一种半导体致冷器下脱模装置的制作方法

本发明属于温差电技术领域，尤其涉及一种半导体致冷器下脱模装置。

背景技术：

目前，致冷器已经在空间领域获得了广泛的应用，特别是在星敏感器、低温黑体、红外CCD、环路热管、激光测距仪等单机上的应用得到了长足的进步和发展。当前致冷器是以高面比H/S≤2.5mm^-1(温差电元件截面边长≥1mm)的温差电元件为主体设计的，随着各种敏感器、探测器几何尺寸越做越小，为之提供致冷和控温的致冷器必须向小型化、微型化发展。微型化致冷器的应用更加广泛，首先能够节省温差电材料，相同质量的温差电材料可以制备更多的温差电致冷器，大幅度节省铋、锑、碲、硒的开采；其二，器件微型化可有效的降低其不同构成材质的制造应力水平，大大提高致冷器的可靠性；第三，能够有效的提高致冷器的致冷功率密度，满足较大功率密度场合的应用，从传统致冷器的12W/cm²提升到27W/cm²。

微型半导体致冷器的显著特征是体积小、温差电元件小。微型化的致冷器结构面积通常不大于20mm×20mm，温差电元件截面尺寸覆盖0.3mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm，温差电元件高度以0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm成谱系化分布。温差电元件几何尺寸的“极速缩水”，温差电元件单体的耐受力，包括剪力、压力、拉力，必然几何倍数的缩小，导致致冷器的集成、装配和组装过程的工艺要求就会变得苛刻。常规致冷器焊接面较大，可承受较大的力，具备相当的机械强度，能够与拔模工艺相适应同时保证成品产出率和良好的器件机械性强度。微型致冷器采用拔模工艺脱模时的成品率仅18％，这个数值下的微型致冷器成品，无论从机械强度和可靠性角度考虑，都无法进行产品化，尤其无法胜任高可靠性要求的空间应用。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体致冷器下脱模装置，通过从施力和受力角度出发，降低脱模过程温差电元件的受力，使其脱模时的受力特别是剪切方向的受力近乎为零，从根本上解决温差电元件机械强度和可靠性的问题，从而有效、大幅度的提高脱模成品率，从工艺实施上保证温差电元件的机械强度和工艺稳定性，保证致冷器的可靠性。

本发明提供了一种半导体致冷器下脱模装置，其包括机架、模具系统和导向梯，其中所述模具系统包括下凸模具和上凹模具，所述下凸模具设于所述机架上，所述上凹模具上设有温差电元件定位孔，垫块一端与所述下凸模具一体化连接，所述垫块的另一端插入所述温差电元件定位孔内，所述下凸模具上设有导向滑槽，所述导向梯通过滑块与所述导向滑槽滑动连接，所述上凹模具的下端面与所述导向梯的阶梯面相接触。

以上技术方案优选的，所述半导体致冷器下脱模装置还包括导向运动机构，所述导向运动机构包括中空压槽、导向杆和导向齿轮，所述机架上设有齿轮轴，所述导向齿轮设于所述齿轮轴上，所述导向杆上设有导向齿条，所述导向齿条与所述导向齿轮啮合，所述中空压槽与所述导向杆的下端可拆卸连接。

以上技术方案优选的，所述中空压槽上端设有凸台，所述导向杆下端设有凹槽，所述凸台与凹槽上分别设有定位孔，定位螺栓穿过所述定位孔实现所述中空压槽与导向杆的可拆卸连接。

以上技术方案优选的，所述齿轮轴一端设有下压手柄，用于对导向杆的向下运动施力。

以上技术方案优选的，发条缠绕紧固于所述齿轮轴的另一端，用于实现导向杆下行运动结束后自动回弹。

以上技术方案优选的，所述下凸模具与上凸模具上分别设有导向定位销孔，导向定位销分别插入所述导向定位销孔内。

以上技术方案优选的，温差电元件部分插入所述上凹模具的温差电元件定位孔内。

以上技术方案优选的，所述温差电元件高度的70％～85％插入所述上凹模具的温差电元件定位孔内。

以上技术方案优选的，所述温差电元件定位孔为方孔，所述温差电元件定位孔的边长比所述温差电元件的边长大0.03～0.07mm。

以上技术方案优选的，所述中空压槽的下端为开口状，所述温差电元件上焊接有陶瓷片，所述中空压槽的开口宽度大于所述陶瓷片的宽度。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.本发明通过从施力和受力角度出发，降低脱模过程温差电元件的受力，使其脱模时的受力特别是剪切方向的受力近乎为零，从根本上解决温差电元件机械强度和可靠性的问题，从而有效、大幅度的提高脱模成品率，能够避免拔模工艺对温差电元件的损坏，有效保证温差电元件的完整度，从根本上提高致冷器的可靠度；

