低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构的制作方法

本发明属于制冷型红外焦面，尤其涉及一种低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构。

背景技术：

1、红外焦面的杜瓦封装结构用于为红外探测器提供真空、低温的工作环境，同时实现对探测器的支撑及探测器与外界的光、电、热交互。随着技术的进步，空间红外相机的发展呈现出大幅宽、高探测器灵敏度的特点，这要求其焦面具有更大的像元规模、更低的工作温度以及更高的力、热稳定性。因此，高精度、低热串扰、集成式的焦面杜瓦封装结构对于提高红外相机的幅宽和探测灵敏度有着重要意义。

2、由于结构形式与温度分布的复杂性，现有的红外焦面杜瓦封装结构通常存在三方面的问题：一是各部、组件材料不同，其热特性存在差异，在低温、阶梯温条件下，探测器芯片粘接处易产生较大的热应力和热变形；二是温度梯度较大的结构件存在热串扰，这增加了探测器的漏热量，降低了其温度稳定性；三是焦面杜瓦结构的集成度不高，体积、重量相对都较大。

3、对于第一方面的问题，当前采用较多的是“复合平衡层技术”。李言谨等在《碲镉汞红外焦平面器件热失配应力研究》一文中通过在探测器封装结构中采用因瓦或可阀层来降低热失配；美国的teledyne公司也在其h2rg碲镉汞红外焦面的杜瓦封装结构中加入钼合金层来实现冷台叠层结构的热匹配。但当前国内外所用到这种“复合平衡技术”都未能给出材料线胀系数的匹配方法，且具有精准线胀系数的平衡层的材料供货渠道难以保证。

4、对于第二个问题，陈芳等在《大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构设计》一文中采用玻璃纤维束支撑探测器冷台，实现了低漏热，但该种结构形式所能承受的负载重量较小；美国的teledyne公司研制的hxrg红外焦平面采用钛合金柔性结构支撑大规模面阵拼接冷台，但其在保证支撑刚度的条件下，冷板的漏热量相对较大。

5、对于第三个问题，美国的teledyne公司通过采用拓扑优化设计、高轻量化材料以及模块化封装等措施来减小封装杜瓦的体积与重量，但对于大规模拼接焦面，这些措施减少体积与重量的效果有限。

6、由此可见，现有杜瓦封装结构不能同时具备高精度、低热串扰、高集成度三方面的性能，无法满足大规模、低温红外焦面的工作需求。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构，适用于大规模、低温的红外焦面。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构，包括：冷台、冷台支撑柱、双介质层叠隔热组、制冷机法兰、冷窗座、制冷机冷指、二维柔性冷链和隔热垫；

3、冷台通过冷台支撑柱与制冷机法兰连接；其中，冷台与冷台支撑柱之间、以及冷台支撑柱与制冷机法兰之间均设置有双介质层叠隔热组；

4、制冷机法兰与制冷机冷指通过焊接实现连接与密封；

5、制冷机冷指与冷台通过二维柔性冷链耦合；

6、冷窗座和制冷机法兰之间设置有隔热垫；其中，冷窗座、隔热垫和制冷机法兰三者串联。

7、在上述低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构中，制冷机法兰、制冷机冷指和冷窗座三者共同形成杜瓦密封腔。

8、在上述低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构中，冷台为层叠式结构，包括：冷板、过渡基板、拼接基板、补偿板和芯片；

9、冷板中心开槽；补偿板嵌入在冷板的中心槽内，并与过渡基板的一侧粘接；

10、拼接基板与过渡基板的另一侧粘接；

11、芯片粘接在拼接基板表面。

12、在上述低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构中，

13、补偿板与拼接基板的材料相同；

14、冷板采用材料线胀系数可定制的殷钢材料制备得到；冷板的材料线胀系数大于过渡基板的材料线胀系数，使低温下层间线胀系数差异引起的冷台变形与冷台支撑柱约束反力引起的冷台变形相互抵消。

