制冷型红外探测器通过焊接取代陶瓷粘接的封装方法与流程

1.本发明属于冷型红外探测器技术领域，具体涉及制冷型红外探测器通过焊接取代陶瓷粘接的封装方法。


背景技术：

2.随着红外技术的发展，红外探测器被大量应用于军用(边海防监测、导弹导引头等)及民用领域(气体探测，森林防护等)，而制冷型红外探测器作为红外探测器的高端领域，正在不断向高性能、高可靠性、大面阵、小型化、低功耗、低成本等方向发展。
3.制冷型红外探测器的使用环境复杂多样，组件发生高量级冲击振动不可避免，而一旦出现问题其维护成本极高。
4.现阶段制冷型红外探测器杜瓦的陶瓷基板与金属冷台之间的封接一般都使用低温胶进行粘连，而粘接胶具有一定的厚度及流淌性，胶层厚度的均匀性不可控，待低温胶固化后，胶层厚度的不均匀性会影响红外芯片上的红外焦平面与杜瓦窗片、成像镜头之间的平行度。同时胶的热膨胀系数较大，制冷型红外探测器要求陶瓷基板、金属冷台与粘接胶的热膨胀系数尽可能接近以满足制冷后探测器工作，较大的热膨胀系数同时也会导致红外探测器制冷后的焦平面偏移，影响探测器成像。
5.制冷型红外探测器在冲击振动等环境适应性试验后，频发陶瓷框架和金属冷台之间脱落的问题，陶瓷基板与金属冷台脱开会引起芯片外引线断裂，探测器无法正常工作导致整个制冷型红外探测器报废，带来巨大的损失。综上所述，为保证制冷型红外探测器使用可靠性，迫切需要提高陶瓷框架与金属冷台之间的结合力，减少陶瓷框架从金属冷台脱落这个问题发生。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供制冷型红外探测器通过焊接取代陶瓷粘接的封装方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：制冷型红外探测器通过焊接取代陶瓷粘接的封装方法，用于制冷型红外探测器的陶瓷基板与冷指顶部的金属冷台之间的封接；具体步骤为：s1：陶瓷基板底部局部金属化处理，形成金属化区域；
8.s2：金属冷台的结构制备：
9.s21：取金属棒料，通过车铣加工完成金属冷台毛坯加工；
10.s22：使用高精度精雕机对完成金属冷台顶面预留槽加工；
11.s23：然后使用平面磨床对毛坯进行打磨，提高整个金属冷台上下底面平行度；
12.s24：完成加工后通过清洗、退火保证其表面光洁度及可焊性，使用电镀工艺给金属冷台表面镀镍；
13.s3：焊料的制备：使用焊料压紧模具加工锡银焊料，使加工过的焊料能完全置入金属冷台的预留槽内；
14.s4：真空钎焊：将加工过的焊料置于金属冷台顶面的预留槽内，利用石墨工装将陶瓷基板上的金属化区域与金属冷台顶面的预留槽对齐，并装配在一起；将装配好的待焊接件放入真空低温钎焊炉内，完成金属冷台与陶瓷基板的焊接。
15.优选的，所述步骤s1中，所述陶瓷基板的金属化区域为直径超过金属冷台顶部直径的均匀平整圆形，且金属化区域的表面金属化层厚度在2-4μm，且高温300℃烘烤5小时，需保证金属化层表面无起皮，无鼓包，无异色的状态。
16.优选的，在步骤s2中，金属冷台表面电镀镍，厚度在5-7μm，且高温300℃烘烤5小时，高温400k到低温77k温度,变温速率60k/min冲击20次，镍层表面保证无起皮，鼓包，异色的变化。
17.优选的，在步骤s3中，要求焊料置于金属冷台的预留槽内，且焊料高度低于预留槽高度0.05mm以上。
18.优选的，在步骤s4中，调整焊料多少与预留槽大小相匹配，调整真空钎焊炉焊接温度位于235℃-270℃；预留槽可以在焊接的陶瓷基板与金属冷台之间起到降低焊接应力的作用。
19.优选的，所述步骤s1中，形成金属化区域的形成可以通过金属化印刷、镀金法、薄膜技术工艺中的任意一种完成。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过低温真空钎焊将陶瓷基板和金属冷台焊接取代原先使用的低温胶粘接，1)通过真空钎焊提高陶瓷基板与金属冷台之间的结合力，减少陶瓷框架从金属冷台脱落这个问题发生；2)真空钎焊前进行工装装配，通过毛细作用进行焊接，提高了陶瓷基板与金属冷台之间的平行度，摆脱了粘胶导致陶瓷基板平行度不可控的困局；3)陶瓷基板与金属冷台之间的缝隙使用金属焊料填充代替低温胶填充，锡银焊料的热膨胀系数远低于一般低温粘接胶，减小了制冷后因温度变化导致的红外焦平面轴向飘移。
附图说明
21.图1为制冷型红外探测器杜瓦内部陶瓷基板与金属冷台位置示意图。
22.图2为陶瓷基板与金属冷台封装示意图。
23.图3为陶瓷基板局部金属化区域示意图。
24.图4为金属冷台预留槽分布示意图。
25.1、陶瓷基板；2、金属冷台；3、预留槽；4、金属化区域；5、杜瓦外壳；6、杜瓦冷指；7、红外探测芯片。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.请参阅图1至图4，本发明提供一种技术方案：
28.如图1所示，金属冷台2位于杜瓦外壳5内侧的杜瓦冷指6的顶端，陶瓷基板1上安装
红外探测芯片7。
29.取φ16mm厚0.5mm的陶瓷基板1，背部使用薄膜技术进行金属化处理，金属化区域4为φ10mm的圆型区域，金属化区域4表层为au层分布示意图如图3所示。
30.取4j36棒料，通过车床加工成φ8.4mm厚1.3mm的金属冷台2后使用精雕机在冷台顶部加工内径φ3mm，外径φ5mm，深度1.1mm的预留槽3，示意图如图4所示；对金属冷台2毛坯件进行平面磨打磨加工后清洗退火，使用电镀工艺电镀暗镍，厚7μm。
31.将直径1mm的snag焊料丝剪12mm长，放入焊料压紧模具中，使用30公斤压力进行压紧，将snag焊料丝加工成内径φ3mm，外径φ5mm，厚度1mm的金属焊料环，放入金属冷台2顶部的预留槽内。
32.使用钎焊工装完成陶瓷基板1与金属冷台2之间的装配，放入低温真空钎焊炉内；设定温度曲线焊接区温度228-235℃，保温2分钟后随炉冷却；完成焊接后的陶瓷基板与金属冷台组件示意图如图2所示；使用低温真空钎焊炉进行真空钎焊，可以使焊料融化后与金属化区域4表层及镍层有良好的浸润因为毛细作用填充金属冷台2与陶瓷基板1之间的缝隙，完成陶瓷基板1与金属冷台2之间的焊接。
33.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。


