CN105161485B - 一体化封装管壳和半导体恒温器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一体化封装管壳和半导体恒温器及其制备方法，属于红外探测器封装技术领域。该一体化封装管壳和半导体恒温器包括依次相连的陶瓷基片、半导体***和陶瓷管壳；所述的半导体***有多个，每个半导体***包括依次相连的工作端焊接电极、高温焊接面、粒柱、低温焊接面和导热端焊接电极；陶瓷基片的下表面与半导体***中的工作端焊接电极相连；陶瓷管壳内部底面与半导体***中的导热端焊接电极相连，陶瓷管壳外部底面设有管脚；所述的粒柱为半导体材料。本发明陶瓷管壳直接作为半导体恒温器的导热端，不仅减小了封装产品的尺寸和体积，同时比起传统的集成方式，少了2个传热界面，有利于热量传递，快速精确控温。

Description

一体化封装管壳和半导体恒温器及其制备方法
技术领域
本发明属于红外探测器封装技术领域，具体涉及一种一体化封装管壳和半导体恒温器及其制备方法。
背景技术
热释电非制冷焦平面探测器是红外应用***中最为重要的光电转换前端产品，也是红外武器装备中的核心部件，热释电焦平面探测器具有功耗低、噪声带宽小、探测器所需恒温控制精度低等优点。热释电非制冷焦平面探测器吸收聚焦在热释电探测器芯片上的红外辐射信号，极化强度发生变化，从而产生极化电荷，经过读出电路芯片的积分处理后被转变为热敏电信号。为实现电信号的读出，陶瓷管壳提供满足探测器组件要求的光学、电学和机械接口，以及装载探测器芯片的气密性工作环境（腔体）；半导体恒温器为探测器芯片提供稳定的工作温度。通常都是分别对陶瓷管壳、半导体恒温器进行加工，然后利用焊料将半导体恒温器直接焊接到陶瓷管壳内壁。此方法最大的问题是：传热界面较多，不利于热量的传递，无法保证快速精确的控温。因此如何克服现有技术的不足是目前于红外探测器封装技术领域亟需解决的问题。
发明内容
为快速精确地进行温度控制，满足热释电非制冷焦平面探测器的工作环境要求，本发明提供一种一体化封装管壳和半导体恒温器。
本发明的另一个目的在于提供一种一体化封装管壳和半导体恒温器的制备方法。
同时提供探测器组件的芯片装载面、组件恒温、以及光学、电学和机械接口。
本发明采用的技术方案如下：
一体化封装管壳与半导体恒温器，包括依次相连的陶瓷基片、半导体***和陶瓷管壳；
所述的半导体***有多个，每个半导体***包括依次相连的工作端焊接电极、高温焊接面、粒柱、低温焊接面和导热端焊接电极；
陶瓷基片作为半导体恒温器的工作端，陶瓷基片的上表面作为探测器芯片的装载面，陶瓷基片的下表面与半导体***中的工作端焊接电极相连；
陶瓷管壳直接作为半导体恒温器的导热端，陶瓷管壳内部底面与半导体***中的导热端焊接电极相连，陶瓷管壳外部底面设有可以与外部连接的管脚；
所述的粒柱为半导体材料。
进一步，优选的是陶瓷基片的上表面作为芯片的装载面，要求平整度≤0.08mm，以提供芯片平整的装载面。
进一步，优选的是陶瓷基片的上表面与陶瓷管壳内部底面的平行度均≤0.25mm，以保证芯片在光学成像***中的焦面要求。
进一步，优选的是所述的粒柱为三元Bi2Te3-Sb2Te3-Sb2Se3固溶体合金。
进一步，优选的是所述的，陶瓷管壳外部底面设有多个管脚。
上述的一体化封装管壳与半导体恒温器的制备方法，包括下列步骤：
步骤（1），高温焊接面的制备：在工作端焊接电极以及粒柱之间相互对接的表面上，分别涂抹ZnCl2助焊剂和焊料后，将涂有焊料的粒柱面准确压在涂有ZnCl2助焊剂的工作端焊接电极面上，然后加热至焊料的熔点，保持5-10分钟后自然降温，使焊料与ZnCl2助焊剂形成高温焊接面，高温焊接面的厚度控制在0.1mm±0.02mm；
