CN105428198B - 采用高温共烧多层陶瓷工艺制作矩阵阳极及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是采用高温共烧多层陶瓷工艺制作矩阵阳极及方法，其结构矩阵阳极多层陶瓷基板与管壳体间是可伐封接盘，可伐封接盘接矩阵阳极多层陶瓷基板，可伐封接盘接管壳体，矩阵阳极多层陶瓷基板位于真空腔体内部表面为均匀排布的x×x金属触点阵列，形成阳极输入阵列，矩阵阳极多层陶瓷基板位于真空腔体外部表面为均匀排布的x×x引出针，形成阳极输出阵列。优点：由于基板每层可印刷金属线条，并通过垂直金属化通孔进行互连布线，基板两侧电极的间距可以做得不同，金属电极和电极绝缘间隙能实现很小的物理尺寸，实现更高密度的矩阵阳极；采用半导体制作工艺，制作的矩阵阳极较传统技术具有更好的一致性，可改善阳极响应不均匀性，提高生产效率。

Description

采用高温共烧多层陶瓷工艺制作矩阵阳极及方法

技术领域

本发明涉及的是一种采用高温共烧多层陶瓷工艺制作微通道板光电倍增管矩阵阳极及方法。属于电真空光电探测器件技术领域。

背景技术

矩阵阳极微通道板光电倍增管是一种能将微弱光信号转换成电信号的光电转换探测器件，具有极高的电子增益和灵敏度、超快的时间响应、超高的定时精度等特性，通过后续信号读出电路可实现光子计数及位置成像功能，可广泛应用于激光雷达、医用高分辨γ相机、高能粒子探测等应用领域。该类型器件主要由光电阴极、微通道板、矩阵阳极以及具有真空气密性的管壳组成。工作时在各电极之间加上一定的电压，光子入射在光电阴极后发射光电子，光电子在电场的作用下经过微通道板倍增，被矩阵阳极收集后形成多路电信号输出至后续读出电路处理。

矩阵阳极是该器件的重要组成部分，它的一致性直接关系到输出信号的均匀性。矩阵阳极常规的制作方法是采用金属玻璃封接或金属陶瓷封接制作成引出针形式。这两种制作工艺相对成熟，制作的矩阵阳极能满足微通道板光电倍增管时的真空气密性、耐高温烘烤等工艺要求，但这两种工艺对手工的依赖程度较高，制作的阳极均匀性不好，尤其是当矩阵密度提高

时会存在更多问题。

采用金属陶瓷封接工艺制作矩阵阳极，金属和陶瓷的封接面必须足够大才能保证气密性，因此，当矩阵密度提高时其尺寸也会急剧增加，不利于

器件的小型化。

而采用金属玻璃封接工艺制作矩阵阳极，虽然可以实现较高的矩阵密度，但相对而言，密度提高对封接模具的精度要求也会相应提高，一旦模具设

计制作不好，部分引出针容易漏气，会导致封接成品率显著降低。

发明内容

本发明提出的一种采用高温共烧多层陶瓷工艺制作矩阵阳极的方法，其目的是提高所制作矩阵阳极的一致性，更容易的实现更高密度的矩阵阳极。

本发明的技术解决方案：采用高温共烧多层陶瓷工艺制作的微通道板光电倍增管矩阵阳极，其结构包括，过渡件可伐封接盘1、可伐引出针2、矩阵阳极多层陶瓷基板3；其中，矩阵阳极多层陶瓷基板3与管壳体6之间是过渡件可伐封接盘1，可伐封接盘1与矩阵阳极多层陶瓷基板3为钎焊连接，可伐封接盘1与管壳体6采用激光焊接或氩弧焊接密封，矩阵阳极多层陶瓷基板3位于真空腔体内部表面为均匀排布的x×x金属触点阵列4，形成阳极输入阵列，矩阵阳极多层陶瓷基板3位于真空腔体外部表面为均匀排布的x×x引出针2，形成阳极输出阵列。

采用高温共烧多层陶瓷工艺制作微通道板光电倍增管矩阵阳极的方法，包括如下工艺步骤：

(1)准备金属零件，包括可伐封接盘1和可伐引出针2，并对金属零件进行常规的清洗、退火和镀镍处理后待用；

(2)根据所需真空腔体内外电极图形设计多层陶瓷基板3，并按照高温共烧多层陶瓷工艺制作；

(3)将制作好的多层陶瓷基板3与可伐封接盘1、可伐引出针2进行高温钎焊；

(4)钎焊完成后对可伐封接盘1、可伐引出针2及金属触点阵列4进行镀金，完成矩阵阳极的制作，制作完成后的矩阵阳极可通过氩弧焊或激光焊与光电倍增管管壳体6连接。

本发明的优点：

(1)由于多层陶瓷基板每层可以印刷金属线条，并通过垂直金属化通孔进行互连布线，基板两侧电极的间距可以做得不同，且金属电极和电极绝缘间隙能实现很小的物理尺寸，有利于实现更高密度的矩阵阳极，如16×16、32×32；

