一种杜瓦加热除气装置及除气方法

技术领域

本发明涉及红外探测器封装技术领域，尤其涉及一种杜瓦加热除气的装置及除气方法。

背景技术

红外探测器主要包括芯片、杜瓦组件和制冷器三大部分。红外探测器的杜瓦组件为芯片提供真空的工作环境。真空寿命是红外探测器杜瓦组件的重要可靠性指标。材料放气是影响真空寿命的主要因素。为了减少材料在封装过后向杜瓦腔体内的放气速率与放气量，在封装过程中需要对零部件进行加热烘烤以及加热除气。加热除气可以使得材料表面部分吸附气体解吸以及材料内部组成气体的原子析出目的。

目前，加热除气方法均为材料整体加热。由于多种零部件甚至一个零部件上存在多种耐热性质材料，除气工艺不得不以耐热性最差的材料进行最高除气温度工艺的设计。因此，零部件上更耐高温的材料并未实现充分的除气。此外，针对不同材料的零部件以及不同封装进度的零部件，需要进行多次不同温度的除气，保证其在最后一个封装步骤时材料的吸气量较低。上述的传统零部件加热除气方法严重影响了杜瓦整个封装效率。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种杜瓦加热除气装置，包括：

除气炉腔体；

贯穿腔体侧壁的光纤；

螺旋缠绕在光纤外围的水冷管；

所述光纤的腔体外一头连接有激光器；

位于气炉腔体内用于固定除气零件的支撑部件，所述支撑部件，具有底盘、带动底盘水平移动或旋转的转轴，以及带动底盘垂直运动的升降部件。

可选的，还包括掩膜装置，所述掩膜装置设置在最靠近除气零件的位置，材质为不透光的金属或者具有一定透光率的玻璃。

可选的，还包括分光镜组，所述分光镜组设置在除气炉内，位于靠近光纤的位置，分光镜组分光后得到所预设的能量相同或者不同的多束光线。

可选的，还包括激光头，所述激光头设置在除气炉内，位于最靠近光纤的位置或分光镜组与除气零件之间，包括一个或多个锥透镜或柱面镜，用于接收出射的激光并调节激光的形状，决定出射的激光为点状、环状、线状或面状。

可选的，还包括一个或多个振镜，所述振镜设置在XYZ可移动平台上，位于激光头与掩膜装置或激光头与除气零件之间。

可选的，所述激光器工作方式为脉冲照射或连续照射，当工作方式为脉冲照射时，出射激光为脉冲激光；当工作方式为连续照射时，出射激光为连续激光。

可选的，至少一个激光器的照射光束为高斯光束。

可选的，所述激光头安装有磁吸结构，所述支撑部件安装有与激光头对应的磁吸结构。

可选的，所述除气炉腔体底部设有定位卡槽；所述支撑部件底部设有与所述定位卡槽相对应的锁紧套件。

可选的，还包括双色激光器，用于对除气零件表面进行测温。

本发明还提供一种利用上述杜瓦加热除气装置进行除气的除气方法，包括步骤：

将除气零件放入除气炉腔体；

通过加热丝给玻璃炉壁提供一个底温；

激光对准加热区域进行加热，通过调整支撑部件、振镜或掩膜装置，对不同零部件或同一零件不同区域进行异温同步加热除气；

在上述加热步骤中，还包括利用双色激光器对除气零件表面加热区域进行测温，如温度未达到额定温度，则继续加热；如温度达到额定温度则减小激光加热功率，使得加热区域的温度维持在额定温度；

在完成加热区域的除气工作后，通过调整支撑部件、振镜或掩膜装置，调整加热部位；

继续进行加热除气。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本申请中的除气装置激光光路不经过玻璃炉壁的折射直接照射在被加工零件表面，避免了激光时空特性的改变，能够准确的辐照在设定位置。本申请的方案在粘接芯片后，杜瓦仍然能够通过分区加热，对胶水(含气率最大的材料)进行充分除气。胶水除气后有效提升了真空寿命的同时，且不影响芯片工作性能。本发明可对不同耐热性零部件以及零部件上不同耐热材料进行同批次充分除气，大大提高了除气炉对零部件的除气效率。