步骤（2），低温焊接面的制备：在导热端焊接电极以及粒柱之间相互对接的表面上，分别涂抹ZnCl2助焊剂及焊料，将涂有焊料的粒柱面准确压在涂有ZnCl2助焊剂的导热端焊接电极面上，然后加热至焊料的熔点，保持5-10分钟后自然降温，使焊料与ZnCl2助焊剂形成低温焊接面，低温焊接面的厚度控制在0.1mm±0.02mm；
步骤（3），工作端焊接电极的制备：在陶瓷基片下表面通过电镀的方式，形成厚度为1μm～2μm的工作端焊接电极；
步骤（4），导热端焊接电极的制备：在陶瓷管壳内部底面通过电镀的方式，形成厚度为1μm～2μm的导热端焊接电极；
从而完成一体化封装管壳与半导体恒温器的制备。
所述步骤（2）的焊料的熔点低于步骤（1）的焊料的熔点。
本领域技术人员应当理解，步骤（1）焊料和步骤（2）的焊料所代表的是两种常用的不同的焊料，没有特别表示出其具体的成分，只要满足步骤（2）的焊料的熔点低于步骤（1）的焊料的熔点即可。
进一步，优选的是所述的步骤（1）的焊料为SbBi，步骤（2）的焊料为SbSn。
进一步，优选的是所述的步骤（1）的焊料为SbSn，步骤（2）的焊料为SnBi。
所述工作端焊接电极优选的材料为Au。
所述导热端焊接电极优选的材料为Au。
本发明高温焊接面实现陶瓷基片与粒柱一端的合成，低温焊接面实现粒柱另一端与陶瓷管壳的合成，最终使得封装管壳与半导体恒温器合为一体。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
本发明提供一种一体化封装管壳和半导体恒温器及其制备方法，陶瓷管壳直接作为半导体恒温器的导热端，不仅减小了封装产品的尺寸和体积，同时比起传统的集成方式，少了2个传热界面，有利于热量传递，快速精确控温。与传统的方法相比，热导减小约50%，比起传统控温方式要快1倍以上。
附图说明
图1为本发明的一体化封装管壳与半导体恒温器的示意图；
图2为本发明的步骤（1）实施示意图；
图3为完成本发明步骤（1）后的陶瓷基片与粒柱的焊接合成示意图；
图4为本发明的步骤（2）实施示意图；
其中，1、陶瓷基片；1a、陶瓷基片的上表面；1b、陶瓷基片的下表面；2、工作端焊接电极；3、高温焊接面；4、粒柱；5、低温焊接面；6、导热端焊接电极；7、陶瓷管壳；8、管脚；9、ZnCl2助焊剂；10、焊料a；11、焊料b。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
实施例中的焊料SbBi、SbSn以及SnBi购自深圳莱尔德有限公司。
实施例1
如图1所示，本发明根据半导体恒温器工作原理，以及机械结构设计原理，设计一种新的一体化封装管壳与半导体恒温器，包括依次相连的陶瓷基片1、半导体***和陶瓷管壳7；
所述的半导体***有多个，每个半导体***包括依次相连的工作端焊接电极2、高温焊接面3、粒柱4、低温焊接面5和导热端焊接电极6；图1所示的半导体***有5个，但不限于此。
陶瓷基片1作为半导体恒温器的工作端，上表面1a作为探测器芯片的装载面，陶瓷基片的下表面1b与半导体***中的工作端焊接电极2相连；
陶瓷管壳7直接作为半导体恒温器的导热端，陶瓷管壳7内部底面与半导体***中的导热端焊接电极6相连，陶瓷管壳7外部底面设有多个可以与外部连接的管脚8；图1所示的管脚8有两个，但不限于此。
所述的粒柱4为半导体材料，为三元Bi2Te3-Sb2Te3-Sb2Se3固溶体合金。
陶瓷基片1的上表面1a平整度≤0.08mm。陶瓷基片1的上表面1a与陶瓷管壳7内部底面的平行度均≤0.25mm。
本发明的一体化封装管壳与半导体恒温器的制备方法，包括下列步骤：
