一种低温真空红外探测器的封装方法与流程

1.本发明涉及一种低温真空红外探测器的封装方法，属于半导体技术领域。


背景技术：

2.以insb(锑化铟)为代表的
ⅲ‑ⅴ
族半导体材料红外探测器(以下简称insb红外探测器)和以hgcdte(碲铬汞)为代表的
ⅱ‑ⅵ
族半导体材料红外探测器(以下简称hgcdte红外探测器)广泛应用于红外探测、制导、寻的和热成像。所述insb红外探测器和hgcdte红外探测器工作时需要进行低温制冷(制冷温度要达到77k
±
5k)，以抑制引起噪声的热生自由载流子；同时还需要工作在真空状态，以提高红外探测器的探测灵敏度。为实现所述红外探测器探测所需要的低温和真空状态，通常将红外探测器芯片封装在一种真空容器中，这种真空容器被称为杜瓦，一般用金属材料(如不锈钢)制成，通常以真空管形式出现。红外辐射通过真空管上的窗口(如锗窗)入射到红外探测器芯片上，通过红外探测器芯片进行光电转换，实现红外探测、制导、寻的和热成像。有些红外探测器将制冷器安装在真空管壳体外，有选择性地对真空管内红外探测器芯片进行制冷；有些红外探测器则是将制冷器和红外探测器芯片集成在一起，安装在真空管壳体内，实现对红外探测器芯片进行制冷。
3.无论是insb红外探测器还是hgcdte红外探测器，其制作或加工过程中温度不能太高，如insb红外探测器的制作温度不能超过120℃，hgcdte红外探测器的制作温度不能超过80℃，一旦超过此温度，所述红外探测器都将彻底丧失红外探测的性能，而且是不可逆的。
4.正是由于所述红外探测器制作温度的限制，目前所述红外探测器如hgcdte单元红外探测器、hgcdte焦平面红外探测器、insb单元红外探测器和insb焦平面红外探测器均采用室温真空排气以及冷剪密封的方法实现真空封装。即在真空管上连接一根无氧铜管，通过无氧铜管将真空管和真空焊接工作台相连接，通过真空焊接工作台对真空管内进行真空排气，当真空排气达到真空管所需要的真空度时，用冷剪钳将无氧铜管剪断，利用冷剪钳口的挤压作用将无氧铜管剪口处的内孔密封起来，实现对真空管的真空密封。
5.所述真空密封方法的优点是成本低，工艺简单；缺点是使用冷剪密封，难以避免出现漏孔，封装后的真空管真空保持时间较短，从而影响到所述红外探测器的使用寿命。以一个容积为1.9cm3的真空管为例，即使将真空管的真空度抽至10-8
pa进行密封，封装后即使只有一个漏率为1.9
×
10-12
pa
·
m3/s的微小漏孔(标准漏孔的漏率为1.9
×
10-9
pa
·
m3/s，小于该漏率的漏孔被称为小漏孔，大于该漏率的漏孔被称为大漏孔)，那么经过27.77h，真空管的真空度将会下降至0.1pa,这一真空度已经是hgcdte焦平面红外探测器工作的下限真空度。真空管真空度失效的主要因素：一是真空管的管壁上某处有漏孔，主要是连接处或焊缝处；二是真空管内壁表面有出气，出气量的大小与真空管内壁表面材料、内壁表面的粗糙度有关。实验表明，增加真空管内壁表面的光洁度，可有效降低真空管内壁表面的出气量。然而，对于一次性密封的真空管来说，真空度失效的主要原因是管壁上有漏孔，管壁上少数几个漏孔与管壁内表面的出气叠加，可使一次性密封的真空管密封后数小时内真空度下降到1pa以下。对于大多数进行真空封装的红外探测器而言，真空管真空度下降会严重影响探测
器的使用寿命。
6.另一种应用于所述红外探测器封装的技术是储能焊。储能焊是利用把电荷储存在一定容量的电容里，使焊炬通过焊材与工件瞬间以每秒2次～3次的高频脉冲放电，从而使焊材与工件在瞬间接触点部位达到冶金结合的一种焊接技术，其优点是不会产生大面积高温。储能焊的缺点是施焊时无法达到像电弧焊那样的熔池，无法使工件施焊位置达到100％的饱和焊接，所以会形成一定的密布整个焊层的孔隙位置，表现为焊层密布针孔状砂眼，因此，这种焊接技术无法实现真空密封。