附图说明

图1为本发明一杜瓦加热除气装置的结构示意图；

图2位本发明中激光头与振镜模组的结构示意图；

图3为本发明另一杜瓦加热除气装置的结构示意图；

图4为本发明另一杜瓦加热除气装置的结构示意图；

图5为本发明另一除气炉与支撑装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参考图1，本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，提供一种杜瓦加热除气的装置，包括：除气炉腔体100；炉门101与密封橡胶圈102；贯穿腔体侧壁的光纤121；缠绕在光纤外围的水冷管130，在本实施例中，所述水冷管130为螺旋缠绕；分光镜组210；位于除气炉腔体100内用于固定除气零件的支撑部件300；位于除气炉腔体内用于调整出射光束照射位置的振镜模组200；位于除气炉腔体内用于调整出射光束形貌与大小的激光头110；所述分光镜组210设置在最靠近激光器的位置，能够将出射激光分为所预设的能量相同或不同的多束激光，可以同时对同一零件加热温度要求不同或分散的加热区域进行加热，或者可以对不同零件同时进行加热；在本实施例中，分光镜组210能将出射激光分为能量不同的3束激光。

请参考图2，当激光经过加装了锥透镜111的激光头110时，激光头110对激光进行整形，形成如1111所示的环状激光照射区域；当激光经过加装了一个柱面镜112的激光头110时，激光头110对激光进行整形，形成如1121所示的线状激光照射区域；当激光经过加装了十字交叉排布的柱面镜112的激光头110时，激光头110对激光进行整形，形成如1122所示的面状激光照射区域。

请继续参考图2，振镜模组200包含多个振镜201，在本实施例中为2个，在其他实施例中可根据需要增加或减少所使用振镜的数量，所述振镜201均设置在XYZ可移动平台上(未图示)；振镜模组200用于改变激光传输路径，从而改变激光的辐照范围；并且振镜201自身能够移动或转动，从而根据加工的需要进一步地改变激光的辐照范围位置。

在本实施例中，具体的，玻璃除气炉腔体为玻璃材质，光纤和腔体壁、振镜模组的XYZ可移动平台和底座通过钎焊进行封装；具体的，在光纤和腔体壁、振镜模组的XYZ可移动平台与底座的连接位置具有密封结构，在安装和钎焊后进行密封。

在本实施例中，具体的，还包括激光器(未图示)，所述激光器用于提供点状初始光源。

在本实施例中，具体的，还包括支撑部件300；支撑部件300具有底盘、固定装夹、带动底盘水平移动或旋转的转轴，以及带动底盘垂直运动的升降部件，用于在进行除气工作时固定住除气零件，并根据加工的需要调整除气零件的位置；当加工圆柱形除气零件502时，支撑部件300带动其水平旋转和垂直运动，当加工矩形除气零件501时，支撑部件300带动其水平往复和垂直运动。

在本实施例中，可选的，激光器工作方式包括脉冲照射，当工作方式为连续照射时，出射激光为连续激光。当进行除气工作时，如长时间对一个部位加热时，会引起周围其他部位的升温。通过输出脉冲激光，实现材料辐照区域冷热交替状态，降低除气零件热传导的效率，从而实现仅对激光辐照区域进行有效加热的同时不会显著影响辐照周围区域的温度。当辐照周围区域同为耐热性较好，但耐热性相交辐照区域更差的材料时，可以采用连续激光照射的方式对零件进行加温；通过热传导到辐照周围区域的余温对其进行余温加热。

在本实施例中，可选的，当激光器以脉冲照射的工作方式出射面状激光时，该面状激光优选为脉宽为10-50ms，频率为20-60Hz的激光。

在本实施例中，可选的，其中一个激光器出射激光为高斯光束；可以通过位于激光头110内的扩束镜，根据辐照面积大小，调节光斑尺寸后直接对圆形区域进行辐照加热；也可以通过激光头110内的锥透镜111将光斑整形为环形光斑，对圆环状的加热区域进行加热；还可以通过激光头110内两个十字交叉排布的柱面镜112将激光整形为面状对整个表面进行加热；此时需要加大激光功率才能够使得整个辐照区域得到明显升温。

在本实施例中，可选的，激光头110安装有磁吸结构(未图示)，相应的支撑部件300上也安装有磁吸结构，从而激光头110可以通过靠近自吸附进行固定，方便对准辐照加热区域。