步骤（1），高温焊接面3的制备：在工作端焊接电极2以及粒柱4之间相互对接的表面上，分别涂抹ZnCl2助焊剂9和焊料10（即焊料a）后，如图2所示，将涂有焊料10的粒柱4面准确压在涂有ZnCl2助焊剂9的工作端焊接电极2面上，然后加热至焊料a 的熔点，保持5分钟后自然降温，使焊料10与ZnCl2助焊剂9形成高温焊接面3，高温焊接面3的厚度控制在0.1mm±0.02mm；如图3所示；
步骤（2），低温焊接面5的制备：在导热端焊接电极6以及粒柱4之间相互对接的表面上，分别涂抹ZnCl2助焊剂9及焊料11（即焊料b），如图4所示，将涂有焊料11 的粒柱4面准确压在涂有ZnCl2助焊剂9的导热端焊接电极6面上，然后加热至焊料11的熔点，保持5分钟后自然降温，使焊料11与ZnCl2助焊剂 9形成低温焊接面5，低温焊接面5的厚度控制在0.1mm±0.02mm；
所述步骤（2）的焊料11（即焊料b）的熔点低于步骤（1）的焊料10（即焊料a）的熔点，所述的焊料10为SbBi（熔点260℃），焊料11为SbSn（熔点230℃）；
步骤（3），工作端焊接电极2的制备：在陶瓷基片1下表面1b通过电镀的方式，形成厚度为1μm的工作端焊接电极2；工作端焊接电极2优选的材料为Au；
步骤（4），导热端焊接电极6的制备：在陶瓷管壳7内部底面通过电镀的方式，形成厚度为1μm的导热端焊接电极6，导热端焊接电极6优选的材料为Au，从而完成一体化封装管壳与半导体恒温器的制备，如图1所示。
实施例2
如图1所示，本发明根据半导体恒温器工作原理，以及机械结构设计原理，设计一种新的一体化封装管壳与半导体恒温器，包括依次相连的陶瓷基片1、半导体***和陶瓷管壳7；
所述的半导体***有多个，每个半导体***包括依次相连的工作端焊接电极2、高温焊接面3、粒柱4、低温焊接面5和导热端焊接电极6；图1所示的半导体***有5个，但不限于此。
陶瓷基片1作为半导体恒温器的工作端，上表面1a作为探测器芯片的装载面，陶瓷基片的下表面1b与半导体***中的工作端焊接电极2相连；
陶瓷管壳7直接作为半导体恒温器的导热端，陶瓷管壳7内部底面与半导体***中的导热端焊接电极6相连，陶瓷管壳7外部底面设有多个可以与外部连接的管脚8；图1所示的管脚8有两个，但不限于此。
所述的粒柱4为半导体材料，为三元Bi2Te3-Sb2Te3-Sb2Se3固溶体合金。
陶瓷基片1的上表面1a平整度≤0.08mm。陶瓷基片1的上表面1a与陶瓷管壳7内部底面的平行度均≤0.25mm。
本实施例的一体化封装管壳与半导体恒温器的制备方法，包括下列步骤：
步骤（1），高温焊接面3的制备：在工作端焊接电极2以及粒柱4之间相互对接的表面上，分别涂抹ZnCl2助焊剂9和焊料10（即焊料a）后，如图2所示，将涂有焊料10的粒柱4面准确压在涂有ZnCl2助焊剂9的工作端焊接电极2面上，然后加热至焊料a 的熔点，保持10分钟后自然降温，使焊料10与ZnCl2助焊剂9形成高温焊接面3，高温焊接面3的厚度控制在0.1mm±0.02mm；如图3所示；
步骤（2），低温焊接面5的制备：在导热端焊接电极6以及粒柱4之间相互对接的表面上，分别涂抹ZnCl2助焊剂9及焊料11（即焊料b），如图4所示，将涂有焊料11 的粒柱4面准确压在涂有ZnCl2助焊剂9的导热端焊接电极6面上，然后加热至焊料11的熔点，保持10分钟后自然降温，使焊料11与ZnCl2助焊剂 9形成低温焊接面5，低温焊接面5的厚度控制在0.1mm±0.02mm；
所述步骤（2）的焊料11（即焊料b）的熔点低于步骤（1）的焊料10（即焊料a）的熔点，所述的焊料10为SbSn（熔点230℃），焊料11为SnBi（熔点200℃）；
