本發明專利技術提供一種模塊化雪崩二極管陣列器件制冷封裝結構及控制方法，用于解決現有的封裝結構將TEC半導體制冷器置于真空腔內，而導致管殼體積較大、管殼腔內真空維持時間短等技術問題，或者解決現有的封裝結構因將TEC半導體制冷器置于大氣環境中，而降低其可靠性以及工作壽命等技術問題。本發明專利技術的制冷封裝結構包括探測模塊和制冷模塊；探測模塊包括第一管殼、導熱底板、第一管帽、陣列器件、溫度傳感器及第一制冷單元；溫度傳感器位于第一制冷單元的冷面上，用于測量其冷面溫度；制冷模塊包括第二管殼、第二管帽及第二制冷單元；第二管殼和第二管帽圍成第二腔體，第二制冷單元位于第二腔體內；導熱底板與第二管殼或第二管帽連接。接。接。
【技術實現步驟摘要】
一種模塊化雪崩二極管陣列器件制冷封裝結構及控制方法
[0001]本專利技術涉及雪崩二極管陣列器件的封裝結構，尤其涉及一種模塊化雪崩二極管陣列器件制冷封裝結構及控制方法。
技術介紹
[0002]單光子雪崩二極管陣列器件(Single
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Photon Avalanche Diode Arrays Device)主要應用于近紫外、可見光及近紅外波段的光電探測，在蓋革模式下其具有單光子級別的高靈敏度、皮秒級響應速度等特點，兼具體積小、集成度高、成本低等優點，在激光雷達、激光測距以及激光通信等領域有著廣泛的應用前景。
[0003]暗噪聲是雪崩二極管陣列器件的核心指標之一，由于在室溫或者常溫條件下，單光子雪崩光電二極管陣列器件的暗噪聲較高，很難實現對微弱光信號的有效探測，因此，需要將器件置于制冷環境中，且溫度越低其暗噪聲越小，器件越能達到更好的探測性能。
[0004]目前，雪崩二極管陣列器件的制冷主要采用真空封裝結構。中國專利技術專利(公開號為CN103500749A)公開了一種超長列InGaAs探測器封裝結構，封裝結構中將芯片、熱電制冷器、導熱板以及機械零件全部安裝在管殼內部，陣列器件和電極板通過環氧樹脂膠粘接和固定在熱電制冷器上，最后管帽與管殼通過焊接工藝完成氣密封接。
[0005]中國專利技術專利(公開號為CN115101489A)公開了一種高熱效率的光電探測器淺制冷集成封裝結構，將多級塔型TEC置于一體化管殼內部，將光電芯片設置在多級塔型TEC制冷面面上，最后設置有光窗的管帽與管殼進行氣密封接。
[0006]公開文獻《Package structure design of 64
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64InGaAs/InP SPAD assembly》(doi:10.1117/12.2614489)報道了一種64
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64InGaAs/InP SPAD器件的封裝結構，芯片膠合在AlN過渡陶瓷基板上，AlN陶瓷基板設置在三級TEC制冷器上，最后通過將設置有光窗的管帽與管殼進行氣密封接。
[0007]綜上所述，現有的InP基二極管陣列器件的制冷封裝結構主要包括管殼、多級TEC制冷器、光電芯片(陣列器件)、熱電阻以及設置有窗口的管帽等部件，將多級TEC制冷器、光電芯片、熱電阻等部件置于管殼內部，對管殼內部進行抽真空后，將管帽與管殼進行氣密性封接。以上單光子雪崩二極管陣列器件的制冷封裝結構集成化程度較高，可以滿足器件的制冷工作要求，但同時也存在以下問題：
[0008](1)目前的制冷封裝結構是將陣列器件、多級TEC制冷器以及熱電阻等全部密封在管殼中，但是多級TEC制冷器的體積較陣列器件大很多，因此封裝管殼中必需給多級TEC制冷器預留足夠的空間，導致封裝管殼制作成本高，管殼體積較大，應用范圍受限；
[0009](2)多級TEC制冷器進入管殼的真空腔體后帶來的持續放氣量會縮短管殼腔體中真空度的維持時間，進而影響器件使用壽命；
[0010](3)多級TEC制冷器封裝進入管殼后，其正、負電極通過管殼上氣密性引腳與外部控制電路實現電學連接，工作時通過控制輸入電流或者電壓來調節多級TEC制冷器溫度，在制冷過程中需要頻繁的改變電流大小和方向來獲得穩定的制冷溫度，容易造成TEC制冷器
損害，一旦多級TEC制冷器損壞，整個器件都將失效；
[0011](4)多級TEC制冷器需要較高的驅動電壓或者電流，如果驅動芯片無法負載較大的電流，則會限制制冷效果；
[0012](5)多級TEC制冷器封裝后采用統一控制的方式，溫度改變方式單一，無法根據不同的應用場景進行靈活調節。
[0013]為了解決上述問題，中國專利技術專利(公開號為CN107246889A)公開了一種封裝方案，將TEC制冷器安裝在真空腔體外側，傳感器集成在真空腔體內側，二者直接通過半導體熱電晶粒進行焊接固定。該方法可以避免半導體制冷器安裝在真空腔體內帶來的放氣量，同時減小了管殼真空腔體的體積，從而延長了腔體有效真空度的維持時間，但由于TEC半導體制冷器沒有進入真空腔體內，而是暴露在大氣環境中，因此，外部的環境變化對TEC制冷器的影響較大，從而降低了其可靠性以及工作壽命。
技術實現思路