15、在上述低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构中，冷台支撑柱采用钛合金材料制备得到，结构形式为薄壁管状结构，通过改变薄壁管的外径和壁厚，对冷台支撑柱的刚度和热阻进行调整。

16、在上述低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构中，双介质层叠隔热组为由数量相同的薄金属垫片和薄非金属垫片交错层叠而成的组合体。

17、在上述低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构中，还包括：橡胶密封圈；其中，制冷机法兰的安装面上加工有1个密封槽a和多个圆环形薄凸台a；冷窗座的安装面上加工有1个密封槽b和多个圆环形薄凸台b；密封槽a和密封槽b内均装有橡胶密封圈；冷窗座、隔热垫和制冷机法兰三者通过螺钉串联连接，通过螺钉压力将橡胶密封圈压紧，形成双层橡胶密封圈式的密封隔热结构。

18、在上述低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构中，二维柔性冷链的两个端头的材料为紫铜；二维柔性冷链的中间段采用石墨烯膜层叠而成，外形弯成倒ω形。

19、在上述低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构中，隔热垫采用聚酰亚胺材料制备得到。

20、在上述低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构中，通过对冷台支撑柱的横截面尺寸以及冷板的材料线胀系数进行调整，使低温下冷台支撑柱约束反力引起的冷台变形与冷台的叠层间线胀系数差异引起的冷台变形相互抵消，实现对拼接焦面低温下光敏面平面度的优化。

21、本发明具有以下优点：

22、本发明公开了一种低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构，同时具备像面变形小、漏热量少、温度稳定性好、集成度高等特点，适用于大规模、低温红外探测器的封装。

1.一种低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构，其特征在于，包括：冷台(1)、冷台支撑柱(2)、双介质层叠隔热组(3)、制冷机法兰(4)、冷窗座(5)、制冷机冷指(6)、二维柔性冷链(7)和隔热垫(8)；

2.根据权利要求1所述的低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构，其特征在于，制冷机法兰(4)、制冷机冷指(6)和冷窗座(5)三者共同形成杜瓦密封腔。

3.根据权利要求1所述的低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构，其特征在于，冷台(1)为层叠式结构，包括：冷板(10)、过渡基板(11)、拼接基板(12)、补偿板(13)和芯片(14)；

4.根据权利要求3所述的低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构，其特征在于，冷台支撑柱(2)采用钛合金材料制备得到，结构形式为薄壁管状结构，通过改变薄壁管的外径和壁厚，对冷台支撑柱(2)的刚度和热阻进行调整。

6.根据权利要求1所述的低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构，其特征在于，双介质层叠隔热组(3)为由数量相同的薄金属垫片(15)和薄非金属垫片(16)交错层叠而成的组合体。

7.根据权利要求1所述的低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构，其特征在于，还包括：橡胶密封圈(9)；其中，制冷机法兰(4)的安装面上加工有1个密封槽a和多个圆环形薄凸台a；冷窗座(5)的安装面上加工有1个密封槽b和多个圆环形薄凸台b；密封槽a和密封槽b内均装有橡胶密封圈(9)；冷窗座(5)、隔热垫(8)和制冷机法兰(4)三者通过螺钉串联连接，通过螺钉压力将橡胶密封圈(9)压紧，形成双层橡胶密封圈式的密封隔热结构。

8.根据权利要求1所述的低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构，其特征在于，二维柔性冷链(7)的两个端头的材料为紫铜；二维柔性冷链(7)的中间段采用石墨烯膜层叠而成，外形弯成倒ω形。

9.根据权利要求1所述的低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构，其特征在于，隔热垫(8)采用聚酰亚胺材料制备得到。

10.根据权利要求3所述的低温红外焦面高精度、低热串扰、集成式杜瓦封装结构，其特征在于，通过对冷台支撑柱(2)的横截面尺寸以及冷板(10)的材料线胀系数进行调整，使低温下冷台支撑柱(2)约束反力引起的冷台(1)变形与冷台(1)的叠层间线胀系数差异引起的冷台变形相互抵消，实现对拼接焦面低温下光敏面平面度的优化。