7.激光焊接技术是通过激发电子或分子使其在转换成能量的过程中产生集中且相位相同的光束，这种光束被高度集中以提供焊接、切割及热处理等所需要的能量。激光焊接技术属于熔融焊接，其优点是可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。激光焊接技术具有熔池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。现有适用于真空圆周焊接、真空端面焊接和平面焊接的激光密封焊接技术。但还没有适用于真空低温红外探测器、焊接过程中需要解决真空管内探测器芯片免受高温冲击、且要求高真空密封焊接的技术问题。


技术实现要素：

8.为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种低温真空红外探测器的封装方法，可实现低温真空红外探测器的真空封装，有效减少真空管的漏孔，延长低温真空红外探测器的真空保持时间。
9.为实现本发明的目的，提供以下技术方案。
10.一种低温真空红外探测器的封装方法，所述方法适用于工作温度范围为77k
±
5k，真空条件下使用的红外探测器，优选所述红外探测器为insb红外探测器或hgcdte红外探测器。
11.所述方法采用封装所述红外探测器芯片的真空管主要包括金属壳体和金属底座。
12.所述壳体带有锗窗，所述壳体底部边缘外周设有壳体外缘，壳体内部空间用于装载红外探测器芯片。所述底座上表面凸起为装载面，用于安装红外探测器或安装红外探测器和制冷器，所述底座上还有用于引出探测器芯片和制冷器电极的管脚，所述底座装载面底部外周设有底座外缘。
13.优选所述真空管为圆柱体真空管，底座外缘和壳体外缘为外径相同的圆形。
14.所述封装方法步骤如下：
15.(1)将所述壳体除锗窗外的内表面，以及所述底座上的装载面进行抛光处理，经抛光处理后所述内表面和所述装载面的粗糙度ra≤0.4μm。
16.所采用的抛光处理方法为现有技术中金属材料领域的表面抛光处理方法。
17.(2)在抛光处理后的所述内表面和所述装载面上涂敷一层热固性聚酰亚胺溶液，利用聚酰亚胺溶液的粘附性将氧化铝纤维布粘贴在聚酰亚胺涂敷面上，将表面抹平后按照聚酰亚胺的固化条件进行加热固化，在所述内表面和所述装载面上制备得到聚酰亚胺层和氧化铝纤维布层构成的绝热膜层。
18.优选所述聚酰亚胺溶液为美国杜邦公司生产的sp-21。
19.优选绝热膜层的厚度为350μm～400μm。
20.(3)在步骤(2)制得的绝热膜层表面镀制一层钝化膜，使钝化膜完全覆盖绝热膜层，形成钝化膜层。
21.钝化膜采用的材料为二氧化硅(sio2)或三氧化二铝(al2o3)。
22.镀制采用现有技术中常规二氧化硅(sio2)或三氧化二铝(al2o3)薄膜的镀制方法，例如真空蒸镀或沉积镀膜法等。
23.优选钝化膜层的厚度为10μm～50μm。
24.(4)在制备有绝热膜层和钝化膜层的所述的装载面上安装红外探测器芯片或安装红外探测器芯片和制冷器，将红外探测器芯片的电极、制冷器的电极与相关管脚进行键合，将所述壳体和所述底座一并放置在真空焊接工作台的腔室中，真空排气，待排气至密封所需要的真空度，通过真空焊接工作台中的机械装置将所述壳体扣放在所述底座的装载面，壳体外缘和底座外缘相匹配，所述外缘之间的缝隙为焊缝；将真空焊接工作台的腔室外的激光器的能量通过真空焊接工作台腔壁上的窗口引入到焊缝上，通过真空焊接工作台中的机械装置转动装配好的所述壳体和所述底座，对焊缝进行激光熔融焊接，同时用一导热刷将焊缝处产生的热量传导至真空腔室外，实现真空密封封装。
25.为了满足所述红外探测器芯片的制作温度要求，如hgcdte红外探测器的芯片制作温度不能超过80℃；所述激光熔融焊接的条件为：激光峰值功率为1.1kw，激光脉冲宽度为0(100％)～2(100％)～10(0％)毫秒，焊接频率为4hz，焊接速度为1mm/s。
26.有益效果
27.1.本发明提供了一种低温真空红外探测器的封装方法，所述封装方法步骤(1)中，抛光处理的目的是减小真空密封后真空管内表面的出气量，经抛光处理后的真空管内表面粗糙度越小越好。
