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CN106024732A - 一种用于温控的装置及其制作方法 - Google Patents

一种用于温控的装置及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于单光子探测和量子保密通信领域，特别涉及一种用于温控的装置及其制作方法，装置包括与陶瓷基片一体式烧结成型的管夹或基座，陶瓷基片与管夹或基座形成的一体式结构由氧化铝陶瓷制成。本发明将陶瓷基片与管夹或基座设置成一体式结构，连接可靠，耐高低温循环、耐氧化、耐老化、使用寿命长；且能够适应大规模量产，提高了装置性能的一致性、可靠性。

Description

一种用于温控的装置及其制作方法
技术领域
本发明属于单光子探测和量子保密通信领域，特别涉及一种用于温控的装置及其制作方法。
背景技术
在单光子探测及量子保密通信技术领域中，常采用半导体制热制冷器(TEC)来控制雪崩二极管或波导元件的温度，雪崩二极管和波导元件分别放置在管夹和基座上，TEC先通过陶瓷基片将热量传导到管夹或基座，然后再通过管夹或基座将热量传导至雪崩二极管或波导元件，如图1所示，现有技术中管夹13’或基座与陶瓷基片12’为分体式结构，管夹13’或基座由金属材料制成，管夹13’或基座与陶瓷基片12’之间的结合面M大致有两种连接方式：
(1)TEC上表面的陶瓷基片12’与管夹13’或基座为焊锡焊接。该连接方式的缺陷在于：由于器件使用环境要求管夹或基座处于常温与-50℃或60℃的交替环境中，且工作环境内部不能去除空气中的水分，工作一段时间后TEC上表面的陶瓷基片12’金属化部分与管夹13’或基座焊锡焊接处会氧化，管夹13’或基座便会脱落，导致产品无法继续使用。
(2)TEC上表面的陶瓷基片12’与管夹13’或基座为导热硅胶粘结。该连接方式的缺陷在于：导热硅胶的导热系数过低，管夹13’或基座达到理想设置温度的时间较长，导热硅胶涂抹与固化工艺较繁琐，且导热硅胶存在老化问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种导热效果好、耐用度高的用于温控的装置，以及该装置的制作方法。
本发明是通过以下技术手段解决上述技术问题的：一种用于温控的装置，包括半导体制热制冷器，所述半导体制热制冷器的冷面设有晶粒阵列，所述晶粒阵列由高导热金属材料制成，所述晶粒阵列上方设有陶瓷基片以及用于容置雪崩二极管的管夹，所述管夹由陶瓷材料制成，且管夹与陶瓷基片一体式烧制成型，所述陶瓷基片底部做金属化处理，金属化处理后的陶瓷基片底部与所述晶粒阵列焊接固定；
优选的，所述管夹的侧壁与陶瓷基片的上表面之间设有加强筋，所述加强筋与陶瓷基片和管夹一体式烧制成型；
优选的，所述陶瓷基片和管夹由氧化铝陶瓷制成；
优选的，所述半导体制热制冷器的冷面设有多层陶瓷基片，各层陶瓷基片相互平行间隔设置，且相邻两层陶瓷基片之间均设有晶粒阵列，其中最外层陶瓷基片与所述管夹一体式烧制成型。
一种用于温控的装置，包括半导体制热制冷器，所述半导体制热制冷器的热面设有晶粒阵列，所述晶粒阵列由高导热金属材料制成，所述晶粒阵列上方设有陶瓷基片以及用于容置波导元件的基座，所述基座由陶瓷材料制成，且基座与陶瓷基片一体式烧制成型，所述陶瓷基片底部做金属化处理，金属化处理后的陶瓷基片底部与所述晶粒阵列焊接固定；
优选的，所述基座的侧壁与陶瓷基片的上表面之间设有加强筋，所述加强筋与陶瓷基片和基座一体式烧制成型；
优选的，所述陶瓷基片和基座由氧化铝陶瓷制成；
优选的，所述半导体制热制冷器的热面设有多层陶瓷基片，各层陶瓷基片相互平行间隔设置，且相邻两层陶瓷基片之间均设有晶粒阵列，其中最外层陶瓷基片与所述基座一体式烧制成型。
一种用于制造所述装置的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：将氧化铝粉制备成1微米以下粉体；
步骤2：将有机粘结剂与氧化铝粉体混合均匀，有机粘结剂比重为5％-20％；
步骤3：将氧化铝浆料注入模具；
步骤4：将模具放入烧结炉内进行初步静压烧结，初步静压烧结温度控制在800℃；
步骤5：初步烧结后脱模，采用平面加压保证外形，然后进行高温静压烧结，所述高温静压烧结温度控制在1200℃-2000℃；
步骤6：烧结完成后，将注塑孔研磨平整，陶瓷基片与管夹或基座一体式结构制作完成；
步骤7：对陶瓷基片底部进行金属化处理，使陶瓷基片底部牢固地粘附一层金属薄膜；
步骤8：利用所述金属薄膜将陶瓷基片与晶粒阵列焊接固定；
优选的，所述氧化铝选用93-99氧化铝中的任意一种。
本发明的技术效果在于：本发明将陶瓷基片与管夹或基座设置成一体式结构，连接可靠，耐高低温循环、耐氧化、耐老化、使用寿命长；且能够适应大规模量产，提高了装置性能的一致性、可靠性。