2.脱模成品率大幅度提高，极大降低了生产过程成本，有助于打开微型器件市场、提高市场占有率，能够有效地提高微型致冷器下脱模成品率大幅度提升，脱模成品率≥91％；

3.有效地保证了致冷器的可靠性，为微型器件的空间应用奠定了坚实的基础，有助于未来在激光、光电子、紫红外敏感器的一体化封装技术的快速进步和自主知识产权的一体化封装产品占领国内国际市场。

附图说明

图1是本发明一实施例的整体结构示意图

图2是本发明一实施例的导向杆运动副示意图

图3是本发明一实施例的下凸模具结构示意图

图4是本发明一实施例的上凹模具结构示意图

图中，1-机架；2-下凸模具；3-垫块；4-导向梯；5-导向定位销；6-上凹模具；71-温差电元件；72-陶瓷片；8-中空压槽；9-定位螺栓；10-导向杆；11-发条盒；12-下压手柄；13-温差电元件定位孔；14-导向齿轮；15-导向滑槽；16-导向定位销孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明一实施例提供一种半导体致冷器下脱模装置，如图1所示，其包括机架1、模具系统和导向梯4，其中模具系统包括下凸模具2和上凹模具6，下凸模具设于机架上，如图3和图4所示，下凸模具与上凹模具上分别设有导向定位销孔16，上凹模具上设有温差电元件定位孔13，导向定位销5分别插入导向定位销孔内，垫块3与下凸模具一体化连接，垫块的另一端插入上凹模具的温差电元件定位孔内，下凸模具上设有导向滑槽15，导向梯4通过滑块与导向滑槽滑动连接，上凹模具的下端面与导向梯的阶梯面相接触。

如图1所示，半导体致冷器下脱模装置还包括导向运动机构，导向运动机构包括中空压槽8、导向杆10和导向齿轮14，机架1上设有齿轮轴(图中未示出)，导向齿轮设于齿轮轴上，导向杆上设有导向齿条，导向齿条与导向齿轮啮合，中空压槽8与导向杆10的下端可拆卸连接。

优选的，中空压槽8上端设有凸台，导向杆10下端设有凹槽，凸台与凹槽上分别设有定位孔，定位螺栓9穿过定位孔实现中空压槽与导向杆的可拆卸连接。

齿轮轴一端设有下压手柄12，用于对导向杆的向下运动施力。发条缠绕紧固于齿轮轴的另一端，用于实现导向杆10下行运动结束后自动回弹，发条外设有发条盒11。

温差电元件71部分插入上凹模具的温差电元件定位孔13内，温差电元件71高度的70％～85％插入上凹模具的温差电元件定位孔13内。

温差电元件定位孔13为方孔，温差电元件定位孔的边长比温差电元件71的边长大0.03～0.07mm。中空压槽8的下端为开口状，温差电元件71上焊接有陶瓷片72，中空压槽的开口宽度大于陶瓷片的宽度。

下凸模具2和上凹模具6材料为不锈钢，采用数控线切割机床进行加工，在截面方的根部采用丝线清根技术，清除根部的多余材料或者去除圆角，使截面方根部完全矩形化，提高其光洁程度，减小脱模阻力；上凹模具温差电元件定位孔13尺寸比温差电元件截面尺寸稍稍宽出0.03～0.07mm，同时保证温差电元件定位孔13侧壁与基准水平面的垂直度；下凸模具2和上凹模具6可根据不同设计满足多种微型器件的脱模需求，覆盖元件高度0.8mm～4mm，元件截面长度面0.3mm～2.2mm的所有器件的尺寸构型和产品谱系，垫块3下端与下凸模具2一体化连接，通过线切割成型技术制备出与上凹模具6的温差电元件定位孔位置吻合的负公差垫块，垫块截面边长比温差电元件边长小0mm～0.05mm。

导向梯4采用6061铝合金材料，采用精密铣削技术加工，发黑处理，无光黑漆的黑度为0.96～0.98，步长0.2mm，根据不同产品步长范围0.2mm～1mm；中空压槽8采用A3材质，经过精加工后确保其垂直度，中间铣削中孔，有效利用空间减轻重量，中空压槽8的顶部凸台预埋部分加工与定位螺栓9紧配合的光孔，确保定位螺栓9拧紧时中空压槽8与下凸模具2的平行度；导向杆10和导向齿轮14采用20CrMnTi合金结构钢制成，渗碳淬火处理，表面硬度HRC55以上，保证二者良好的硬度和刚性，避免长期啮合使用磨损、变形，本实施例设计导向齿轮转动一个齿，导向杆向下运行0.2mm的距离，可根据产品工艺需要完成0.2mm～1mm距离的直线运动，其具体数值可以根据实际生产加工进行适应性改变。

