多模块面阵红外探测器三维拼接结构制造技术

本专利公开了一种多模块面阵红外探测器三维拼接结构。多模块面阵红外探测器三维拼接结构由小规模探测器模块、分立小模块基板、框架式多模块拼接大基板和多模块面阵红外探测器三维拼接机构组成。先将多个小模块面阵探测器安装分立式小模块基板上，借助多模块面阵红外探测器三维拼接机构实现六自由度调节。然后将框架式多模块拼接大基板与多个分立小模块基板固定，最后再将多模块面阵红外探测器三维拼接机构与带多模块面阵红外探测器和分立式小模块基板的框架式多模块拼接大基板分离，这样就完成了多模块面阵红外探测器的三位拼接。本专利可实现多个模块间六自由度的高精度拼接、重复性好，同时小规模面阵模块可单独替换，可维修性好。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
多模块面阵红外探测器三维拼接结构
本专利涉及多模块红外探测器的拼接技术，具体指一种多模块面阵红外探测器三维拼接结构及实现方法，它适用于大面阵红外焦平面探测器组件封装，同样适用于多模块超长线列红外焦平面探测器组件封装。
技术介绍
红外遥感仪器的两个重要性能指标为视场和分辨率。红外遥感仪器的两个重要性能指标为视场和分辨率。视场扩大可以增加仪器的观测范围，分辨率提高可以改善仪器的成像质量。在红外成像系统中，光学系统的焦距和探测器的规模尺寸决定了系统的视场，光学系统的焦距和像元尺寸大小决定了系统的分辨效率。在探测器靶面一定的情况下，为了提高成像系统的作用距离和分辨率等总体指标，需要采用长焦距光学系统，导致系统视场减小，因此在红外探测器规模和像元尺寸一定的情况下，红外系统视场和分辨率存在相互制约的关系。在研制高分辨大视场光学系统中，为了克服视场和分辨率存在矛盾，解决的途径之一为采用高分辨效率、超大规模面阵红外焦平面探测器。红外探测器受制备工艺、填充系数、灵敏度、成品率、成本等因素的限制，其规模是一定的。为了得到超大规模面阵大像元的面阵探测器件，一般采用多个小规模的面阵探测器(比如320X256、512X512等)通过“无缝”拼接而成。“无缝”拼接并不是指真正意义上的焦平面无缝拼接，而是通过一定的视场拼接方法，对整个视场进行无缝覆盖。典型的方法有品字形拼接，通过两次或多次成像覆盖，采用图像拼接的方法完成视场的无缝拼接。这就需要多个小规模的面阵探测器之间在三维空间上具有较高的精度要求。传统的拼接主要是满足在X、Y平面及旋转方向的精度，其拼接方法为在显微镜或显微投影仪下，用镊子将探测器模块放在涂有粘合剂的基板上，然后手动或通过特定的微调机构将探测器拨动到指定的`位置。具体见中国专利03230349.1长线列红外探测器件拼接装置。传统的方法不能满足对Z轴即高度方向多个探测器焦面的平面度精度的拼接要求。国际上，文章〈〈Performance of the QffIP focal plane arrays for NASA’s LandsatData Continuity Mission)) (Proc.0f SPIE Vol.8012)3 个 640X512 拼接在一起，其三个模块拼接后Z轴方向多个探测器焦面的平面度精度达到±8.54i!m。文章描述的原理是控制探测器衬底、读出电路、硅衬底的精度，同时在读出电路与硅衬底、硅衬底与因瓦基板之间用不同直径的空心微小珠和粘合剂在填充间隙。具体实施方法未见报道。SBIRS-high系统由6个中波红外512X 512拼接而成，其拼接原理为首先选取一个平面度很高的胶接平面，选择不易变形且温度特性良好的胶，将其均匀的涂在平面上；然后采用吸盘将焦平面放置在胶上，等待胶干后放开吸盘，拼接焦平面的平面度依靠吸盘每次放置焦平面的高度保证，其平面度误差依靠胶来调整。其优点在于可以实现非常高精度的平面拼接；其难点在于胶材料的选取、吸盘重复高度的控制、涂胶工艺要求高；缺点在于风险很高，焦平面一旦胶接后焦平面无法替换，其中一个焦平面模块的损坏将导致整个拼接 焦平面报废。