(2)由于采用了半导体制作工艺，制作的矩阵阳极相比传统金属玻璃封接或金属陶瓷封接具有更好的一致性，可大大改善阳极响应的不均匀性，生产制作效率也更高。

附图说明

图1是采用高温共烧多层陶瓷工艺制作的微通道板光电倍增管10×10矩阵阳极的示意。

图2-1本发明10×10矩阵阳极结构的仰视图。

图2-2本发明10×10矩阵阳极结构的主视图。

图2-3本发明10×10矩阵阳极结构的俯视图。

图3本发明10×10矩阵阳极真空内外电极引脚对应关系图。

具体实施方式

采用高温共烧多层陶瓷工艺制作的微通道板光电倍增管矩阵阳极，其结构包括，过渡件可伐封接盘1、可伐引出针2、多矩阵阳极层陶瓷基板3；其中矩阵阳极多层陶瓷基板3与管壳之间是过渡件可伐封接盘1，过渡件可伐封接盘1与多层陶瓷基板3为钎焊连接，矩阵阳极多层陶瓷基板3与管壳部分采用激光焊接或氩弧焊接密封，多矩阵阳极层陶瓷基板3位于真空腔体内部表面，真空腔体内部表面为均匀排布的10×10金属触点阵列4，形成阳极输入阵列，真空腔体外部表面为均匀排布的10×10引出针2，形成阳极输出阵列。

采用高温共烧多层陶瓷工艺制作微通道板光电倍增管矩阵阳极的方法，包括如下工艺步骤：

(1)准备金属零件，包括可伐封接盘1和可伐引出针2，并对金属零件进行常规的清洗、退火和镀镍处理后待用；

(2)根据所需真空腔体内外电极图形设计多层陶瓷基板3结构，并按照高温共烧多层陶瓷工艺制作；

(3)将制作好的多层陶瓷基板3与可伐封接盘1、可伐引出针2进行高温钎焊；

(4)钎焊完成后对可伐封接盘1、可伐引出针2及金属触点阵列4进行镀金，完成矩阵阳极的制作，制作完成后的矩阵阳极可通过氩弧焊或激光焊与光电倍增管管壳体6连接。

所述的可伐封接盘1和多层陶瓷基板3制作成圆形。

所述的根据所需真空腔体内外电极图形设计多层陶瓷基板3，其基板面积≤170×170mm，厚度≤5mm，电极尺寸≥0.2×0.2mm，基板外径为Φ21.8mm,厚度为2mm，材料为氧化铝黑瓷；输入电极（真空内部）单元为方形，尺寸为1mm×1mm，单元间间隙为0.3mm，具体排布见2-3；输出电极（真空外部）单元为圆形，尺寸为Φ1.27mm，单元间间隙最小0.5261mm,最大1.27mm，具体排布见图2-1；输入输出电极通过多层陶瓷基板内部印刷走线实现一一对应，对应关系见图3。

所述的工艺步骤（2）按照高温共烧多层陶瓷工艺制作多层陶瓷基板3，其工艺流程包括：

(1)配料，将有机粘结剂、陶瓷粉料、溶剂与增塑剂按照5-10%：40-80%：15-30%：5-15%比例混合，加入球磨机中进行球磨，形成具有预定触变性和粘度的流延浆料。

(2)流延，将球磨后的浆料注入流延机浆料槽中，浆料通过刮刀流到基带上，基带传送浆料通过烘干箱形成厚度致密、均匀且具有预定强度和柔韧性的生瓷带。

(3)打孔，根据多层陶瓷基板垂直通孔设计，对生瓷带进行机械式或激光打孔。

(4)填孔，在打过孔的生瓷带上，用金属化浆料将通孔进行填充，以实现垂直方向上的电气互连。

(5)印刷，采用丝网印刷工艺，根据所设计产品的结构，在生瓷带上印刷金属化图形。

(6)叠片与层压，经过填孔与印刷工艺的生瓷带，按照设计的顺序叠放，然后在一定的温度和压力下，形成一个致密、有预定强度的多层陶瓷坯体。

(7)生切，将层压后的生瓷带切割成单个产品。

(8)共烧，将生瓷产品放入烧结炉内，在氢气烧结气氛下，按照设定好的烧结曲线进行加热，以形成致密且具有预定机械强度的熟瓷。

(9)镀覆，采用化学镀在熟瓷表面镀覆一层金属镍。

所述的矩阵阳极多层陶瓷基板3位于真空腔体内部表面为均匀排布的金属触点阵列4，单元触点为圆形或方形等规则图形，同时为保证阳极响应均匀性，单元触点大小及触点间间隙需尽量一致。

