探测电磁辐射部件，含其的红外光学成像单元及实现过程

摘要

这种用于探测电测辐射，具体的为红外辐射的部件，包括称之为主要外壳的真空或低压外壳(5)，外壳的一个侧面(3)包括对要探测的辐射透明的窗口(4)，至少一个设置在所述外壳内部的实际的探测器(6)大致与透明的窗口(4)相对，及意在维持所述外壳(5)内部的真空在可接受的水平的抽吸残余气体的装置(13)或吸气剂，其设置在次要外壳(20)的内部，次要外壳排列在主要外壳(5)的外部并与后者自由地连通。

权利要求

1.一种用于探测电磁辐射的部件，其包括真空或低压外壳(5)，称为主要外壳，主要外壳的一个侧面(3)包括对要探测的辐射透明的窗口(4)，至少一个实际的探测器(6)设置在所述主要外壳的内部，其大致与透明的窗口(4)相对，及吸气剂，其意在维持所述主要外壳(5)内部的真空在可接受的水平，其特征在于，吸气剂设置在次要外壳(20)的一部分内，而次要外壳(20)的其余部分形成自由空间，该次要外壳(20)排列在主要外壳(5)的外部并与后者自由地连通，使得吸气剂直接与次要外壳(20)内的自由空间连通来将主要外壳(5)维持在低压或真空下，所述主要外壳(5)和次要外壳(20)通过构成探测器(6)底部的基底(1)内的一个或更多抽吸孔(15)彼此连通，吸气剂(13)放置在底部(16)内，该底部焊接到所述基底(1)的下表面(22)上。

2.如权利要求1所述的用于探测电磁辐射的部件，其特征在于，所述电磁辐射为红外辐射。

3.如权利要求1或2所述的用于探测电磁辐射的部件，其特征在于，探测器包括测辐射热计，且主要外壳(5)也具有意在保证温度调节的热电模块(8)。

4.如权利要求1或2所述的用于探测电磁辐射的部件，其特征在于，探测器包括微测辐射热计(6)，且主要外壳(5)也具有意在保证温度调节的热电模块(8)。

5.一种红外光学成像单元，其包括各种接附到所述单元的侧面隔板(24)的透镜(23)，并且包括如权利要求1或2所述的用于探测电磁辐射的部件，该用于探测电磁辐射的部件设置在所述透镜的下方，其特征在于，所述部件的基底(1)与光学单元的侧面隔板(24)热接触。

6.如权利要求5所述的红外光学成像单元，其特征在于，所述的红外光学成像单元为照相机。

7.如权利要求5所述的红外光学成像单元，其特征在于，其包含的用于探测电磁辐射的部件不具有任何消散热的散热器或等价装置。

8.一种用于获得用于探测电磁辐射的部件的封装包装件的密封的过程，其特征在于，其包括：

·首先，在真空或低压下有区别地加热，一方面，在主要外壳或空腔(5)内包含基底(1)和用于所述辐射的实际的探测器(6)的第一部分，另一方面，包括用于吸气剂(13)的底部(16)的第二部分，以分别到达保证包含在所述第一部分(5)内的各种元件优化脱气的温度，及到达超过前面的温度，保证在相对短的期间内优化包含在所述第二部分内的吸气剂(13)的热初步活化的温度；

·随后两个部分经历保证一部分密封到另一部分上的温度；

·最后，使两部分在提供它们协作的位置接触，且因此把它们用不漏的接合点彼此连接，其中两个部分在它们协作的位置具有突出的环形区域，其具有能够焊接的镀金属环，至少其中的一个涂覆焊接合金。

9.如权利要求8所述的用于获得用于探测电磁辐射的部件的封装包装件的密封的过程，其特征在于，所述电磁辐射为红外辐射。

10.如权利要求8所述的用于获得用于探测电磁辐射的部件的封装包装件的密封的过程，其特征在于，其也包括另外的阶段，该阶段包括增加两部分的温度以在两部分彼此接触前获得焊接金属的重熔。

说明书

探测电磁辐射部件，含其的红外光学成像单元及实现过程

技术领域

[0001] 本发明总的来说涉及用于探测电磁辐射，具体地为红外辐射的部件，更特殊地涉及意在用作光学成像部件，例如这种部件安装在运转在环境温度下的红外照相机的内部。

