一種用于溫控的裝置及其制作方法
【專利摘要】本發明屬于單光子探測和量子保密通信領域，特別涉及一種用于溫控的裝置及其制作方法，裝置包括與陶瓷基片一體式燒結成型的管夾或基座，陶瓷基片與管夾或基座形成的一體式結構由氧化鋁陶瓷制成。本發明將陶瓷基片與管夾或基座設置成一體式結構，連接可靠，耐高低溫循環、耐氧化、耐老化、使用壽命長；且能夠適應大規模量產，提高了裝置性能的一致性、可靠性。
【專利說明】
一種用于溫控的裝置及其制作方法
技術領域
[0001]本發明屬于單光子探測和量子保密通信領域，特別涉及一種用于溫控的裝置及其制作方法。
【背景技術】
[0002]在單光子探測及量子保密通信技術領域中，常采用半導體制熱制冷器(TEC)來控制雪崩二極管或波導元件的溫度，雪崩二極管和波導元件分別放置在管夾和基座上，TEC先通過陶瓷基片將熱量傳導到管夾或基座，然后再通過管夾或基座將熱量傳導至雪崩二極管或波導元件，如圖1所示，現有技術中管夾13’或基座與陶瓷基片12’為分體式結構，管夾13’或基座由金屬材料制成，管夾13 ’或基座與陶瓷基片12 ’之間的結合面M大致有兩種連接方式:
[0003](I)TEC上表面的陶瓷基片12’與管夾13’或基座為焊錫焊接。該連接方式的缺陷在于:由于器件使用環境要求管夾或基座處于常溫與-50°C或60°C的交替環境中，且工作環境內部不能去除空氣中的水分，工作一段時間后TEC上表面的陶瓷基片12’金屬化部分與管夾13’或基座焊錫焊接處會氧化，管夾13’或基座便會脫落，導致產品無法繼續使用。
[0004](2)TEC上表面的陶瓷基片12’與管夾13’或基座為導熱硅膠粘結。該連接方式的缺陷在于:導熱硅膠的導熱系數過低，管夾13’或基座達到理想設置溫度的時間較長，導熱硅膠涂抹與固化工藝較繁瑣，且導熱硅膠存在老化問題。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種導熱效果好、耐用度高的用于溫控的裝置，以及該裝置的制造方法。
[0006]本發明是通過以下技術手段解決上述技術問題的:一種用于溫控的裝置，包括半導體制熱制冷器，所述半導體制熱制冷器的冷面設有晶粒陣列，所述晶粒陣列由高導熱金屬材料制成，所述晶粒陣列上方設有陶瓷基片以及用于容置雪崩二極管的管夾，所述管夾由陶瓷材料制成，且管夾與陶瓷基片一體式燒制成型，所述陶瓷基片底部做金屬化處理，金屬化處理后的陶瓷基片底部與所述晶粒陣列焊接固定；
[0007]優選的，所述管夾的側壁與陶瓷基片的上表面之間設有加強筋，所述加強筋與陶瓷基片和管夾一體式燒制成型；
[0008]優選的，所述陶瓷基片和管夾由氧化鋁陶瓷制成；
[0009]優選的，所述半導體制熱制冷器的冷面設有多層陶瓷基片，各層陶瓷基片相互平行間隔設置，且相鄰兩層陶瓷基片之間均設有晶粒陣列，其中最外層陶瓷基片與所述管夾一體式燒制成型。
[0010]—種用于溫控的裝置，包括半導體制熱制冷器，所述半導體制熱制冷器的熱面設有晶粒陣列，所述晶粒陣列由高導熱金屬材料制成，所述晶粒陣列上方設有陶瓷基片以及用于容置波導元件的基座，所述基座由陶瓷材料制成，且基座與陶瓷基片一體式燒制成型，所述陶瓷基片底部做金屬化處理，金屬化處理后的陶瓷基片底部與所述晶粒陣列焊接固定；
[0011]優選的，所述基座的側壁與陶瓷基片的上表面之間設有加強筋，所述加強筋與陶瓷基片和基座一體式燒制成型；