所述的矩阵阳极多层陶瓷基板3，为保证边缘阳极与中心阳极响应均匀性，需在金属触点阵列4***空白部分制作与可伐封接盘1电连接的金属镀金区域5，并使该区域与边缘阳极间隙与中心阳极间隙一致。

所述的矩阵阳极多层陶瓷基板3位于真空腔体内部表面，真空腔体内部表面上为均匀排布的金属触点阵列4，阵列之间间隙根据多层陶瓷工艺极限为最小0.2mm。

所述的矩阵阳极多层陶瓷基板3位于真空腔体外的输出端可分两种形式，金属触点式或者引出针形式，相对而言，触点形式比引出针形式可以制作密度更高阵列。

实施例

对照图1，采用高温共烧多层陶瓷工艺制作的10×10矩阵阳极，包括：可伐封接盘1；可伐引出针2；多层陶瓷基板3；其中，可伐封接盘1为矩阵阳极多层陶瓷基板3与管壳之间的过渡件，其与多层陶瓷基板3为钎焊连接，与管壳部分采用激光焊接或氩弧焊接密封。多层陶瓷基板3位于真空腔体内部表面，真空腔体内部表面上为均匀排布的10×10金属触点阵列4，形成阳极输入阵列，真空腔体外部表面上为均匀排布的10×10引出针2，形成阳极输出阵列。

采用高温共烧多层陶瓷工艺制作微通道板光电倍增管矩阵阳极的方法，包括：

步骤1：按照图2加工尺寸为外径Φ35.5mm，高2.5mm的可伐封接盘1和Φ0.46mm×3.5mm的可伐引出针2，材料均为4J33，并对上述金属零件进行常规的清洗、退火和镀镍处理后待用。

步骤2：根据可伐封接盘1尺寸设计多层陶瓷基板3及10×10输入输出电极图形，其中基板外径为Φ21.8mm,高度为2mm，材料为氧化铝黑瓷；输入电极（真空内部）单元为方形，尺寸为1mm×1mm，单元间间隙为0.3mm，具体排布见2-3；输出电极（真空外部）单元为圆形，尺寸为Φ1.27mm，单元间间隙最小0.5261mm,最大1.27mm，具体排布见图2-1；输入输出电极通过多层陶瓷基板内部印刷走线实现一一对应，对应关系见图3。

步骤3：根据上述设计多层陶瓷基板3结构，并按照高温共烧多层陶瓷工艺流程制作：

(1)配料，将有机粘结剂、陶瓷粉料、溶剂与增塑剂按照5-10%：40-80%：15-30%：5-15%比例混合，加入球磨机中进行球磨，形成具有预定触变性和粘度的流延浆料。

(2)流延，将球磨后的浆料注入流延机浆料槽中，浆料通过刮刀流到基带上，基带传送浆料通过烘干箱形成厚度致密、均匀且具有预定强度和柔韧性的生瓷带。

(3)打孔，根据多层陶瓷基板垂直通孔设计，对生瓷带进行机械式或激光打孔。

(4)填孔，在打过孔的生瓷带上，用金属化浆料将通孔进行填充，以实现垂直方向上的电气互连。

(5)印刷，采用丝网印刷工艺，根据所设计产品的结构，在生瓷带上印刷金属化图形。

(6)叠片与层压，经过填孔与印刷工艺的生瓷带，按照设计的顺序叠放，然后在一定的温度和压力下，形成一个致密、有预定强度的多层陶瓷坯体。

(7)生切，将层压后的生瓷带切割成单个产品。

(8)共烧，将生瓷产品放入烧结炉内，在氢气烧结气氛下，按照设定好的烧结曲线进行加热，以形成致密且具有预定机械强度的熟瓷。

(9)镀覆，采用化学镀在熟瓷表面镀覆一层金属镍。

步骤4：利用封接模具，将制作好的多层陶瓷基板3与可伐封接盘1、可伐引出针2进行高温钎焊。

步骤5：钎焊完成后对可伐封接盘1、可伐引出针2及金属触点阵列4进行镀金，完成矩阵阳极的制作，制作完成后的矩阵阳极可通过氩弧焊或激光焊与光电倍增管管壳体6连接。

以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的范围不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.采用高温共烧多层陶瓷工艺制作的微通道板光电倍增管矩阵阳极，其结构包括，过渡件可伐封接盘、可伐引出针、矩阵阳极多层陶瓷基板；其中，矩阵阳极多层陶瓷基板与管壳体之间是过渡件可伐封接盘，可伐封接盘与矩阵阳极多层陶瓷基板为钎焊连接，可伐封接盘与管壳体采用激光焊接或氩弧焊接密封，矩阵阳极多层陶瓷基板位于真空腔体内部表面为均匀排布的x×x金属触点阵列，形成阳极输入阵列，矩阵阳极多层陶瓷基板位于真空腔体外部表面为均匀排布的x×x引出针，形成阳极输出阵列。