背景技术

[0002] 在这种部件内部需要或多或少的高度真空，以允许使用的探测器的正确运转，并从而提供可靠的数据以及增加所做的测量或获得的图像的精度。

[0003] 对于这种探测器经常需要低于10-2毫巴的压力以满意地运转。它们因此封装在密封的外壳内，在外壳内部已经产生需要的真空。然而，众所周知，在把包围探测器的封装包装件密封，从而制造出包含真空或低压的外壳后，在外壳内部的各种结构组成物表面内吸收的气体分子或在安装所述的组成物的基底的外层内溶解的气体分子可以被释放(放气)。这些气体主要包括氢气，氧气，二氧化碳和水蒸气。当探测部件形成时，这较大地影响外壳内部的真空度，并从而影响这种部件的性质和性能。

[0004] 为了防止这种放气，集成能够吸收并且，总的来说抽吸任何释放的气体分子的材料是众所周知的技术。这种材料称为“吸气剂”并担当一种泵。

[0005] 本发明因此更具体地涉及把这种吸气剂放置在光学探测或成像部件内部的方法，及使得活化所述吸气剂的性质，同时维持包含在真空或低压外壳内的部件和其它探测器的完整性成为可能的相应过程。

[0006] 能够在环境温度下运转，即不需要任何降到非常低的温度的冷却的热探测器，尤其排列为矩阵阵列的探测器，或如果不被冷却到接近液氮的温度就不能运转的量子探测器，在红外成像领域内广泛使用。

[0007] 未冷却的探测器通常包括测辐射热的或微测辐射热的探测器，其中测量本身依赖于探测地点温度变化的电阻率的变化。

[0008] 图1示出了根据现有技术的测辐射热的探测器的封装包装件示意图。其基本上包括用陶瓷或金属材料或甚至两种类型材料的结合制造的基底1。该基底构成包装件的底部。封装包装件具有侧壁2且通过盖子3密闭地密封，盖子主要具有窗口4，其对要探测的辐射，在这种情况下为红外辐射是透明的，并且，例如对具有从8到12微米的波长的辐射是透明-2
的。这样制造出外壳或空腔5，在其内部存在真空或低压，通常压力小于10 毫巴。形成该-12
外壳5的部件以保证氦泄漏率小于10 mbar·l/s的方式密封。

[0009] 在该外壳的内部，基底1主要容纳本身设置在窗口4的下方的实际的探测器，并且在这种情况下，该探测器为与互连的电路7相关联的微测辐射热计6，该组件与通过例如焊接或环氧树脂结合连接到基底1的热电模块8相关联。该模块意在保证温度调节，具体地为了作为参考，特定的为探测器6分析的变量，并确保进行的测量一定的再现性。

[0010] 在互连的电路6，7上的微测辐射热计组件通过与标准输入/输出10关联的连接导线9也电连接到设备的外部，标准输入/输出穿过所述基底并连接到设备的电子线路，例如照相机通过互连和工作的电路11安装在设备中。

[0011] 由热电模块8释放的热通过安装在基底1的下表面上大致在所述模块下方的散热器12消散。

[0012] 为了维持外壳5内部的真空并如所述，吸气剂13放置在外壳的内部并连接到穿过基底1且也连接到互连电路11的电源输入14。

[0013] 为了使得该吸气剂可操作，在包装件密封之前，必须执行活化所述吸气剂的最初的操作，以使其能抽吸可能由包含在其中的各种单元随后释放进入外壳或空腔5内的气体。

[0014] 这种最初的活化此后在本说明书中称之为“初步活化”。其基本不同于后来的在密封包装件上通常执行的再活化，根据本发明，再活化不再必须。

[0015] 这种吸气剂活化阶段通过加热包含吸气剂的包装件的区域到通常300℃至900℃的温度获得。这种加热通过各种方式达到，尤其是(RF)电流感应加热，但更常通过在加热的真空室内放置未密封的部件。

[0016] 经常地，在根据现有技术的设备中，吸气剂的组成材料被烧结到包括导线或金属条的电阻性的底部。在这种情况下，所述吸气剂通过传输充分高的电流穿过所述底部以加热底部到需要的温度，并通过热传导加热吸气剂材料，由焦耳效应活化。