[0012]優選的，所述陶瓷基片和基座由氧化鋁陶瓷制成；
[0013]優選的，所述半導體制熱制冷器的熱面設有多層陶瓷基片，各層陶瓷基片相互平行間隔設置，且相鄰兩層陶瓷基片之間均設有晶粒陣列，其中最外層陶瓷基片與所述基座一體式燒制成型。
[0014]—種用于制造所述裝置的制造方法，包括如下步驟:
[0015]步驟1:將氧化鋁粉制備成I微米以下粉體；
[0016]步驟2:將有機粘結劑與氧化鋁粉體混合均勻，有機粘結劑比重為5 %~20%；
[0017]步驟3:將氧化鋁漿料注入模具；
[0018]步驟4:將模具放入燒結爐內進行初步靜壓燒結，初步靜壓燒結溫度控制在800°C;
[0019]步驟5:初步燒結后脫模，采用平面加壓保證外形，然后進行高溫靜壓燒結，所述高溫靜壓燒結溫度控制在1200°C-2000°C ；
[0020]步驟6:燒結完成后，將注塑孔研磨平整，陶瓷基片與管夾或基座一體式結構制作完成;
[0021]步驟7:對陶瓷基片底部進行金屬化處理，使陶瓷基片底部牢固地粘附一層金屬薄膜；
[0022]步驟8:利用所述金屬薄膜將陶瓷基片與晶粒陣列焊接固定；
[0023]優選的，所述氧化鋁選用93-99氧化鋁中的任意一種。
[0024]本發明的技術效果在于:本發明將陶瓷基片與管夾或基座設置成一體式結構，連接可靠，耐高低溫循環、耐氧化、耐老化、使用壽命長;且能夠適應大規模量產，提高了裝置性能的一致性、可靠性。
【附圖說明】
[0025]圖1是現有技術中的溫控裝置結構示意圖；
[0026]圖2是本發明的立體結構示意圖；
[0027]圖3是本發明的管夾立體結構示意圖；
[0028]圖4是本發明的基座立體結構示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下述實施例是對于本
【發明內容】
的進一步說明以作為對本發明技術內容的闡釋，但本發明的實質內容并不僅限于下述實施例所述，本領域的普通技術人員可以且應當知曉任何基于本發明實質精神的簡單變化或替換均應屬于本發明所要求的保護范圍。
[0030]在本發明的描述中，需要說明的是，術語“上”、“下”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0031]實施例1
[0032]如圖2、3所示，一種用于溫控的裝置，包括半導體制熱制冷器10，所述半導體制熱制冷器10的冷面設有晶粒陣列11，所述晶粒陣列11由高導熱金屬材料制成，所述晶粒陣列
11上方設有陶瓷基片12以及用于容置雪崩二極管的管夾13，所述管夾13為半管狀結構，管夾13上設有至少一個用于容置雪崩二極管的弧形槽131，所述管夾13由陶瓷材料制成，且管夾13與陶瓷基片12—體式燒制成型，所述陶瓷基片12底部做金屬化處理，金屬化處理后的陶瓷基片12底部與所述晶粒陣列11焊接固定。管夾13與半導體制熱制冷器10上表面的陶瓷基片12制作成一體結構，可以大幅度增加溫控裝置的使用壽命，增加產品可靠性，節約成本。
[0033]優選的，所述管夾13的側壁與陶瓷基片12的上表面之間設有加強筋15，所述加強筋15與陶瓷基片12和管夾13—體式燒制成型。無加強筋15的機構，也可以滿足使用需求，但考慮到結構的完美性，引入加強筋15，可以大幅度優化平面度與圓度，再次增加產品可靠性。