步骤（3），工作端焊接电极2的制备：在陶瓷基片1下表面1b通过电镀的方式，形成厚度为2μm的工作端焊接电极2；工作端焊接电极2优选的材料为Au；
步骤（4），导热端焊接电极6的制备：在陶瓷管壳7内部底面通过电镀的方式，形成厚度为2μm的导热端焊接电极6，导热端焊接电极6优选的材料为Au，从而完成一体化封装管壳与半导体恒温器的制备，如图1所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一体化封装管壳与半导体恒温器，其特征在于，包括依次相连的陶瓷基片、半导体***和陶瓷管壳；
所述的半导体***有多个，每个半导体***包括依次相连的工作端焊接电极、高温焊接面、粒柱、低温焊接面和导热端焊接电极；
陶瓷基片的下表面与半导体***中的工作端焊接电极相连；陶瓷管壳内部底面与半导体***中的导热端焊接电极相连，陶瓷管壳外部底面设有管脚；
所述的粒柱为半导体材料。
2.根据权利要求1所述的一体化封装管壳与半导体恒温器，其特征在于，陶瓷基片的上表面平整度≤0.08mm。
3.根据权利要求1所述的一体化封装管壳与半导体恒温器，其特征在于，陶瓷基片的上表面与陶瓷管壳内部底面的平行度均≤0.25mm。
4.根据权利要求1所述的一体化封装管壳与半导体恒温器，其特征在于，所述的粒柱为三元Bi2Te3-Sb2Te3-Sb2Se3固溶体合金。
5.根据权利要求1所述的一体化封装管壳与半导体恒温器，其特征在于，所述的，陶瓷管壳外部底面设有多个管脚。
6.权利要求1-5任意一项所述的一体化封装管壳与半导体恒温器的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤（1），高温焊接面的制备：在工作端焊接电极以及粒柱之间相互对接的表面上，分别涂抹ZnCl2助焊剂和焊料后，将涂有焊料的粒柱面准确压在涂有ZnCl2助焊剂的工作端焊接电极面上，然后加热至焊料的熔点，保持5-10分钟后自然降温，使焊料与ZnCl2助焊剂形成高温焊接面，高温焊接面的厚度控制在0.1mm±0.02mm；
步骤（2），低温焊接面的制备：在导热端焊接电极以及粒柱之间相互对接的表面上，分别涂抹ZnCl2助焊剂及焊料，将涂有焊料的粒柱面准确压在涂有ZnCl2助焊剂的导热端焊接电极面上，然后加热至焊料的熔点，保持5-10分钟后自然降温，使焊料与ZnCl2助焊剂形成低温焊接面，低温焊接面的厚度控制在0.1mm±0.02mm；
步骤（3），工作端焊接电极的制备：在陶瓷基片下表面通过电镀的方式，形成厚度为1μm～2μm的工作端焊接电极；
步骤（4），导热端焊接电极的制备：在陶瓷管壳内部底面通过电镀的方式，形成厚度为1μm～2μm的导热端焊接电极；
从而完成一体化封装管壳与半导体恒温器的制备。
7.根据权利要求6所述的一体化封装管壳与半导体恒温器的制备方法，其特征在于所述步骤（2）的焊料的熔点低于步骤（1）的焊料的熔点。
8.根据权利要求6所述的一体化封装管壳与半导体恒温器的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）的焊料为SbBi，步骤（2）的焊料为SbSn。
9.根据权利要求6所述的一体化封装管壳与半导体恒温器的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）的焊料为SbSn，步骤（2）的焊料为SnBi。
10.根据权利要求6所述的一体化封装管壳与半导体恒温器的制备方法，其特征在于，所述工作端焊接电极、导热端焊接电极的材料为Au。
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