附图说明
图1是现有技术中的温控装置结构示意图；
图2是本发明的立体结构示意图；
图3是本发明的管夹立体结构示意图；
图4是本发明的基座立体结构示意图。
具体实施方式
下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图2、3所示，一种用于温控的装置，包括半导体制热制冷器10，所述半导体制热制冷器10的冷面设有晶粒阵列11，所述晶粒阵列11由高导热金属材料制成，所述晶粒阵列11上方设有陶瓷基片12以及用于容置雪崩二极管的管夹13，所述管夹13为半管状结构，管夹13上设有至少一个用于容置雪崩二极管的弧形槽131，所述管夹13由陶瓷材料制成，且管夹13与陶瓷基片12一体式烧制成型，所述陶瓷基片12底部做金属化处理，金属化处理后的陶瓷基片12底部与所述晶粒阵列11焊接固定。管夹13与半导体制热制冷器10上表面的陶瓷基片12制作成一体结构，可以大幅度增加温控装置的使用寿命，增加产品可靠性，节约成本。
优选的，所述管夹13的侧壁与陶瓷基片12的上表面之间设有加强筋15，所述加强筋15与陶瓷基片12和管夹13一体式烧制成型。无加强筋15的机构，也可以满足使用需求，但考虑到结构的完美性，引入加强筋15，可以大幅度优化平面度与圆度，再次增加产品可靠性。
优选的，所述陶瓷基片12和管夹13由氧化铝陶瓷制成。在设计该一体结构时，首先难点是材质的选择，要有良好的导热及一定的结构强度，试验93-99氧化铝都可满足使用要求。
优选的，所述半导体制热制冷器10的冷面设有多层陶瓷基片，各层陶瓷基片相互平行间隔设置，且相邻两层陶瓷基片之间均设有晶粒阵列，其中最外层陶瓷基片12与所述管夹13一体式烧制成型。
实施例2
如图2结合图4所示，一种用于温控的装置，包括半导体制热制冷器10，所述半导体制热制冷器10的热面设有晶粒阵列11，所述晶粒阵列11由高导热金属材料制成，所述晶粒阵列11上方设有陶瓷基片12以及用于容置波导元件的基座14，所述基座14为条槽状结构，所述基座14由陶瓷材料制成，且基座14与陶瓷基片12一体式烧制成型，所述陶瓷基片12底部做金属化处理，金属化处理后的陶瓷基片12底部与所述晶粒阵列11焊接固定。
优选的，所述基座14的侧壁与陶瓷基片12的上表面之间设有加强筋15，所述加强筋15与陶瓷基片12和基座14一体式烧制成型。
优选的，所述陶瓷基片12和基座14由氧化铝陶瓷制成。
优选的，所述半导体制热制冷器10的热面设有多层陶瓷基片，各层陶瓷基片相互平行间隔设置，且相邻两层陶瓷基片之间均设有晶粒阵列，其中最外层陶瓷基片12与所述基座14一体式烧制成型。
实施例3
本发明还提供了一种上述实施例1和2的温控装置的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：将氧化铝粉制备成1微米以下粉体；
步骤2：将有机粘结剂与氧化铝粉体混合均匀，有机粘结剂比重为5％-20％。
步骤3：将氧化铝浆料注入模具，模具的设计可根据管夹13或基座14的形状来具体考虑，以适应实际使用需求为准；
步骤4：将模具放入烧结炉内进行初步静压烧结，初步静压烧结温度控制在800℃；
步骤5：初步烧结后脱模，采用平面加压保证外形，然后进行高温静压烧结，所述高温静压烧结温度控制在1200℃-2000℃；
步骤6：烧结完成后，将注塑孔研磨平整，陶瓷基片12与管夹13或基座14一体式结构制作完成；
步骤7：对陶瓷基片12底部进行金属化处理，使陶瓷基片12底部牢固地粘附一层金属薄膜；陶瓷金属化是在陶瓷表面牢固地粘附一层金属薄膜，使之实现陶瓷和金属间的焊接，现有钼锰法、镀金法、镀铜法、镀锡法、镀镍法等多种陶瓷金属化工艺；以陶瓷镀镍为例，主要步骤有煮洗、金属化涂敷、一次金属化(高温氢气气氛中烧结)、镀镍、焊接；金属化的主要目的就是达到金属与陶瓷之间可焊接。
步骤8：利用所述金属薄膜将陶瓷基片与晶粒阵列焊接固定；
优选的，所述氧化铝选用93-99氧化铝中的任意一种，本发明优选采用95氧化铝，并将初步静压烧结温度控制在800℃，高温静压烧结温度控制在1500℃。
本发明将半导体制热制冷器(TEC)最上层的陶瓷基片12与管夹13或基座14制作为陶瓷一体式结构，可避免由于金属管夹13’或基座与TEC上表面的陶瓷基片12’连接方式为焊锡焊接或导热胶粘结导致的脱落、制冷效果差、导热胶本身存在老化的问题；且陶瓷一体式管夹均为陶瓷材质，不存在膨胀系数不同导致的脱落；陶瓷一体式管夹底面进行金属化处理，与TEC晶粒11焊接，由于陶瓷一体式管夹与晶粒11焊接方式同陶瓷基片12’与晶粒焊接方式一致,不会引入其他不良因素。本方法有效解决了管夹13或基座脱落问题，以及制冷或制热不良的问题。