[0017] 使用这种加热方法的固有的优点如下：

[0018] -获得吸气剂材料完全活化且因此最大吸气剂抽吸性能的能力；

[0019] -在可从包装件外部到达的电流流过的电阻性的底部的范围内的产品使用寿命期间，再活化吸气剂的能力；

[0020] -几分钟量级的快速活化；

[0021] -温度升高仅限制在吸气剂材料；

[0022] 另一方面，使用这种活化方法具有一定数量的缺点，其抵消了上述的大多数优点。这些缺点包括：

[0023] -整体尺寸：吸气剂材料放置在包装件内部，接近部件或探测器，这样从而增加了容纳为了使其运转所需的所有部分的需要的包装件的表面积。

[0024] -需要在包装件内制造电力能够流过的连接线：吸气剂活化电流实际上为2到5A的量级。

[0025] -在吸气剂材料活化期间热辐射的发射(尤其在温度高于500℃的情况下)。这样可能损坏或更改探测器，特别是微测辐射热探测器的特性。

[0026] 如果吸气剂材料通过加热效果活化，依赖于所述吸气剂设置的位置，在当包装件在真空中密封或关闭时的阶段期间包装件或其盖子被加热到吸气剂的活化温度。

[0027] 然而，在这种情况下，由于一个限制因素存在问题-盖子(连同对要探测的辐射透明的窗口)和装配热电模块的包装件能承受的温度，或甚至用来在包装件上组装盖子的焊接接合点熔化的温度的问题，因为总的来说，该温度不能超过300℃。

[0028] 换句话说，在密封阶段活化吸气剂必须不涉及超过包装件的部件部分能承受的温度。这个温度因此远离为了活化吸气剂的理想温度，如已经所述的，吸气剂能够承受更高的温度。这种吸气剂不完全的活化导致随时间较大地降低抽吸性能，并且因此，从而相应地降低其整体部件的使用寿命。

[0029] 不可否认的，这种活化过程关于获得吸气剂活化需要的处理时间具有降低成本的优点。另一方面，如读者现在已经理解的，也具有下面的缺点：

[0030] -首先，吸气剂材料部分活化如已经提及的，导致较短的部件使用寿命；

[0031] -在所述部件的使用寿命期间没有再活化吸气剂的能力；

[0032] -较大的包装件尺寸，因为为了达到等于通过使用焦耳效应活化的吸气剂的能力，吸气剂体积必须增加，以便补偿部分活化并达到相等的抽吸能力；

[0033] -最后，活化花费更长的时间(6到18小时)，其影响密封周期并降低了真空抽吸机械的能力。

[0034] 总的来说，不管设想的吸气剂活化方法，吸气剂通常装配在包装件的里面实际的探测器附近，且这增加了封装包装件的表面积，从而，使得小型化探测部件更加有问题，这种小型化在所述的领域内是恒定的目标。

发明内容

[0035] 本发明的目的是提出封装的探测部件，具体的为光学成像部件，其使得减小，具体地，在探测器本身平面内的封装包装件的整体尺寸成为可能。本发明也涉及相应的过程，其使得在当封装包装件密封时的阶段期间达到吸气剂的充分热活化，而不损坏热敏感部分，尤其是使用的探测器，尤其是测辐射热探测器，成为可能。

[0036] 该用于探测电磁辐射，具体的为红外辐射的部件，包括真空或低压外壳，称作主要外壳，其侧面的一个包括对要探测的射线透明的窗口，至少一个实际的探测器设置在所述外壳的内部，其大致与透明的窗口相对，及抽吸残余气体以维持所述外壳内部真空在可接受的水平的装置。

[0037] 抽吸残余气体的装置设置在排列在主要外壳外边的次要外壳内部并与后者自由相通，这是独特的。

[0038] 换句话说，本发明涉及空间上把实际探测功能与维持外壳内部真空的功能分开，在外壳中设置保证探测的探测器，同时确保这些履行探测功能并对温度敏感的部件的固有特性无论如何都不恶化或削弱。

[0039] 根据本发明，两个外壳，主要和次要外壳分别通过一个或多个构成探测器底部的基底内的抽吸孔彼此连通。

[0040] 根据本发明的第一个实施例，次要外壳通过挖出合适形状和尺寸的空腔在所述基底内制造，并由用于吸气剂材料的底部通过焊接闭合。

[0041] 在本发明的另一个实施例中，吸气剂放置在次要底部内，该次要底部焊接到所述基底的下表面。

[0042] 本发明也涉及用于获得部件的封装包装件的密封，具体为意在包含的吸气剂的活化的过程。

[0043] 该过程包括：

[0044] ·首先，在真空或低压下的区分加热，一方面，在主要外壳或空腔内，包含基底和与热电模块相关联的热探测器，具体为微测辐射热探测器的第一部分，另一方面，包括吸气剂底部的第二部分，在相对短的期间，分别到达保证包含在所述第一部分中的各种元件的最佳脱气的温度，及到达超过前面的温度，保证包含在所述第二部分中的吸气剂的最佳热初步活化的温度；