[0034]優選的，所述陶瓷基片12和管夾13由氧化鋁陶瓷制成。在設計該一體結構時，首先難點是材質的選擇，要有良好的導熱及一定的結構強度，試驗93-99氧化鋁都可滿足使用要求。
[0035]優選的，所述半導體制熱制冷器10的冷面設有多層陶瓷基片，各層陶瓷基片相互平行間隔設置，且相鄰兩層陶瓷基片之間均設有晶粒陣列，其中最外層陶瓷基片12與所述管夾13—體式燒制成型。
[0036]實施例2
[0037]如圖2結合圖4所示，一種用于溫控的裝置，包括半導體制熱制冷器10，所述半導體制熱制冷器10的熱面設有晶粒陣列11，所述晶粒陣列11由高導熱金屬材料制成，所述晶粒陣列11上方設有陶瓷基片12以及用于容置波導元件的基座14，所述基座14為條槽狀結構，所述基座14由陶瓷材料制成，且基座14與陶瓷基片12—體式燒制成型，所述陶瓷基片12底部做金屬化處理，金屬化處理后的陶瓷基片12底部與所述晶粒陣列11焊接固定。
[0038]優選的，所述基座14的側壁與陶瓷基片12的上表面之間設有加強筋15，所述加強筋15與陶瓷基片12和基座14 一體式燒制成型。
[0039]優選的，所述陶瓷基片12和基座14由氧化鋁陶瓷制成。
[0040]優選的，所述半導體制熱制冷器10的熱面設有多層陶瓷基片，各層陶瓷基片相互平行間隔設置，且相鄰兩層陶瓷基片之間均設有晶粒陣列，其中最外層陶瓷基片12與所述基座14 一體式燒制成型。
[0041 ] 實施例3
[0042]本發明還提供了一種上述實施例1和2的溫控裝置的制造方法，包括如下步驟:
[0043]步驟1:將氧化鋁粉制備成I微米以下粉體；
[0044]步驟2:將有機粘結劑與氧化鋁粉體混合均勻，有機粘結劑比重為5%-20%。
[0045]步驟3:將氧化鋁漿料注入模具，模具的設計可根據管夾13或基座14的形狀來具體考慮，以適應實際使用需求為準；
[0046]步驟4:將模具放入燒結爐內進行初步靜壓燒結，初步靜壓燒結溫度控制在800°C;
[0047]步驟5:初步燒結后脫模，采用平面加壓保證外形，然后進行高溫靜壓燒結，所述高溫靜壓燒結溫度控制在1200°C-2000°C ；
[0048]步驟6:燒結完成后，將注塑孔研磨平整，陶瓷基片12與管夾13或基座14一體式結構制作完成；
[0049]步驟7:對陶瓷基片12底部進行金屬化處理，使陶瓷基片12底部牢固地粘附一層金屬薄膜;陶瓷金屬化是在陶瓷表面牢固地粘附一層金屬薄膜，使之實現陶瓷和金屬間的焊接，現有鉬錳法、鍍金法、鍍銅法、鍍錫法、鍍鎳法等多種陶瓷金屬化工藝；以陶瓷鍍鎳為例，主要步驟有煮洗、金屬化涂敷、一次金屬化(高溫氫氣氣氛中燒結)、鍍鎳、焊接;金屬化的主要目的就是達到金屬與陶瓷之間可焊接。
[0050]步驟8:利用所述金屬薄膜將陶瓷基片與晶粒陣列焊接固定；
[0051]優選的，所述氧化鋁選用93-99氧化鋁中的任意一種，本發明優選采用95氧化鋁，并將初步靜壓燒結溫度控制在800°C，高溫靜壓燒結溫度控制在1500°C。
[0052]本發明將半導體制熱制冷器(TEC)最上層的陶瓷基片12與管夾13或基座14制作為陶瓷一體式結構，可避免由于金屬管夾13’或基座與TEC上表面的陶瓷基片12’連接方式為焊錫焊接或導熱膠粘結導致的脫落、制冷效果差、導熱膠本身存在老化的問題;且陶瓷一體式管夾均為陶瓷材質，不存在膨脹系數不同導致的脫落；陶瓷一體式管夾底面進行金屬化處理，與TEC晶粒11焊接，由于陶瓷一體式管夾與晶粒11焊接方式同陶瓷基片12’與晶粒焊接方式一致，不會引入其他不良因素。本方法有效解決了管夾13或基座脫落問題，以及制冷或制熱不良的問題。