技术实现思路
本专利的目的是提供一种多模块面阵红外探测器三维拼接结构，实现多个小规模的面阵探测器之间在三维空间上具有较高的位置精度，解决了大面阵红外焦平面探测器的三维高精度封装技术要求。本专利一种多模块面阵红外探测器三维拼接结构如附图1所示，它包括小规模探测器模块1、因瓦基板2、三自由度微调连杆3、Z轴向微调机构4、X，Y向微调平台5、平台大底板6、微调螺钉7、微调螺钉8、微调螺钉9、微调螺钉10和安装螺钉11。所述的因瓦基板2为中空框架结构，如图2所示，其材料为合金4J32，由贴装基板201、注胶槽202和基板外框203组成，厚度与长度比为1:10，贴装基板201的贴装区域的大小与小规模探测器模块I的贴装区域大小相匹配，贴装基板201上的待胶结的突台面厚度为0.6mm。所述的三自由度微调连杆3如图3所示，由基板安装法兰301、弹簧结构302、微调法兰303、连杆安装法兰304和微调螺钉10组成。三自由度微调连杆3采用不锈钢材料，弹簧机构302的结构为一个类似弹簧形状镂空的薄壁圆柱体，其薄壁厚控制在0.2±0.03mm,通过微调螺钉10的旋钮使得弹簧机构302产生弹性变形实现Z轴高度方向的微调。所述的Z轴微调机构4如图4所示，其由机构旋转面401、微转结构402、机构外框403和微调螺钉8组成。Z轴微调机构4选用不锈钢材料，通过微调螺钉8的旋钮使得微转结构402中柔性铰链结构产生变形，从而实现机构旋转面401沿其微转结构402中心的Z轴向的微调。所述的X，Y向微调平台5如图5所示，由平台微动面501、微动结构502、平台外框503、微调螺钉7和微调螺钉9组成。X，Y向微调平台5选用不锈钢材料，通过微调螺钉7和微调螺钉9的旋钮使得微转结构502中柔性铰链结构产生变形实现X方向、Y方向的调节。X，Y向微调平台5通过安装螺钉11固定至平台大底板6上，Z轴向微调机构4通过安装螺钉11固定至X，Y向微调平台5相应的平台微动面501上，三自由度微调连杆3的连杆安装法兰304通过安装螺钉11固定至Z轴向微调机构4的机构旋转面401上，贴装基板201通过安装螺钉11固定至三自由度微调连杆3的基板安装法兰301上，小规模探测器模块I通过DW-3胶结于贴装基板201上，通过微调螺钉7、微调螺钉8、微调螺钉9和微调螺钉10的旋钮满足三维空间位置精度后，在贴装基板201上嵌套基板外框203，通过贴装基板201与基板外框203间的注胶槽202的注胶固定，最后获得三维高精度拼接的多个小规模探测器模块I的因瓦基板2。本专利由于采用胶结固定的方式，当拼接有多个小规模探测器模块I的因瓦基板2上的某个小规模探测器模块I损坏或失效后，可进行对损坏或失效的模块的替换工作。进行替换操作时，只需使用恒温加热器局部加热损坏或失效模块周围注胶槽202的低温胶，等胶变软熔化后，取下贴装有损坏失效模块的贴装基板201，再重新拼接一个贴装有完好小规模探测器模块I的贴装基板201，在对其进行微调对中及注胶槽202注胶胶结，待胶固化后即完成现单模块的修复工作。具体步骤如下:I)首先因瓦基板2在研磨过程中进行5次以上液氮低温冷处理以释放材料的低温应力，其次确保因瓦基板2的贴装基板201的贴装面平面度优于0.005_，从而确保小规模探测器模块I与因瓦基板2热适配适应性，提高探测器长期低温和开关机温度冲击工作模式的可靠性。2)将本专利的三维拼接平台按如图6所示组装，其中因瓦基板2只需先组装各贴装基板201。