在本实施例中，可选的，还包括双色激光器(未图示)，该双色激光器用于对除气零件表面进行测温，从而保证了非接触情况下实时监控除气零件的加热温度。

在本实施例中，可选的，所述双色激光器发射双色激光的双色波长分别是为0.8微米和1.0微米。

在本实施例中，可选的，除气炉100腔内还设有加热丝，用于给除气炉提供一个底温，因此在其他实施例中也可以不设置加热丝。

在本实施例中，可选的，支撑部件300还包括装夹(未图示)，装夹能更好地固定除气零件。

实施例2

请参考图3，本发明还提供了一种杜瓦加热除气装置，包括实施例1的杜瓦加热除气装置，还包括掩膜装置401，掩膜装置401位于最靠近支撑组件300的位置，根据加工的需要，选用材料为不透光耐高温的金属或具有一定透光率的玻璃；在本实施例中，分光镜组210将出射激光分为6束能量不同的激光光束，其中的3束经激光头110整形成面状激光，这三束面状激光的光路上均设置有掩膜装置401；在进行除气加工时，通过掩膜装置401对无需叠加加热区域或者低温(80-200℃)加热区域进行遮挡，实现激光热辐射全屏蔽和部分屏蔽的效果。

在本实施例中，具体的，掩膜装置401设置在XYZ可移动平台上(未图示)，使得掩膜装置401能够在加工时移动，从而实现在加工时根据需要对不同部位的遮挡；所述掩膜装置的XYZ可移动平台与底座通过钎焊进行封装，类似实施例1中的振镜模组与底座之间的封装方式，具体的，在掩膜装置的XYZ可移动平台与底座的连接位置具有密封结构，在安装和钎焊后进行密封。

请参考图4，可以在除气炉100内设置偶数个不同方向的激光器，以实现对除气零件更均匀的加热；所述掩膜装置401也可只设置在一侧，或设有多个大小、材质、形状不一的掩膜装置401，用于对同一零件温度要求不同加热区域同时进行加热，另一侧不设置掩膜装置，由点状激光进行加热，用于对除气零件温度要求高的加热区域进行加热；并且可以通过支撑装置300对零件的移动或振镜模组200来改变加热区域。

本实施例通过设置掩膜装置401，在不规则区域对无需叠加加热区域或者低温(80-200℃)加热区域进行遮挡，实现激光热辐射全屏蔽和部分屏蔽的效果，从而实现了同一零件分区加热；同时，掩膜装置401可以只设置在壁炉的一侧，如图4所示，该测激光器出射的激光通过振镜模组后为平行激光，照射面积大，利用掩膜装置对不需要加热的部位进行遮挡，有效的实现了除气零件上的多部位同时除气，同时还保护了耐受较低除气温度的区域。另一侧用高功率的点状激光直接进行加热，以满足对某些零件，例如粘接芯片的胶水部分特殊加工的需要。在本实施例中，掩膜装置可以为一个具有透光和不透光区域的装置，优选的，透光区域还设置为不同的透光率，例如10％、20％、50％、80％，从而在不同透光率下加热的温度会不同，这样实现了对同一零件的不同区域同时除气，在本实施例中优选的掩膜装置可以为玻璃板。

实施例3

参考图5，本发明还提供了一种除气炉100与支撑装置300；与实施例1不同在于，在除气炉腔体100的底面设置有定位卡槽1001，在支撑部件104的底面设置有与定位卡槽1001相对应的锁紧套件310；锁紧套件310由锁紧弹簧311和锁紧卡口312构成；所述定位卡槽1001为具有弧度的凹坑；所述锁紧套件310上具有锁紧弹簧311，以及和卡槽对应的弧度凸起的锁紧卡口312；除气零件安装时，利用锁紧弹簧311将除气零件锁紧，然后将零件及支撑部件104滑动到腔体内，使得弧度凸起位于弧度凹坑内进行固定。

本实施例通过定位卡槽1001与锁紧套件310实现了除气炉100与支撑套件104的分离，从而方便了除气零件的放置、固定与加工完成后的收取，也可以方便地根据除气零件体积更换合适的支撑部件。

实施例4

本发明还提供了一种杜瓦加热除气装置进行除气的除气方法，包括步骤：

将除气零件放入除气炉腔体；

通过加热丝给玻璃炉壁提供一个底温；

激光对准加热区域进行加热，通过调整支撑部件、振镜或掩膜装置，对不同零部件或同一零件不同区域进行异温同步加热除气；

在加热过程中，利用双色激光器对除气零件表面加热区域进行测温，如温度未达到额定温度，则继续加热；如温度达到额定温度则减小激光加热功率，使得加热区域的温度维持在额定温度；

