红外探测器高精度低温钎焊引线环设计

MEMS 2023-11-30 00:02

引线环是制冷型红外探测器(以下简称探测器)的电学接口,用于实现探测器与系统的电学输入和输出。传统引线环主要由上金属环、下金属环和陶瓷圆环三部分构成(如图1所示)。

图1 传统引线环结构示意图

据麦姆斯咨询报道,近期,华北光电技术研究所的科研团队在《激光与红外》期刊上发表了以“红外探测器高精度低温钎焊引线环设计”为主题的文章。该文章第一作者为赵璨。

针对制冷型红外探测器引线环高精度定位的需求,本文设计了一种低温钎焊引线环,研究了引线环的制备工艺。选取具有高强度、低熔点的金锡钎料,在350 ℃以下焊接引线环的金属件与陶瓷件。通过研究钎焊温度和保温时间对焊缝质量与漏率的影响,成功制备了具有高气密性的高精度引线环。

引线环设计

结构设计

传统的引线环由于其圆环形的结构,插针和焊盘的位置为固定值,难以进行探测器轴向方向的位置调节。如图2和图3所示,本文的引线环由金属环与两个矩形陶瓷构成,金属环设计为法兰结构,用于探测器的安装与定位,内部设计两个方形通孔,用于矩形陶瓷的装配与焊接。矩形陶瓷插入到金属环的方形孔中,构成十字形焊接接头。十字形焊接接头可以通过调节矩形陶瓷的上下位置来改变插针和焊盘的位置,以适应不同位置的电学接口。

图2 引线环定位方式示意图

图3 引线环十字形焊接接头示意图

为保证钎料熔化后可以通过毛细作用充分填充到母材间隙之中,矩形陶瓷与金属环之间设计合理的间隙值。

矩形陶瓷的一端为焊盘,侧面设计为插针,两者之间的夹角为90°。插针尺寸为标准尺寸,其排列形式为“品字形”分布,横向间距与纵向间距均为标准间距。焊盘可以通过引线键合工艺与内部电学零件连接,插针通过锡焊工艺与外部接插件连接。

综上,本文的引线环兼具电学引出与高精度定位两种功能,实现了电学接口位置的可调节。

材料选择

氧化铝陶瓷因其高强度、刚度以及良好的电绝缘性能而广泛应用于引线环的制作当中。这种材料已经在探测器上已经得到过充分验证,因此本文将矩形陶瓷的材料选定为氧化铝陶瓷,其主要性能参数如表1所示。

表1 氧化铝陶瓷的主要性能参数

金属环的可选材料主要有钛合金、不锈钢和可伐合金。钛合金密度低,比强度高,耐腐蚀性好,但焊接性差,难以进行低温钎焊;不锈钢强度、刚度高,成本低廉,适用性广泛;可伐合金具有与氧化铝陶瓷相近的热膨胀系数,较高的强度、刚度等优点。表2为钛合金、不锈钢和可伐合金的热膨胀系数和弹性模量,对比几种材料的热膨胀系数,可伐合金的热膨胀系数与氧化铝陶瓷极为接近,可以大幅度降低两者焊接时的热应力,因此金属环的材料选取可伐合金。此外,在可伐合金表面镀镍以提高引线环的耐腐蚀性。

表2 几种材料的性能参数

工艺研究

针对传统引线环高温钎焊过程中焊接热应力导致的形变以及电镀导致的尺寸精度降低,本文改进引线环制备的工艺流程,焊接前完成金属环的电镀,之后通过低温钎焊焊接矩形陶瓷。

金锡钎料是一种共晶钎料,具有对镀金层无溶蚀、对镀金层的润湿性良好、焊接接头强度高及较低的熔点等一系列优点,已经广泛应用于高可靠镀金器件的无钎剂钎焊和气密性封装中,其性能参数如表3所示。本文使用金锡钎料焊接金属环与矩形陶瓷,钎料采用的预成型焊料片。