2.根据权利要求1所述的采用高温共烧多层陶瓷工艺制作的微通道板光电倍增管矩阵阳极，其特征是所述的可伐封接盘和多层陶瓷基板可制作成圆形或方形。

3.根据权利要求1所述的采用高温共烧多层陶瓷工艺制作的微通道板光电倍增管矩阵阳极，其特征是所述的矩阵阳极多层陶瓷基板位于真空腔体内部表面为均匀排布的金属触点阵列，金属触点阵列中的单元触点为圆形或方形，同时为保证阳极响应均匀性，单元触点大小及触点间间隙需一致。

4.根据权利要求1所述的采用高温共烧多层陶瓷工艺制作微通道板光电倍增管矩阵阳极的方法，其特征是所述的矩阵阳极多层陶瓷基板位于真空腔体外的输出端可分两种形式，金属触点式或者引出针形式，相对而言，触点形式比引出针形式制作密度更高阵列。

5.如权利要求1所述的采用高温共烧多层陶瓷工艺制作微通道板光电倍增管矩阵阳极的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

（1）准备金属零件，包括可伐封接盘和可伐引出针，并对金属零件进行常规的清洗、退火和镀镍处理后待用；

（2）根据所需真空腔体内外电极图形设计多层陶瓷基板，并按照高温共烧多层陶瓷工艺制作；

（3）将制作好的多层陶瓷基板与可伐封接盘、可伐引出针进行高温钎焊；

（4）钎焊完成后对可伐封接盘、可伐引出针及金属触点阵列进行镀金，完成矩阵阳极的制作，制作完成的矩阵阳极检漏后通过氩弧焊或激光焊与光电倍增管管壳体连接。

6.根据权利要求5所述的采用高温共烧多层陶瓷工艺制作微通道板光电倍增管矩阵阳极的方法，其特征是所述的工艺步骤（2）根据所需真空腔体内外电极图形以及内外电极的对应关系设计多层陶瓷基板，其基板面积≤170×170mm，厚度≤5mm，电极尺寸≥0.2×0.2mm。

7.根据权利要求5所述的采用高温共烧多层陶瓷工艺制作微通道板光电倍增管矩阵阳极的方法，其特征是所述的工艺步骤（2）按照高温共烧多层陶瓷工艺制作，其工艺流程包括：

(1)配料，将有机粘结剂、陶瓷粉料、溶剂与增塑剂按照5-10%：40-80%：15-30%：5-15%比例混合，加入球磨机中进行球磨，形成具有预定触变性和粘度的流延浆料；

(2)流延，将球磨后的浆料注入流延机浆料槽中，浆料通过刮刀流到基带上，基带传送浆料通过烘干箱形成厚度致密、均匀且具有预定强度和柔韧性的生瓷带；

(3)打孔，根据多层陶瓷基板垂直通孔设计，对生瓷带进行机械式或激光打孔；

(4)填孔，在打过孔的生瓷带上，用金属化浆料通孔进行填充，以实现垂直方向上的电气互连；

(5)印刷，采用丝网印刷工艺，根据所设计产品的结构，在生瓷带上印刷金属化图形；

(6)叠片与层压，经过填孔与印刷工艺的生瓷带，按照设计的顺序叠放，然后在一定的温度和压力下，形成一个致密、有预定强度的多层陶瓷坯体；

(7)生切，将层压后的生瓷带切割成单个产品；

(8)共烧，将生瓷产品放入烧结炉内，在氢气烧结气氛下，按照设定好的烧结曲线进行加热，以形成致密且具有预定机械强度的熟瓷；

(9)镀覆，采用化学镀在熟瓷表面镀覆一层金属镍。

8.根据权利要求5所述的采用高温共烧多层陶瓷工艺制作微通道板光电倍增管矩阵阳极的方法，其特征是所述的矩阵阳极多层陶瓷基板，为保证边缘阳极与中心阳极响应均匀性，需在金属触点阵列***空白部分制作与可伐封接盘电连接的金属化区域，并使金属化区域与边缘阳极间隙与中心阳极间隙一致。

9.根据权利要求5所述的采用高温共烧多层陶瓷工艺制作微通道板光电倍增管矩阵阳极的方法，其特征是所述的矩阵阳极多层陶瓷基板位于真空腔体内部表面为均匀排布的金属触点阵列，阵列之间间隙根据多层陶瓷工艺极限为最小0.2mm。