一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构制造技术

本发明专利技术公开了一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构,热层结构由高热导冷平台、芯片基板和柔性缓冲层组成。本发明专利技术是根据探测器和制冷机冷指的耦合特性，在芯片基板设计加工一定形状的圆形凹台和芯片矩形槽，在柔性缓冲层相应位置加工一定形状缓冲开孔和出气槽，在确保满足一定热负载所需要热传输能力的前提下，实现热传导链路和耦合应力传递通道的物理隔离。本发明专利技术可以实现大冷量在分置式杜瓦冷平台上传输的低接触热阻，同时避免过盈耦合产生的耦合应力对探测器的影响，同时满足分置式杜瓦组件航天严酷的环境适应要求。本发明专利技术的结构简单，操作方便，兼容性好，可靠性高。可应用于各种分置式杜瓦组件。应用于各种分置式杜瓦组件。应用于各种分置式杜瓦组件。

【技术实现步骤摘要】
一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构


[0001]本专利技术涉及红外探测器杜瓦组件技术，具体指一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构，它适用于分置式制冷型红外探测器杜瓦封装。

技术介绍

[0002]红外探测器杜瓦组件在航天航空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，红外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、制冷时间短、制冷温度可调范围大等优点，目前该类探测器件在应用中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红外探测器杜瓦制冷组件。
[0003]为减少分置式探测器杜瓦组件的制冷机与杜瓦耦合过程中产生的应力对探测器的影响，传统的方法采用弹性冷链结构或垫铟无压缩耦合。这两种方式都是通过控制耦合力，来减少冷指对低温下探测器的影响。当分置式杜瓦组件的寄生热负载在较小时，其耦合的接触热阻和温度梯度较小，但耦合装配时，对杜瓦冷平台和制冷机的冷指的尺寸公差及形位公差要求较高。随着杜瓦组件寄生热负载的增加和探测器焦耳热的增加(尤其是大面阵CTIA探测器应用)，无论是弹性冷链结构或垫铟无压缩耦合，其接触热阻和温度梯度都会随热负载增加而增加，这会导致制冷机冷功耗增加，从而影响制冷组件的寿命，甚至会影响探测器的性能和可靠性。综上所述，这对分置式制冷型红外探测器杜瓦组件而言，在大热负载下，减少耦合接触热阻同时避免耦合应力对探测器影响显得更加突出。必须要探索一种新方法来解决这一问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构，在确保热负载所需要的热流传输能力的前提下，通过增加耦合力来降低接触热阻，同时避免了过盈耦合的耦合力对探测器性能的影响。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：所述的一种物理隔离耦合应力的焦平面探测热层结构如附图1所示，包括冷平台1、芯片基板2和柔性缓冲层3。冷平台1、芯片基板2和柔性缓冲层3，冷平台1、芯片基板2和柔性缓冲层3均采用选用高热导材料，冷平台1位于最下面，柔性缓冲层3位于冷平台1的上面，柔性缓冲层3的上面是芯片基板2，芯片胶接在芯片基板2上，冷平台1、芯片基板2和柔性缓冲层3三者通过一定数量的螺栓连接。
[0006]冷平台1、芯片基板2选用高热导材料，其热导率不小于100W
·
M
‑1·
K
‑1，芯片基板2与柔性缓冲层3接触面的中央位置有深度H2、直径D2的圆形凹台202，在芯片基板2与芯片接触的表面有长度L1×
宽度W1×
深度H1的芯片矩形槽201，芯片矩形槽201的开槽起始位置与芯片边缘平齐。
[0007]所述一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构的参数(见附图2)设计原则如下：
[0008]1)圆形凹台202的直径D2参数确认方法如下:
[0009]根据冷平台1的钎焊孔直径D1计算；
[0010]D1+2mm≥D2≥D1；
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(1)
[0011]2)圆形凹台202的深度H2参数确认方法如下：
[0012]1mm≥H2≥0.3mm；
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(2)
[0013]3)芯片矩形槽201的长度L1参数确认方法如下：
[0014]5mm≥L1≥0.5mm；
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(3)