在完成加热区域的除气工作后，通过调整支撑部件、振镜或掩膜装置，调整加热部位；

继续进行加热除气。

在本实施例中，双色激光器对除气零件表面进行测温的方法为，利用相邻通道两个波段红外辐射能量的比值来决定温度的大小。由于能够克服由于玻璃壁反射与吸收导致的监测信号衰减，因此，双色激光器在玻璃壁外仍然能够对零部件表面进行非接触准确测温。对不同材料，不同激光功率辐照下得到的功率-温度的关系汇总为激光功率-材料温度关系库。

下面结合工作方式对本申请的除气装置进行进一步说明。

首先，通过加热丝给玻璃炉壁提供一个底温，底温温度为所有零部件能够耐受的最低温度50-80℃。在底温的基础上，激光再对不同零件或不同区域进行叠加加热。

具体的可以采用，静态加热，也就是不同零件异温加热，不同零件通过独立的激光其进行加热，利用激光器输出目标温度所需的功率，对每个零件照射除气。为了避免被反射的红外激光辐照到其它零件上，使得其它零件温度异常，可以在每个零件之间加装隔热挡板将各个零件分隔开。

另外，也可以同一零件分区加热，同一零件不同区往往并不规则，涉及复杂形状的光源。圆形、圆环形加热区域可以通过光束整形实现。矩形加热区域可以使用垂直共振腔表面发射激光或者通过两个十字交叉排布的圆柱透镜将激光整形为面状加热。在更加复杂的不规则区域需要通过掩膜法对无需叠加加热区域或者低温(80-200℃)加热区域进行遮挡，实现激光热辐射全屏蔽和部分屏蔽的效果。遮挡物可以是不透光耐高温的金属，也可以是具有一定透光率的玻璃(透光率根据掩膜区域所需温度进行定制)。

其次，可以进行动态加热。由于静态加热法热累积和热传导，会导致直接辐照区域的临近区域温度偏高。因此，需要缩小实际加热范围，使得热传导影响减弱。通过动态加热法，避免热累积和热传导使得相邻区域温度偏高。运动的激光或零部件，仅在其辐照区域为目标温度；在未辐照到的区域，温度会快速递减，对于相邻区域的热影响忽略不计。

具体的，可以利用零件运动加热，零件被装夹(可磁吸的零件也可被磁吸)在工装上面。激光光源不发生位移，圆柱形零部件通过转轴带动旋转，平面形零部件通过单一方向往复运动，实现零件运动加热。在芯片封装后，可以采用加热激光对胶水表面进行局部加热，且不会导致芯片温度超过其耐热阈值。

所用到的加热激光分为两种：点状和面状。点状激光持续照射两平面间的胶水，使得被照射区域迅速升温至放气最高温度，杜瓦被工装夹住旋转。面状激光为脉冲激光，脉宽为10-50ms，频率为20-60Hz，通过不断的闪烁，被辐照区域实现快速升温降温的过程，从而实现胶水除气。

另外还可以利用激光运动加热；对于平面形零件，激光通过振镜辐照到零件表面，激光的运动通过振镜转动实现；对于圆柱形零件，激光器通过环形滑轨做圆周往复运动。实际生产过程中，需根据对于零部件的除气程度与工艺装置复杂程度进行选择，采用零部件运动加热或是激光运动加热。

本申请中的除气装置激光光路不经过玻璃炉壁的折射，避免了激光时空特性的改变，能够准确的辐照在设定位置。本申请的方案在粘接芯片后，杜瓦仍然能够通过分区加热，对胶水(含气率最大的材料)进行充分除气。胶水除气后有效提升了真空寿命的同时，且不影响芯片工作性能。本发明可同批次对不同耐热性零部件进行同批次除气，大大提高了除气炉对零部件的除气率与除气效率。通过分区加热方法，单个零件除气效果有大幅度提升，且不被同批次其它型号零部件的耐热性影响。而且通过透镜对激光时空特性的整形以及掩膜的方法，准确实现了胶水等小部位的除气及复杂形状大面积的除气。通过分区加热方法，单个零件除气效果有大幅度提升，且不被同批次其它型号零部件的耐热性影响。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。