组装完成后将三维拼接平台固定在高精度投影仪上。根据投影仪参数分别调节各微调法兰303上的Z向微调螺钉10使各贴装基板201在+Z向平移0.1 ±0.0lmm,贴装基板201同时需满足在X轴与Y轴方向倾角小于0.1°。再分别调节各X向微调螺钉7与各Y向微调螺钉9使X，Y向微调平台5上各平台微动面501在X，Y方向预先平移0.1 ±0.0lmm,使得各小规模探测器模块I之间的位置关系符合拼接尺寸要求。各Z轴微调机构4均不作操作，两颗Z轴向微调螺钉8均不与机构旋转面401接触。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多模块面阵红外探测器三维拼接结构，它包括小规模探测器模块（1）、因瓦基板（2）、三自由度微调连杆（3）、Z轴向微调机构（4）、X，Y向微调平台（5）、平台大底板（6）、微调螺钉（7）、微调螺钉（8）、微调螺钉（9）、微调螺钉（10）和安装螺钉（11），其特征在于：?X，Y向微调平台（5）通过安装螺钉（11）固定至平台大底板（6）上，Z轴向微调机构（4）通过安装螺钉（11）固定至X，Y向微调平台（5）相应的平台微动面（501）上，三自由度微调连杆（3）的连杆安装法兰（304）通过安装螺钉（11）固定至Z轴向微调机构（4）的机构旋转面（401）上，贴装基板（201）通过安装螺钉（11）固定至三自由度微调连杆（3）的基板安装法兰（301）上，小规模探测器模块（1）通过DW?3胶结于贴装基板（201）上，通过微调螺钉（7）、微调螺钉（8）、微调螺钉（9）和微调螺钉（10）的旋钮满足三维空间位置精度后，在贴装基板（201）上嵌套基板外框（203），通过贴装基板（201）与基板外框（203）间的注胶槽（202）的注胶固定，获得三维高精度拼接的多个小规模探测器模块（1）的因瓦基板（2）。

【技术特征摘要】
1.一种多模块面阵红外探测器三维拼接结构，它包括小规模探测器模块(I)、因瓦基板(2)、三自由度微调连杆(3)、Z轴向微调机构(4)、X，Y向微调平台(5)、平台大底板(6)、微调螺钉(7)、微调螺钉(8)、微调螺钉(9)、微调螺钉(10)和安装螺钉(11)，其特征在于: X，Y向微调平台(5)通过安装螺钉(11)固定至平台大底板(6)上，Z轴向微调机构(4)通过安装螺钉(11)固定至X，Y向微调平台(5)相应的平台微动面(501)上，三自由度微调连杆(3)的连杆安装法兰(304)通过安装螺钉(11)固定至Z轴向微调机构(4)的机构旋转面(401)上，贴装基板(201)通过安装螺钉(11)固定至三自由度微调连杆(3)的基板安装法兰(301)上，小规模探测器模块(I)通过DW-3胶结于贴装基板(201)上，通过微调螺钉(7)、微调螺钉(8 )、微调螺钉(9 )和微调螺钉(10 )的旋钮满足三维空间位置精度后，在贴装基板(201)上嵌套基板外框(203)，通过贴装基板(201)与基板外框(203)间的注胶槽(202)的注胶固定，获得三维高精度拼接的多个小规模探测器模块(I)的因瓦基板(2)。2.根据权利要求1所述的一种多模块面阵红外探测器三维拼接结构，其特征在于:所述的因瓦基板(2)为中空框架结构，其材料为合金4J32，由贴装基板(201)、注胶槽(202)和基板外框(203)组成，厚度与长度比为1:10，贴装基板(201)的贴装区域的大...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小坤，孙闻，张磊，曾智江，陈俊林，李雪，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：实用新型
国别省市：