[0015]4)芯片矩形槽201的深度H1参数确认方法如下：
[0016]2mm≥H1≥0.5mm；
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(4)
[0017]5)芯片矩形槽(201)的宽度W1由下式确定：
[0018]10mm≥W1≥3mm；
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(5)
[0019]柔性缓冲层3具有良好的延展性和导热率，其莫氏硬度小于4，热导率不小于70W
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M
‑1·
K
‑1，例如铟、银。柔性缓冲层3的中央位置通过激光切割加工出缓冲层开孔301和出气槽302，其中缓冲层开孔301和出气槽302是相连的，贯通的，缓冲层开孔301为圆形的通孔，出气槽302的起始位置始于缓冲层开孔301，并且连通，延伸至柔性缓冲层3的边缘。柔性缓冲层3可由一片，或相同结构的两片、三片组成。
[0020]所述一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构的参数(见附图3)设计原则如下：
[0021]1)缓冲层开孔301的直径D3参数确认方法如下:
[0022]根据圆形凹台202的直径D2计算；
[0023]D3＝D2；
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(6)
[0024]2)出气槽302的宽度L2参数确认方法如下；
[0025]1mm≥L2≥0.3mm；
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(7)
[0026]3)出气槽302的厚度H由下式确定；
[0027]1mm≥H≥0.1mm；
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(8)
[0028]所述一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构的参数设计均可以迭代优化，以达到物理隔离耦合应力的目的。
[0029]所述的一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构的制备方法如下：
[0030]1)如附图2所示，冷平台1按设计要求加工成型并与冷指钎焊；
[0031]2)钎焊后在机床上用专用夹具装夹，并对冷平台1与焦平面探测器耦合处的上表面进行研磨，保证耦合面平面度和平行度满足装配要求；
[0032]3)对冷平台1镜面抛光，抛光后将残留的研磨膏清洗干净，然后依次用丙酮、酒精及去离子水在超声波清洗机内清洗5
‑
10分钟，去除加工中残留在零件表面的油脂和碎屑。
[0033]4)将冷平台1完全浸入液氮内，浸泡时间1
‑
3分钟取出，室温保持时间大于5分钟，重复5
‑
10次；
[0034]5)最后进行250度，真空度优于3
×
10
‑4Pa连续真空排气48小时后待用；
[0035]6)将0.1mm厚柔性缓冲层3激光切割成相应的形状，应具有缓冲层开孔301和出气槽302，缓冲层开孔301和出气槽302连通；
[0036]7)将0.1mm厚柔性缓冲层3用相应的工艺清洗腐蚀；
[0037]8)将柔性缓冲层3用镊子轻轻的放置在冷平台1的相应位置上；
[0038]9)将带有探测器芯片的芯片基板2放置在柔性缓冲层3上，并用一定数量螺栓连接，并控制扭力。
[0039]以上就实现了一种物理隔离耦合应力的焦平面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种物理隔离耦合应力的焦平面探测器热层结构，包括冷平台(1)、芯片基板(2)和柔性缓冲层(3)，冷平台(1)位于最下面，柔性缓冲层(3)位于冷平台(1)的上面，柔性缓冲层(3)的上面是芯片基板(2)，芯片胶接在芯片基板(2)上，冷平台(1)、芯片基板(2)和柔性缓冲层(3)三者通过螺栓连接，其特征在于：芯片基板(2)与柔性缓冲层(3)接触面的中央位置有深度H2、直径D2的圆形凹台(202)，在芯片基板(2)与芯片接触的表面有长度L1×
宽度W1×
深度H1的芯片矩形槽(201)，芯片矩形槽(201)的开槽起始位置与芯片边缘平齐；圆形凹台(202)的直径D2由下式确定:D1+2mm≥D2≥D1式中：D1为冷平台(1)的钎焊孔直径D1。圆形凹台(202)的深度H2由下式确定：1mm≥H2≥0.3mm；芯片矩形槽(201)的长度L1由下式确定：5mm≥L1≥0.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊林，王小坤，罗少博，曾智江，郝振贻，朱海勇，季鹏，张启，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：