Claims (10)

1.一种用于温控的装置，包括半导体制热制冷器，所述半导体制热制冷器的冷面设有晶粒阵列，所述晶粒阵列由高导热金属材料制成，所述晶粒阵列上方设有陶瓷基片以及用于容置雪崩二极管的管夹，其特征在于：所述管夹由陶瓷材料制成，所述管夹与陶瓷基片一体式烧制成型，所述陶瓷基片底部做金属化处理，金属化处理后的陶瓷基片底部与所述晶粒阵列焊接固定。
2.根据权利要求1所述的用于温控的装置，其特征在于：所述管夹的侧壁与陶瓷基片的上表面之间设有加强筋，所述加强筋与陶瓷基片和管夹一体式烧制成型。
3.根据权利要求1或2所述的用于温控的装置，其特征在于：所述陶瓷基片和管夹由氧化铝陶瓷制成。
4.根据权利要求1所述的用于温控的装置，其特征在于：所述半导体制热制冷器的冷面设有多层陶瓷基片，各层陶瓷基片相互平行间隔设置，且相邻两层陶瓷基片之间均设有晶粒阵列，其中最外层陶瓷基片与所述管夹一体式烧制成型。
5.一种用于温控的装置，包括半导体制热制冷器，所述半导体制热制冷器的热面设有晶粒阵列，所述晶粒阵列由高导热金属材料制成，所述晶粒阵列上方设有陶瓷基片以及用于容置波导元件的基座，其特征在于：所述基座由陶瓷材料制成，所述基座与陶瓷基片一体式烧制成型，所述陶瓷基片底部做金属化处理，金属化处理后的陶瓷基片底部与所述晶粒阵列焊接固定。
6.根据权利要求5所述的用于温控的装置，其特征在于：所述基座的侧壁与陶瓷基片的上表面之间设有加强筋，所述加强筋与陶瓷基片和基座一体式烧制成型。
7.根据权利要求5或6所述的用于温控的装置，其特征在于：所述陶瓷基片和基座由氧化铝陶瓷制成。
8.根据权利要求5所述的用于温控的装置，其特征在于：所述半导体制热制冷器的热面设有多层陶瓷基片，各层陶瓷基片相互平行间隔设置，且相邻两层陶瓷基片之间均设有晶粒阵列，其中最外层陶瓷基片与所述基座一体式烧制成型。
9.一种用于制造如权利要求1-8任意一项所述装置的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：将氧化铝粉制备成1微米以下粉体；
步骤2：将有机粘结剂与氧化铝粉体混合均匀，有机粘结剂比重为5％-20％；
步骤3：将氧化铝浆料注入模具；
步骤4：将模具放入烧结炉内进行初步静压烧结，初步静压烧结温度控制在800℃；
步骤5：初步烧结后脱模，采用平面加压保证外形，然后进行高温静压烧结，所述高温静压烧结温度控制在1200℃-2000℃；
步骤6：烧结完成后，将注塑孔研磨平整，陶瓷基片与管夹或基座一体式结构制作完成；
步骤7：对陶瓷基片底部进行金属化处理，使陶瓷基片底部牢固地粘附一层金属薄膜；
步骤8：利用所述金属薄膜将陶瓷基片与晶粒阵列焊接固定。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于：所述氧化铝选用93-99氧化铝中的任意一种。
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