專利名稱：一種低溫冷平臺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)明涉及紅外探測器微型杜瓦的封裝技術(shù)，具體指一種紅外探測器微型 杜瓦的低溫冷平臺與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)及方法。
技術(shù)背景紅外探測器在航天、航空紅外領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著波長向長波擴(kuò)展 和探測靈敏度的提高，紅外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、制冷時間短、制冷溫度可控范圍大 等優(yōu)點，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)用時大多采用杜瓦封裝，形成紅外探測器杜瓦組件。它的技術(shù)指標(biāo)中有低的 熱負(fù)載和長的真空壽命。從國內(nèi)外的介紹看，紅外探測器微型杜瓦的低溫冷平臺與室溫外殼之間的 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型密封圈將信號線引出(參見文獻(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，這對杜瓦組 件長的真空壽命不利；b)聚酰亞胺的放氣率較金屬材料高兩個數(shù)量(文獻(xiàn)中 沒有提到對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)，同樣對杜瓦組件長的真空壽命不利；c)薄膜引線帶與探測器陶瓷基板和外殼互 聯(lián)需要設(shè)置對接機(jī)構(gòu)，使得杜瓦結(jié)構(gòu)復(fù)雜；d)在外殼上布置了多個接插件增 加了杜瓦的重量。(2) 冷平臺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 見專利US4565925 Detector dewar with all-Kovar leads, and method of making the same)或通過塑料表面部分金屬化產(chǎn)生引線(參見專利EP0154947 Dewar Apparatus、 US4918312 Dewar Cold finger),其存在如下問題a)玻 璃或塑料放氣率較金屬材料高，這對杜瓦組件的真空壽命不利；b)無論是預(yù) 埋可伐材質(zhì)的金屬絲還是部分金屬化形成引線，其在與冷平臺和外殼之間連接 時都需要設(shè)置對接機(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渡(參見專利US4645931 Detector Dewar Assembly),其存在如下問題a)使 得杜瓦結(jié)構(gòu)復(fù)雜化；b)將探測器芯片的信號線引出杜瓦，需要多次焊接連接， 降低了可靠性。(4) 傳統(tǒng)的方法是通過電烙鐵焊接金屬引線，將冷平臺上的探測器芯片信 號線直接穿過室溫外殼引到杜瓦，在引線與外殼接觸處采用膠接密封，該結(jié)構(gòu) 的工藝相對簡單，但要得到高的漏率和長的真空壽命較難。(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，并且它們對兩焊點之間的相對位置有一定限制的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種紅外探測器微型杜瓦的低溫冷平臺與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)及方法，來解決低溫冷平臺與室溫外殼之間高通用、高氣密電 連接問題，同時又有利紅外探測器杜瓦組件寄生熱負(fù)載的降低和長真空壽命的 獲得。本發(fā)明的紅外探測器微型杜瓦的低溫冷平臺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器的安裝襯底1、引線電路2、冷平臺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)計好的電極圖案通過光刻 和腐蝕的方法形成引線電路2;通過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通過膠接 固定在冷平臺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通過激光焊接或氬弧焊接固定在室溫外殼5上； 最后通過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，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實現(xiàn)電學(xué)絕緣，再通過高氣密燒結(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)(見圖l (b)):兩層陶瓷402的下面一層的 上表面上，通過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,來實現(xiàn)兩個可伐合金材質(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，再通過高氣 密燒結(jié)工藝獲得引線環(huán)4。本發(fā)明對安裝襯底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 —一對應(yīng)；本發(fā)明的半球形銦頭生成方法如下1) 通過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-1)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，無需專門設(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)明對金屬引線的材料種類沒有要求，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)明對焊點之間的相對位置沒有特殊要求，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)單一和焊點之間相對位置范圍特定的不足；5) 本發(fā)明的引線兩端連接點可承受的拉力是傳統(tǒng)超聲鍵合或金絲球焊的 6-7倍，同時連接點采用軟金屬過渡連接，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； 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。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖1對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明實施例1是2000X 1元長線列紅外探測器微型杜瓦組件，如附圖1 (a)所示，它的主要實施方法如下1) 安裝襯底1選用0. 4mm的藍(lán)寶石，先對其進(jìn)行清潔處理后通過離子濺 射Cr/Au形成金屬層，再將設(shè)計好的電路圖案通過光刻和腐蝕方法，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 —一對應(yīng) 的外側(cè)引出端201，其尺寸為0.5 mmXlmm;2) 通過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元長線列紅外焦平面探測器微型杜瓦組件內(nèi)的低溫冷平臺與室溫外殼之間的引線連接，從而使探測器的信號和功能線引到了杜瓦 外。實施例2是320X240面陣紅外焦平面探測器微型杜瓦組件，如附圖1 (b) 所示，它的主要實施方法如下-1) 安裝襯底1選用0. 5mm的氮化鋁陶瓷，先對其進(jìn)行清潔處理后通過離 子濺射Cr/Au形成金屬層，再將設(shè)計好的電路圖案通過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器固定在帶引線電路2的安裝襯底1上；3) 通過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間不得超 過30秒)，然后在專用夾具上對半球形銦頭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器，最后低于50QC真空烘干；4) 將帶有引線電路2和紅外探測器的安裝襯底1膠接到冷平臺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器微型杜瓦組件內(nèi)的低溫冷平臺與室溫外殼之間的引線連接，從而使探測器的信號和功能線引到了杜瓦 外。
權(quán)利要求
1.一種紅外探測器微型杜瓦的低溫冷平臺與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，它由紅外探測器的安裝襯底(1)、引線電路(2)、冷平臺(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(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器微型杜瓦的低溫冷平臺與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的引線電路(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器微型杜瓦的低溫冷平臺與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的引線環(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器微型杜瓦的低溫冷平臺與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的半球形銦頭(202)通過斷電的熱 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器微型杜瓦的低溫冷平臺與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的半球形銦頭(404)通過斷電的熱 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器微型杜瓦的低溫冷平臺與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的金屬引線(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器微型杜瓦的低溫冷平臺與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的引線環(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器微型杜瓦的低溫冷平臺與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的絕緣材料(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器微型杜瓦的低溫冷平臺與室溫 外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的引線環(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器微型杜瓦的低溫冷平臺與室 溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的金屬引線(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)明公開了一種低溫冷平臺與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)及方法，它適用于對紅外探測器芯片的杜瓦封裝。本發(fā)明的引線結(jié)構(gòu)包括紅外探測器的安裝襯底1、引線電路2、冷平臺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，來實現(xiàn)了低溫冷平臺與室溫外殼之間的引線結(jié)構(gòu)，本發(fā)明實現(xiàn)了低溫冷平臺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器杜瓦組件的寄生熱負(fù)載降低和長真空壽命的獲得，同時引線連接點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H01L21/02GK101335250SQ20081003882
公開日2008年12月31日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所