表3 金锡钎料的主要性能参数

为增加金锡钎料对母材的浸润性,金属环与矩形陶瓷的焊接接头处局部镀金处理。为保证引线环的定位精度,金属环机械加工时预留出镀层厚度,然后在金属环表面电镀。

钎焊温度和保温时间是影响钎焊焊缝质量的重要参数,本文将将钎焊温度设为310 ℃和330 ℃,保温时间设置在一定区间内。将完成电镀后的金属环、矩形陶瓷和钎料装配,通过专用夹具固定,放入真空钎焊炉中,焊接温度曲线如图4所示。

图4 引线环钎焊温度曲线

图5为焊接完成后的引线环。测量引线环的电学性能,结果均满足引线环电导通和电绝缘的性能指标;测量引线环定位面的尺寸,结果均满足精度要求,后面不再赘述。使用光学显微镜拍摄引线环的钎焊焊缝,观察焊缝表面形貌;使用氦质谱检漏仪检测引线环的漏率。

图5 引线环实物图

结果与分析

焊缝表面形貌

不同焊接参数下的焊缝表面形貌如图6所示。如图6(a)~(c)所示,310 ℃时在不同保温时间下金锡钎料均未顺利铺展,焊缝区域均存在不同数量的气孔。这是因为在真空钎焊炉中熔化钎料所需的热量主要来源于引线环的热传导,焊缝与真空钎焊炉之间存在一定的温度梯度,在此钎焊温度下与保温时间,没有足够的热量传递到焊缝处,导致钎料未完全熔化。

图6 不同焊接参数下的焊缝表面形貌

330 ℃下保温不同时间的焊缝表面形貌如图6(d)~(f)所示,当保温时间不足时,钎料未顺利铺展,焊缝区域存在一定数量的气孔;保温时间延长一定时间后,焊缝区域的气孔消失,钎料在焊缝区域铺展均匀、填充饱满,焊缝形貌良好;随着保温时间的继续延长,钎料呈现出凝固堆积的现象。图7为AuSn二元相图,AuSn二元合金在在共晶点附近随着Au成分的增加,熔点迅速提高。由于保温时间的延长,镀金层中的Au扩散至金锡钎料之中,导致钎料的熔点迅速升高凝固,因此保温时间不宜过长。

图7 AuSn二元合金相图

根据上述分析,可以得知在钎焊温度为330 ℃,保温时间适中时焊接的引线环焊缝形貌良好,钎料在焊缝区域铺展均匀、填充饱满,符合设计预期。

引线环的漏率分析

不同参数下制备的引线环的漏率如表4所示,其漏率随着焊缝质量的提高而减小。在钎焊温度为330 ℃,保温适当时间时的漏率≤10⁻¹¹ atm·cc·s⁻¹,可以满足探测器的高真空、长寿命密封要求。

表4 引线环漏率

结论

本文针对探测器的高精度定位需求设计了一种新型引线环,并进行了工艺研究,得出以下结论:

(1)本文的引线环兼具电学引出与机械定位两种功能,在焊接工艺过程中调节矩形陶瓷的位置实现电学接口的位移;

(2)选取具有高强度、低熔点的金锡钎料低温钎焊引线环的金属件与陶瓷件,大幅度降低了热应力导致的变形;

(3)研究了钎焊温度和保温时间对焊缝表面形貌及引线环漏率的影响,在选择合适的工艺参数时获得表面形貌良好的焊缝,此时引线环的漏率≤10⁻¹¹atm·cc·s⁻¹,满足探测器的密封要求;

(4)在保证引线环电学性能、力学性能和密封性能的同时将引线环的机械尺寸精度由0.1 mm提升至0.02 mm,实现了引线环的高精度定位功能。

论文链接:

DOI: 10.3969/j. issn. 1001-5078.2023.09.009

MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论 (0)
  • 「啪」!一碰就「来电」?说起静电,想必大家并不陌生,静电是我们日常生活中常见的一种现象,通常是由于物体之间的摩擦而产生的。例如,当我们脱下带有合成纤维的衣物时,布料与皮肤之间的摩擦可能会导致电荷的累积。同样地,当走在干燥的地毯上时,鞋底与地面的摩擦也可能引起静电的产生。须特别注意的是,当身体带有静电电荷时,一旦触摸电子产品即有可能会导致电荷的传递,进而可能对设备造成损害。电子产品通常包含敏感的电子组件,这些组件对静电非常敏感。即使静电放电可能以微弱到肉眼不可见的形式存在,但却足以引起电子组件的故
    百佳泰测试实验室 2024-02-29 15:14 94浏览
  • 近日,OpenAI发布的基于Transformer架构的文生视频Sora,可谓是在AI圈掀起新的热潮。该模型具有强大的视频生成能力,可产生高达一分钟的高清视频,并且用户可以自由指定视频时间长度、分辨率和宽高比。据OpenAI的观点,Sora的诞生可能预示着物理世界通用模拟器的重大突破。360集团创始人兼董事长周鸿祎在2024年亚布力中国企业家论坛第二十四届年会上分享了其对Sora模型的观察。“Sora的推出预示AI视频生成能力的突破,不仅推动了AI的发展,而且为企业的未来指明新的发展方向。通用人
    高性能服务器 2024-02-29 11:54 75浏览
  • 上个月底,也就是10月29日,脸书(Facebook)创始人扎克伯格宣布了“Facebook, Inc.”改名为“Meta Platforms, Inc.”,掀开了All in Metaverse(元宇宙)的大幕,从社交平台转向一个专注于虚拟现实的新兴计算平台。恰逢其时,10月28日下午电子圈创始人江帮主邀请豪微研究院院长孔华威和亿境EmdoorVR创始人石庆做了元宇宙主题的线上分享会,对我很有启发。我找到了一张可以概括元宇宙六大支撑技术的图(图源:中译出版社《元宇宙通行证》):交互技术方面,恰
    拍明芯城 2024-02-29 10:45 88浏览
  • 电池监测和矿石能耗监测在实现上的异同点主要表现在以下几个方面:相同点:数据采集:两者都需要对目标对象(电池或矿石能耗设备)进行数据采集,包括电压、电流、温度、功率等关键参数。数据处理与分析:采集到的数据需要经过处理和分析,以提取有用的信息,如电池的健康状态、剩余电量或矿石能耗设备的能效、运行状态等。预警与控制功能:两者都可以设定一定的阈值,当监测到的数据超过或低于这些阈值时,系统会发出预警,并采取相应的控制措施,以防止设备损坏或能耗过高。不同点:监测对象:电池监测主要针对的是电池组或单个电池的性
    丙丁先生 2024-02-29 12:08 76浏览
  • 常见充电桩有直流充电桩、交流充电桩、交直流充电桩等。涉及到的芯片或零组件包括充电模块、显示模块、线缆、主控板及元器件、接触器、断路器、继电器、外壳、插头插座等。1、充电桩成本构成:充电模块(30kW单个约2000元)、充电枪线(5米约5000元)、主控板(约1500元)、显示模块+通讯模块+壳体+线束+继电器(整体300元/kW,售价400元/kW);2、800V高压充电桩相对于400V升级:单800V升压内部结构不升级;高功率高电流要做分体机,耐高压高电流线束继电器、软件系统升级,若用液冷成本
    拍明芯城 2024-02-29 10:54 76浏览