28.2.本发明提供了一种低温真空红外探测器的封装方法，所述封装方法步骤(2)中，绝热膜层的作用是为了防止进行焊接时对红外探测器芯片造成的高温冲击损坏；因此绝热膜层的材料和厚度根据要保护的红外探测器芯片允许的制作温度、真空管焊接时的工作温度而定，材料由聚酰亚胺层和氧化铝纤维布层构成，为导热系数≤0.2w/(m
·
k)、高真空下放气量少、热固性较好的材料，厚度优选为350μm～400μm。以hgcdte红外探测器为例，其芯片允许的制作温度不能超过80℃，不锈钢真空管焊接时温度可达1450℃，选用聚酰亚胺层和氧化铝纤维布层构成的绝热膜层，厚度为350μm～400μm，即可在1450℃进行激光焊接真空管时，保持红外探测器芯片上的温度不超过80℃。
29.3.本发明提供了一种低温真空红外探测器的封装方法，所述封装方法步骤(3)中，制备钝化膜层是为了减少真空管密封后真空管壳体内壁的出气量；钝化膜的材料选择sio2或al2o3，均为密度较大且出气率较低的材料，可采用真空蒸镀、沉积镀膜法镀制钝化膜层，钝化膜层的厚度以既能够覆盖绝热膜层、又能较好附着在绝热膜层上为宜；当绝热膜层厚度为350μm～400μm时，则钝化膜层的厚度以10μm～50μm为宜。
30.4.本发明提供了一种低温真空红外探测器的封装方法，所述封装方法步骤(4)中，采用真空排气和激光熔融焊接，可实现低温真空红外探测器的真空封装，有效减少真空管的漏孔，从而延长低温真空红外探测器的真空保持时间；为了满足所述红外探测器的芯片的制作温度要求，如hgcdte红外探测器的芯片制作温度不能超过80℃，所述激光熔融焊接的条件为：激光峰值功率为1.1kw，激光脉冲宽度为0(100％)～2(100％)～10(0％)毫秒，焊
接频率为4hz，焊接速度为1mm/s。
31.5.本发明提供了一种低温真空红外探测器的封装方法，所述封装方法可在避免封装焊接过程中高温对红外探测器芯片造成温度冲击的同时，实现对本发明所述的红外探测器的真空密封；所述封装方法可有效减少封装后真空管内壁的出气量，有效减少真空管封装处的漏孔，从而延长低温真空红外探测器的真空保持时间。
附图说明
32.图1为实施例中所述真空管壳体的主视剖面图。
33.图2为实施例中所述真空管底座的主视剖面图。
34.图3为实施例中所述真空管底座的俯视图。
35.图4为实施例中一种低温真空红外探测器的封装方法中的真空排气和激光熔融焊接示意图。
36.其中，1—壳体，2—锗窗，3—壳体外缘，4—底座，5—装载面，6—底座外缘，7—管脚，8—绝热膜层，9—钝化膜层，10—腔室，11—窗口，12—焊缝，13—激光器
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定。
38.为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
39.以下实施例中，所采用的真空焊接工作台为：深圳市联赢激光股份有限公司的ylr－500－mm型真空焊接工作台。
40.实施例1
41.一种真空低温红外探测器的封装方法，所述方法适用于单元hgcdte红外探测器。
42.所述方法采用封装所述红外探测器芯片的真空管为不锈钢壳体1和可伐(4j29)底座4构成的圆柱体真空管。如图1所示，所述壳体1为圆柱体，带有锗窗2，所述壳体1底部边缘外周设有壳体外缘3，壳体1内部空间用于装载红外探测器芯片，壳体1外径为13mm，壳体1壁厚为0.5mm，壳体1高度为10mm，锗窗2直径为4.5mm，壳体外缘3直径为15mm。如图2和3所示，所述底座4上表面凸起为装载面5，所述底座4的装载面5底部外周设有底座外缘6，整个底座4为24针式管脚7的圆盘，所述管脚7用于与红外探测器芯片的电极、制冷器的电极进行键合。底座外缘6和壳体外缘3为外径相同的圆形。
43.所述封装方法步骤如下：
44.(1)将所述壳体1除锗窗2外的内表面，以及所述底座4上的装载面5进行抛光处理，经抛光处理后所述内表面和所述装载面5的粗糙度ra≤0.4μm。