【主權項】
1.一種用于溫控的裝置，包括半導體制熱制冷器，所述半導體制熱制冷器的冷面設有晶粒陣列，所述晶粒陣列由高導熱金屬材料制成，所述晶粒陣列上方設有陶瓷基片以及用于容置雪崩二極管的管夾，其特征在于:所述管夾由陶瓷材料制成，所述管夾與陶瓷基片一體式燒制成型，所述陶瓷基片底部做金屬化處理，金屬化處理后的陶瓷基片底部與所述晶粒陣列焊接固定。2.根據權利要求1所述的用于溫控的裝置，其特征在于:所述管夾的側壁與陶瓷基片的上表面之間設有加強筋，所述加強筋與陶瓷基片和管夾一體式燒制成型。3.根據權利要求1或2所述的用于溫控的裝置，其特征在于:所述陶瓷基片和管夾由氧化招陶瓷制成。4.根據權利要求1所述的用于溫控的裝置，其特征在于:所述半導體制熱制冷器的冷面設有多層陶瓷基片，各層陶瓷基片相互平行間隔設置，且相鄰兩層陶瓷基片之間均設有晶粒陣列，其中最外層陶瓷基片與所述管夾一體式燒制成型。5.—種用于溫控的裝置，包括半導體制熱制冷器，所述半導體制熱制冷器的熱面設有晶粒陣列，所述晶粒陣列由高導熱金屬材料制成，所述晶粒陣列上方設有陶瓷基片以及用于容置波導元件的基座，其特征在于:所述基座由陶瓷材料制成，所述基座與陶瓷基片一體式燒制成型，所述陶瓷基片底部做金屬化處理，金屬化處理后的陶瓷基片底部與所述晶粒陣列焊接固定。6.根據權利要求5所述的用于溫控的裝置，其特征在于:所述基座的側壁與陶瓷基片的上表面之間設有加強筋，所述加強筋與陶瓷基片和基座一體式燒制成型。7.根據權利要求5或6所述的用于溫控的裝置，其特征在于:所述陶瓷基片和基座由氧化招陶瓷制成。8.根據權利要求5所述的用于溫控的裝置，其特征在于:所述半導體制熱制冷器的熱面設有多層陶瓷基片，各層陶瓷基片相互平行間隔設置，且相鄰兩層陶瓷基片之間均設有晶粒陣列，其中最外層陶瓷基片與所述基座一體式燒制成型。9.一種用于制造如權利要求1-8任意一項所述裝置的制造方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟1:將氧化鋁粉制備成I微米以下粉體； 步驟2:將有機粘結劑與氧化鋁粉體混合均勻，有機粘結劑比重為5%-20% ; 步驟3:將氧化鋁漿料注入模具； 步驟4:將模具放入燒結爐內進行初步靜壓燒結，初步靜壓燒結溫度控制在8000C ； 步驟5:初步燒結后脫模，采用平面加壓保證外形，然后進行高溫靜壓燒結，所述高溫靜壓燒結溫度控制在1200°C-2000°C ； 步驟6:燒結完成后，將注塑孔研磨平整，陶瓷基片與管夾或基座一體式結構制作完成； 步驟7:對陶瓷基片底部進行金屬化處理，使陶瓷基片底部牢固地粘附一層金屬薄膜； 步驟8:利用所述金屬薄膜將陶瓷基片與晶粒陣列焊接固定。10.根據權利要求9所述的制作方法，其特征在于:所述氧化鋁選用93-99氧化鋁中的任意一種。
【文檔編號】H01L23/34GK106024732SQ201610389976
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】祝海濤, 王林松, 王春松, 胡浩, 常磊
【申請人】科大國盾量子技術股份有限公司