[0045] ·随后，两个部分都经历保证一个部分密封到另一个部分的温度；

[0046] ·最后，使两个部分在提供它们协作的位置接触，并因此把它们用不漏的接合点彼此连接。

[0047] 根据本发明的过程，两个部分都在它们协作的位置具有突出的环形区域，环形区域具有必须的能够焊接的特征。根据本发明的过程也包括涉及增加两个部分的温度以在两部分放置为彼此接触之前或同时获得焊接重熔的级段。

附图说明

[0048] 本发明具体化的方式和所得到的优点从下面通过例子显示的实施例，对附图做的参考将变得明白。

[0049] 图1为，如同所述，根据现有技术的设备的示意性的截面图。

[0050] 图2a和2b为本发明的两个不同实施例的示意性的截面图。

[0051] 图3a和3b为根据本发明的部件的第一部分的示意性的图，分别为截面图和底端图。

[0052] 图4a和4b为根据本发明的部件的第二部分的示意性的图，分别为截面图和顶端图。

[0053] 图5为根据本发明描述的过程显示了分别在图3和4中的两个部分的温度随时间变化的曲线图。

[0054] 图6为本发明具体实施例的示意性的截面图。

具体实施方式

[0055] 关于在环境温度下运转并从而使用测辐射热计或微测辐射热计的红外探测器更加详细地描述了本发明。然而，可以使用电磁辐射探测器，尤其是冷却的红外探测器。

[0056] 图2a和图2b显示了本发明的两个不同的实施例，两个实施例的运转原理是相同的。图2a中限定了两个独立的空腔，它们分别是：

[0057] ·主或主要空腔5，其由基底1，侧壁2和包括透明的窗口4的盖子3限定，并包含测辐射热探测器6，该测辐射热探测器与其互连的电路7及热电模块8相关联，这个组件结合到基底1，

[0058] ·次要空腔20，其包括可能由金属，陶瓷或半导体材料制成的底部16，用于抽吸残余气体的材料，即，吸气剂13安装在所述底部16上。

[0059] 这样限定的两个空腔通过穿过所述第一空腔5的基底1的一个或更多的抽吸孔15彼此自由地连通。显而易见地，确定孔15的尺寸以保证可能发生脱气的主要空腔5与这样限定的封装包装件的外部，在这种情况下为次要空腔20之间气体的充分运动，该次要空腔20包含吸气剂13，目的在于优化后者的活动，从而维持主空腔内的充足的真空水平。这些孔的尺寸通常由本领域内普通的技术人员确定并首先依赖于主空腔内要求的真空度，其次依赖于在所述主空腔内使用的材料的特性。

[0060] 图3a和3b更清楚地显示出主或主要空腔5的独特的特征。它们详细地显示出包装件特别是主要空腔5的电输出19。这些出口电连接到位于空腔内部的金属轨道且可以为多种类型：管脚，镀金属焊盘或经常称之为“引线框”的输出带状电缆。

[0061] 如前面所述，主要外壳5和次要外壳20通过焊接结合在一起。为了完成这种结合，基底1的下表面22具有通常包括底层，屏障层和允许润湿低熔点焊接合金(通常熔点小于250℃)的层的金属环21。

[0062] 底层包括，例如，钨，铬或钛，即已知提供良好粘附的金属，且其例如通过物理气相沉积(PVD)或丝网印刷以已知的方式沉积。

[0063] 屏障层也包括金属，尤其镍或铂，已知其好的不透性和作为扩散屏障的能力。

[0064] 最后，润湿层通常包括金。

[0065] 自然地，抽吸孔15在由该金属环21限定的区域内开口。因此，主空腔的电输出19设置在所述镀金属环的外部。

[0066] 次要空腔20(图4a和4b)基本上具有金属或陶瓷或甚至半导体底部16，其有利地为良好的热导体。

[0067] 底部16的外围和，如果可适用，界定外围的外围边缘17(本发明的第一个实施例-图2a，4a，4b)具有允许焊接合金润湿的镀金属的区域，且其尺寸匹配用于主空腔的底部1的下表面22的镀金属环21的尺寸。