[0014]本專利技術的目的在于提供一種模塊化雪崩二極管陣列器件制冷封裝結構及控制方法，用于解決現有的封裝結構將TEC半導體制冷器置于真空腔內，而導致管殼體積較大、管殼腔內真空維持時間短等技術問題，或者解決現有的封裝結構因將TEC半導體制冷器置于大氣環境中，而降低其可靠性以及工作壽命等技術問題。
[0015]為了實現上述目的，本專利技術的技術解決方案如下：
[0016]一種模塊化雪崩二極管陣列器件制冷封裝結構，其特殊之處在于：包括探測模塊和制冷模塊；
[0017]所述探測模塊包括第一管殼、導熱底板、第一管帽、陣列器件、溫度傳感器及第一制冷單元；
[0018]所述第一管殼分別與導熱底板和第一管帽連接并圍成第一腔體，所述陣列器件、溫度傳感器和第一制冷單元位于第一腔體內；所述第一制冷單元的熱面與導熱底板連接，冷面與陣列器件連接；所述溫度傳感器位于第一制冷單元的冷面上，用于測量其冷面溫度；
[0019]所述第一管帽頂部設有光電窗口，光電窗口與陣列器件的位置相對應，且光電窗口的覆蓋面積大于陣列器件的面積；
[0020]所述制冷模塊包括第二管殼、第二管帽及第二制冷單元；所述第二管殼和第二管帽連接并圍成第二腔體，所述第二制冷單元位于第二腔體內；所述第二制冷單元的冷面與第二管帽的內壁連接，熱面與第二管殼的底部連接；
[0021]所述導熱底板與第二管帽的外壁抵接，并與第二管殼或者第二管帽連接。
[0022]進一步地，所述第一制冷單元的熱面與導熱底板通過回流焊焊接；冷面分別通過導熱材料與陣列器件、溫度傳感器連接。
[0023]進一步地，所述第二制冷單元的熱面與第二管殼的底部采用金錫焊料通過回流焊焊接；冷面通過導熱材料與第二管帽的內壁連接。
[0024]進一步地，所述第一制冷單元為一級TEC制冷器；
[0025]所述第二制冷單元包括疊加放置的至少一級TEC制冷器，其中，頂部的TEC制冷器的冷面與第二管帽的內壁連接，底部的TEC制冷器的熱面與第二管殼的底部連接。
[0026]進一步地，所述第一管殼外壁上設有多個PIN引腳，內壁上設有與多個PIN引腳通
過引線鍵合且一一對應連接的多個PAD引腳；所述陣列器件、溫度傳感器、第一制冷單元分別與對應的PAD引腳之間電連接；每個PIN引腳用于與外接的采集模塊連接；
[0027]所述第二管殼外壁上設有一個PIN引腳，內壁上設有與該PIN引腳通過引線鍵合且連接的一個PAD引腳，所述第二制冷單元與該PAD引腳之間電連接，PIN引腳用于與外接的控制模塊連接。
[0028]進一步地，所述第一管殼為陶瓷材質，且頂端端面為金屬化層；導熱底板以及第一管帽的材質為可伐金屬；
[0029]所述第二管殼的本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種模塊化雪崩二極管陣列器件制冷封裝結構，其特征在于：包括探測模塊(1)和制冷模塊(2)；所述探測模塊(1)包括第一管殼(11)、導熱底板(16)、第一管帽(12)、陣列器件(13)、溫度傳感器(14)及第一制冷單元(15)；所述第一管殼(11)分別與導熱底板(16)和第一管帽(12)連接并圍成第一腔體(17)，所述陣列器件(13)、溫度傳感器(14)和第一制冷單元(15)位于第一腔體(17)內；所述第一制冷單元(15)的熱面與導熱底板(16)連接，冷面與陣列器件(13)連接；所述溫度傳感器(14)位于第一制冷單元(15)的冷面上，用于測量其冷面溫度；所述第一管帽(12)頂部設有光電窗口(121)，光電窗口(121)與陣列器件(13)的位置相對應，且光電窗口(121)的覆蓋面積大于陣列器件(13)的面積；所述制冷模塊(2)包括第二管殼(21)、第二管帽(22)及第二制冷單元(23)；所述第二管殼(21)和第二管帽(22)連接并圍成第二腔體(24)，第二制冷單元(23)位于第二腔體(24)內；所述第二制冷單元(23)的冷面與第二管帽(22)的內壁連接，熱面與第二管殼(21)的底部連接；所述導熱底板(16)與第二管帽(22)的外壁抵接，并與第二管殼(21)或者第二管帽(22)連接。2.根據權利要求1所述的模塊化雪崩二極管陣列器件制冷封裝結構，其特征在于：所述第一制冷單元(15)的熱面與導熱底板(16)通過回流焊焊接；冷面分別通過導熱材料與陣列器件(13)、溫度傳感器(14)連接。3.根據權利要求2所述的模塊化雪崩二極管陣列器件制冷封裝結構，其特征在于：所述第二制冷單元(23)的熱面與第二管殼(21)的底部采用金錫焊料通過回流焊焊接；冷面通過導熱材料與第二管帽(22)的內壁連接。4.根據權利要求1或2或3所述的模塊化雪崩二極管陣列器件制冷封裝結構，其特征在于：所述第一制冷單元(15)為一級TEC制冷器；所述第二制冷單元(23)包括疊加放置的至少一級TEC制冷器，其中，頂部的TEC制冷器的冷面與第二管帽(22)的內壁連接，底部的TEC制冷器的熱面與第二管殼(21)的底部連接。5.根據權利要求4所述的模塊化雪崩二極管陣列器件制冷封裝結構，其特征在于：所述第一管殼(11)外壁上設有多個PIN引腳，內壁上設有與多個...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王興，喬凱，尹飛，常宇，劉立宇，許澤方，汪韜，李鳴，
申請(專利權)人：中國科學院西安光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：
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