(4)、树状低温柔性冷链(5)、低温热层(6)和单点冷源(7)；其特征在于：所述的超长线列探测器与单点冷源的热耦合结构为：辅助固定基板(3)的隔热安装结构(304)上为低温热层(6)，在辅助固定基板(3)上，低温热层(6)的周围有隔热垫片(2)；低温热层(6)及隔热垫片(2)上为超长线列红外探测器(1)；低温热层(6)下方为树状低温柔性冷链(5)，所述的树状低温柔性冷链(5)为单点输入多点输出的“树状”结构，其选用无氧铜或纯铝材料，各个支路为中空多片“S型”冷链(501)结构，每片厚度为0.15-0.25mm，两片间间隙为0.3-0.5mm，树状低温柔性冷链(5)一端为冷源安装端(502)，另外一端为有多个支路的按一定间隔分布的固定块(503)，每个固定块(503)上有固定块孔(504)，树状低温柔性冷链(5)在宽度方向中间有去应力槽(505)结构，去应力槽(505)贯穿“S型”冷链(501)和固定块(503)；树状低温柔性冷链(5)的各固定块(503)穿过辅助固定基板(3)的各矩形孔(302)与低温热层(6)固定；在辅助固定基板(3)两侧安装有中空圆锥支撑柱(4)；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小坤，孙闻，李俊，张磊，沈一璋，曾智江，郝振贻，李雪，
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：上海;31