45.(2)在抛光处理后的所述内表面和所述装载面5上涂敷一层热固性聚酰亚胺溶液，利用聚酰亚胺溶液的粘附性将一层厚度为350μm的氧化铝纤维布(国产氧化铝纤维(550)布，中国科学院上海硅酸盐研究所研制)粘贴在聚酰亚胺涂敷面上，将表面抹平后按照聚酰亚胺的固化进行加热固化，在所述内表面和所述装载面5上制备得到聚酰亚胺层和氧化铝纤维布层构成的绝热膜层8；所述聚酰亚胺溶液为美国杜邦公司生产的sp-21；所述绝热膜层8的厚度为400μm。
46.(3)在步骤(2)制得的绝热膜层8表面镀制一层钝化膜，使钝化膜完全覆盖绝热膜层8，形成钝化膜层9；钝化膜层9的厚度为50μm。
47.钝化膜采用的材料为二氧化硅(sio2)。
48.钝化膜采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)法镀制，反应气体为硅烷和氧气，气压为10pa，射频功率为500w，镀膜时间为60min。
49.(4)在制备有绝热膜层8和钝化膜层9的所述底座4的装载面5上安装红外探测器芯片或安装红外探测器芯片和制冷器，将红外探测器芯片的电极、制冷器的电极与相关管脚7进行键合，将所述壳体1和所述底座4一并放置在真空焊接工作台的腔室10中，真空排气，待排气至密封所需要的真空度(1
×
10-5
pa)，通过真空焊接工作台中的机械装置将所述壳体1扣放在所述底座4的装载面5上，壳体外缘3和底座外缘6相匹配，所述外缘之间的圆形缝隙为焊缝12，如图4所示；将真空焊接工作台的腔室10外的激光器13的能量通过真空焊接工作台腔壁上的窗口11引入到焊缝12上，通过真空焊接工作台中的机械装置转动装配好的所述壳体1和所述底座4，对圆形焊缝12进行激光熔融焊接，同时用一导热刷将焊缝12处产生的热量传导至真空腔室10外，实现真空密封封装。
50.为了满足所述红外探测器芯片的制作温度要求，(本实施例中所述红外探测器为hgcdte红外探测器，其芯片的制作温度不能超过80℃)，所述激光熔融焊接的激光峰值功率为1.1kw，激光脉冲宽度为0(100％)～2(100％)～10(0％)毫秒，焊接频率为4hz，焊接速度为1mm/s。
51.实施例2
52.一种真空低温红外探测器的封装方法，所述方法适用于单元hgcdte红外探测器。
53.所述方法中封装所述红外探测器芯片的真空管管壳内壁、底座4的装载面5上的绝热膜层8用聚酰亚胺薄膜代替实施例1中的氧化铝纤维布，即用聚酰亚胺溶液粘接一层聚酰亚胺薄膜，并按照聚酰亚胺的固化进行加热固化而成。聚酰亚胺薄膜为杜邦kapton耐高温pi膜，膜厚为400μm。其余部分与实施例1中相同。
54.测试
55.(1)为了检验绝热膜层8在真空管进行激光密封焊接中对红外探测器芯片的温度保护作用，在实施例1和2中在镀制有“绝热膜层8 钝化膜层9”的真空管底座4上粘贴一片thermax热敏感测温纸，测温范围：77℃～88℃。然后将真空管的管壳和底座4按照本实施例中所述的激光焊接方法实施焊接。焊接后，底座4上的测温纸未变色，证明激光密封焊接时底座4的装载面5处的温度未超过80℃。
56.(2)为了检验激光焊接技术对实施例1和2中真空管的密封作用，制备对照管壳，对照管壳无锗窗2，其余与本实施例1和2中所述管壳完全相同，将对照管壳和实施例中的底座4组成真空管，简称对照真空管。向实验真空管内充入氦气或氦气与空气的混合气体，氦气或氦气与空气的混合气体的压强保持为大气压强即可，按照实施例1和2中所述的激光焊接参数对对照真空管进行焊接。焊接后，对照真空管形成一个密闭的真空管，管内贮有氦气或氦气与空气的混合气体。
57.用测压检漏方法(由内而外)对照真空管进行漏率检验，使用一台agilent vsmd30型宽量程氦质谱检漏仪，最小可测量漏率为5
×
10-13
pa
·
m3/s。检漏结果表明，对照真空管的漏率为6.7
×
10-10
pa
·
m3/s。满足现有技术中单元hgcdte红外探测器真空管的密封要求。
58.所述测压检漏方法(由内而外)：在这种方法中，使用氦气或氦气与空气的混合气体向零件充压。将充压的零件置于容器中，然后通过检漏仪将容器抽空。零件中漏出的全部氦气被检漏仪捕获并量化。这种检漏方法称为测压检漏方法(由内而外是指氦气由零件内部向外泄漏)。