[0068] 在镀金属区域内，有通过直接沉积施加到基底上的吸气剂13，基底构成底部16或使用众所周知的技术分开安装到后者上，诸如在IEEETransaction on advanced packaging，Vol.26，No.3，August 2003，Douglas R.SPARKS，S.MASSOUD-ANSARI 和NADER NAJAFI 所 著，标 题 为“Chip Level Vacuum Packaging of Micromachines UsingNanoGetters”的文献中所描述的技术。

[0069] 在图2b中，注意底部16可以完全是平的。在本发明的实施例中，吸气剂13相对于底部突出并容纳在底部1内形成的空腔内，该空腔为主空腔的一部分。

[0070] 在其它实施例(图2a)中，底部具有外围边缘17，其高度稍微超过吸气剂的厚度。

[0071] 根据本发明的包装件基本上经过三个主要步骤或阶段制造，并且使用特殊用途的装备获得在两个空腔或包装件的部分的真空内在不同温度的加热。这种装备的例子为真空晶片结合系统，诸如在ElectronicVision Group 500范围，类型520中的型号。

[0072] 另外并且有利地，为了优化产品成本的目的，这些装备在单个制造周期期间可以用来密封几个包装件。

[0073] 在第一个步骤(阶段1-图5)期间，主要空腔5和配备吸气剂的底部16保持彼此分开，以进行所述空腔5上的脱气阶段和吸气剂13活化。

[0074] 脱气阶段包括在真空内加热所述主要空腔5和底部16以消除尽可能多的材料表面或制成它们的部分所吸收的气体分子，或溶解在制成基底1，壁2等的材料的第一几微米中的气体分子，以防止这些气体分子在包装件密封后在包装件内部放气。

[0075] 对于空腔5，这个脱气阶段在最大值由空腔容纳的且是最热脆性的部件，特别为热电模块和焊接接合点规定的温度下进行。对于所述主要空腔5，这个脱气温度通常为150℃至200℃的量级。与此相反，图5中的曲线图上可以看到，对于底部16这个温度显著地较高。

[0076] 随后进行吸气剂的初步活化阶段(阶段II-图5)。这通过把装备吸气剂13的底部16加热到所述吸气剂的制造商推荐的温度获得，以快速获得最优的活化。这个温度通常为400℃至500℃，但依赖于制成吸气剂的材料，这个温度可以更高。

[0077] 活化后，底部16的温度冷却到施加到基底1上的焊接环21的焊接合金18的熔化温度，且因此所述空腔5的温度增加到同样的温度。

[0078] 下一阶段(阶段IV-图5)包括，依然在真空外壳内部，使底部16的外围与涂覆焊接合金18的镀金属环21限定的区域接触，确保所述焊接合金21覆盖在底部16的镀金属区域上，随后增加处于接触中的包装件的两部分的温度，以获得焊接合金21的重熔。

[0079] 两部分的温度随后冷却到焊接合金熔点以下。这使包装件的两部分彼此密封，从而形成两个空腔，分别为主要空腔5和次要空腔20，允许每个空腔内的气体混合，从而创造包含带有能够完全热活化的吸气剂的真空的空间，在相对短的时间内获得初步活化，通常10分钟到至多2小时。

[0080] 图6显示出本发明的具体的实施例。在这个实施中，根据本发明的包装件意在安装在红外成像系统的光学单元内，尤其是照相机。

[0081] 例如，显示出包括接附到用铝制成的侧面隔板24的各种透镜的光学系统23，所述单元设置在根据本发明的实际的部件上方。在本发明这种具体的应用中，由热电模块8释放的热通过基底1，提醒读者，基底有利地用为良好的热导体的材料制成，因此热可以在由容纳光学单元的所述的隔板24提供的相当大的热质中量消散。这样优化了朝向前面的热的除去。这使得免除提供图1所示的散热器12类型的热消散装置成为可能，且因此不再必须给与部件相关联的PCB11钻孔以允许用于这种散热器的空间。这使得安装更小的这种接近的PCB成为可能。

[0082] 本发明具有一定数量的明显的优点，包括使得在相对短的时间期间内获得优化的吸气剂的初步活化，而没有损坏探测部件的其它部分的任何危险成为可能。在吸气剂活化阶段，由后者产生的热辐射被基底1的后侧面吸收和反射并且不能到达其中使用的测辐射热探测器或芯片，更具体地，不能到达可能被这些热辐射损坏或更改特性的芯片微结构。