技术特征：
1.制冷型红外探测器通过焊接取代陶瓷粘接的封装方法，其特征在于：用于制冷型红外探测器的陶瓷基板(1)与冷指顶部的金属冷台(2)之间的封接；具体步骤为：s1：陶瓷基板(1)底部局部金属化处理，形成金属化区域(4)；s2：金属冷台(2)的结构制备：s21：取金属棒料，通过车铣加工完成金属冷台(2)毛坯加工；s22：使用高精度精雕机对完成金属冷台(2)顶面预留槽(3)加工；s23：然后使用平面磨床对毛坯进行打磨，提高整个金属冷台(2)上下底面平行度；s24：完成加工后通过清洗、退火保证其表面光洁度及可焊性，使用电镀工艺给金属冷台(2)表面镀镍；s3：焊料的制备：使用焊料压紧模具加工锡银焊料，使加工过的焊料能完全置入金属冷台(2)的预留槽(3)内；s4：真空钎焊：将加工过的焊料置于金属冷台(2)顶面的预留槽(3)内，利用石墨工装将陶瓷基板(1)上的金属化区域(4)与金属冷台(2)顶面的预留槽(3)对齐，并装配在一起；将装配好的待焊接件放入真空低温钎焊炉内，完成金属冷台(2)与陶瓷基板(1)的焊接。2.根据权利要求1所述的制冷型红外探测器通过焊接取代陶瓷粘接的封装方法，其特征在于：所述步骤s1中，所述陶瓷基板(1)的金属化区域(4)为直径超过金属冷台(2)顶部直径的均匀平整圆形，且金属化区域(4)的表面金属化层厚度在2-4μm，且高温300℃烘烤5小时，需保证金属化层表面无起皮，无鼓包，无异色的状态。3.根据权利要求1所述的制冷型红外探测器通过焊接取代陶瓷粘接的封装方法，其特征在于：在步骤s2中，金属冷台(2)表面电镀镍，厚度在5-7μm，且高温300℃烘烤5小时，高温400k到低温77k温度,变温速率60k/min冲击20次，镍层表面保证无起皮，鼓包，异色的变化。4.根据权利要求1所述的制冷型红外探测器通过焊接取代陶瓷粘接的封装方法，其特征在于：在步骤s3中，要求焊料置于金属冷台(2)的预留槽(3)内，且焊料高度低于预留槽高度0.05mm以上。5.根据权利要求1所述的制冷型红外探测器通过焊接取代陶瓷粘接的封装方法，其特征在于：在步骤s4中，调整焊料多少与预留槽(3)大小相匹配，调整真空钎焊炉焊接温度位于235℃-270℃；预留槽(3)可以在焊接的陶瓷基板(1)与金属冷台(2)之间起到降低焊接应力的作用。6.根据权利要求1所述的制冷型红外探测器通过焊接取代陶瓷粘接的封装方法，其特征在于：所述步骤s1中，形成金属化区域(4)的形成可以通过金属化印刷、镀金法、薄膜技术工艺中的任意一种完成。

技术总结
本发明公开了一种制冷型红外探测器通过焊接取代陶瓷粘接的封装方法，S1：陶瓷基板底部局部金属化处理，形成金属化区域；S2：金属冷台的结构制备：S3：焊料的制备：使用焊料压紧模具加工锡银焊料，使加工过的焊料能完全置入金属冷台的预留槽内；S4：真空钎焊：将加工过的焊料置于金属冷台顶面的预留槽内，利用石墨工装将陶瓷基板上的金属化区域与金属冷台顶面的预留槽3对齐，并装配在一起；将装配好的待焊接件放入真空低温钎焊炉内，完成金属冷台与陶瓷基板的焊接；摆脱了粘胶导致陶瓷基板平行度不可控的困局，减小制冷后因温度变化导致的红外焦平面轴向飘移，保证大面阵探测器封装可靠性。性。性。


技术研发人员：张凡 罗凯彬
受保护的技术使用者：浙江超晶晟锐光电有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/8/24