  • 2024年初被“尔滨”和各地文旅刷屏大家是不是也坐不住了?祖国山河广袤辽阔却也气候多变从炎热沙漠到寒冷极地从湿润雨林到干燥草原看欧司朗车灯如何征服前路01驰骋雪域冰封极寒,如何“手拿把掐”?欧司朗车灯给出“稳定答案”“极寒酷暑”严峻考验恶劣环境稳定发挥零下40℃低温运行毫无压力让“冰雪嬉戏”变得“触手可及”尽情享受冰雪的魅力02恣意山河山河壮阔,怎能被黑暗淹没?欧司朗车灯划破夜的寂寥实验室震动测试挑战轻松通过耐用值UP UP!再颠簸路况亦能探索自由与浪漫天地山河尽情释放激情03点亮时间探寻古迹遗
    艾迈斯欧司朗 2024-02-29 17:20 78浏览
  • 对于数据的存储落盘来说,占据绝大部分存储空间的数据来自于相机传感器,特别是当前的数采需求可能需要6-8个800M像素的相机采集,进行RAW数据落盘。举个例子在以非RAW格式,比如YUV422 8bits,在3840×2160(800M)分辨率下以30fps进行拍摄:3840 × 2160 × 16 / 8 ×30 / 1024^2 = 475MB/s,近500MB/s的带宽需求,在搭载多个800M相机以及其他传感器的情况下,一辆数采车可以轻易达到5TB/小时的落盘需
    康谋 2024-02-29 14:49 64浏览
  • 前不久,一个朋友聊天中提及家里的猫毛和灰尘太多,双11入手了一台松下扫地机器人,没选我所推荐的戴森、科沃斯、石头和小米。扫地机器人真的好用么?有哪些芯片方案?从行业数据来看,扫地机器人渗透率在美国约为15%,在日本和欧洲约为10%左右,而在我国沿海地区渗透率仅为4%-5%,内陆仅为0.5%。尽管渗透率低,但2020年中国扫地机器人销量达600万台,销售额94.1亿元。由此可见,扫地机器人的市场前景是非常广阔的。《2021年扫地机器人市场发展白皮书》显示,2021年上半年,国内扫地机器人的零售量为
    拍明芯城 2024-02-29 10:51 78浏览
  • 爱车知多少?你是不是也有过这样的经历:晚上驾车,对面来车的“远光灯”让你瞬间“失明”?急转弯时,车灯突然不亮了,吓出一身冷汗!车灯,看似车上很小的一部分,但却是一辆车的“眼睛”,对于行车安全至关重要。对于爱车的“双眼”你了解多少呢?车灯是否需要更换,如何判断车灯状况,如何挑选合适的车灯……今天,就让我们一起探索这双大眼睛的秘密!一关注车灯,守护行车安车灯,作为车辆的“双眼”,不仅担负着照亮前行道路的职责,还承载着与周围其他车辆和行人进行信息交流的重要功能。如果在夜间驾驶时,车灯亮度过暗或突然发生
    艾迈斯欧司朗 2024-02-29 17:00 75浏览
  • 随着科技的不断发展,各种高频/高速的电子产品亦不断推陈出新,而高频传输线的延迟问题,便已成为现代通信和电子领域中极为重要的挑战。当高频率数据的传输需求不断增长,延迟首当其冲是个显著的障碍,直接影响通信速度、数据的准确性和整体性能,这些延迟所带来的深远影响这意味着在未来,若要使设备在通信和数据传输中实现优异表现,必须将延迟问题彻底解决,而这将是一个相当艰巨的课题。信号延迟示意图及可能产生的问题传输延迟导致的潜在风险传输延迟可能带来一系列的潜在风险,从个人生活到商业和社会体系的运作都可能受到影响,当
    百佳泰测试实验室 2024-02-29 14:44 99浏览
  • 在人手一机、智能装置满屋的时代,充电线成为必备的日常用品,而几经规格革命的充电线,目前也已渐走向统一Type-C规格的趋势,USB充电线变身一般通路上最热销的产品,在百家争鸣的红海市场中,若要保有竞争力,产品自然需要不断创新与优化,但是在效能之外,也要确保产品的耐用性及安全性,才能让消费者买的放心、用的安心。USB充电线应用安全风险与解决方案睡前充电早已是现代人的例行公事,您是否也有过类似的经验?充电线在长时间使用的过程中,受到弯曲或是扭转的力量影响,导致芯线断裂或破损,因而出现信号质量变差,甚
    百佳泰测试实验室 2024-02-29 14:01 98浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