发条盒11装在与下压手柄12异侧的对称位置，发条盒11内装有S型发条，在发条盒内沿着导向齿轮轴预紧，确保在停止下压手柄12的操作时及时回弹复位；下压手柄12在手工模式操作时，为导向杆10和导向齿轮14的运动副提供动力，下压手柄12与导向齿轮14为一体化连接；导向滑槽15实现导向梯4的定位和定向运动提供固定路径，滑槽深度和宽度可根据不同尺寸的导向梯设计，覆盖范围宽；导向梯4与导向滑槽15可配合步进电机控制导向杆的自动化运动，导向滑槽15可采用气动控制，与步进电机的动作时序设置程序进行衔接，气动控制的压力范围是100PSI～150PSI，确保导向梯4稳定精确移动。

下凸模具2是包含导向定位销5、导向滑槽15和支撑温差电元件71的垫块3构成的复合结构，该模具必须光洁圆润采用酸洗方案去除表面毛刺，并在其表面形成一个良好的钝化膜，保证模具耐磨损特性；上凹模具6是温差电元件71和焊接后的致冷器半成品的载体，加工精度要求高，为了保证温差电元件71的定位精度，本实施例中，温差电元件定位孔13的尺寸比温差电元件截面尺寸稍稍宽处0.05mm；导向杆10和导向齿轮14啮合成为运动副，在导向齿轮14的运动下，为导向杆10提供下行位移；导向杆10通过定位螺栓9将中孔压槽8与其配合连接，形成一体化装置，靠导向齿轮14的啮合实现下行位移，逐步将上凹模具6向下施压，在导向定位销5和垫块3的精准导程内逐步向下运动，最终实现焊接陶瓷片72的致冷器半成品无损脱出。

选用A3钢加工机架1，首先精密铣削出操作平台，台面的平面度≤0.02mm，平行度≤0.03mm，在操作平台的正上方预留导向杆10的过往的圆柱形通孔；机架的圆柱形通孔内部安装导向杆10，导向杆10上加工图2所示的齿条，在导向杆10的齿条处配合导向杆安装导向齿轮14和导向齿轮轴，导向齿轮轴的两侧分别与下压手柄12和发条相接，下压手柄12通过螺纹拧紧在齿轮轴的一侧，用于对导向杆10的下行运动施力，发条缠绕紧固在齿轮轴的另一侧，用于实现导向杆10下行结束后通过发条的拧紧力矩作用自动回弹，发条固定在发条盒11内；导向杆10的下部加工与中空压槽8相匹配的凹槽，该凹槽为盲孔，盲孔深度与中空压槽8的凸台尺寸一致，导向杆10下部的凹槽能够实现中空凹槽8的良好定位，垂直于凹槽与凸台接触面的方向加工有定位螺栓9定位孔，通过定位螺栓二次保证中空压槽8的良好定位；下凸模具2与机架1的操作平台接触，置于导向杆10的正下方，下凸模具2上加工导向滑槽15、导向定位销5和垫块3，导向梯4由导向滑槽15两侧缓缓划入，固定在预定位置，沿着导向定位销5和垫块3的延伸方向沿重力方向放入上凹模具6，定位结束后进行温差电元件71排布和装入，然后实施陶瓷片72与温差电元件71的焊接，形成焊接陶瓷片的致冷器半成品，此时开始操作下压手柄12，使导向齿轮14和导向杆10啮合，使导向杆10下行，传递力到中空压槽8，施加在上凹模具6上，压紧，无下行位移后停止啮合机构的运动，导向杆10在发条的作用下回弹复位，将导向梯4沿着导向滑槽15向左右两侧移动一个步长本实施例选取步长为0.02mm，其他设计尺寸也可以，再次下压下压手柄12，将上凹模具6下行0.02mm，松开下压手柄12，导向杆10回弹复位，将导向梯4研制导向滑槽15分别向左右两侧移动一个步长0.02mm，再次下压下压手柄12，将上凹模具6下行0.02mm，周期往复，最终实现焊接陶瓷片的致冷器半成品完全从上凹模具6中脱出，该工艺流程结束，进入下个产品的工艺操作。

机架1结构是整个装置的基础，机架结构是为模具系统提供表面光洁平整的操作平台，为导向运动机构提供结构性定位基点，机架结构具备良好的结构强度和刚度。

上凹模具6通过导向定位销5的精确定位沿自由重力方向落入下凸模具2中，在下凸模具2和上凹模具6的侧面两端，沿着下凸模具的导向滑槽15精确滑入导向梯4，通过导向梯的梯级和步数确定下凸模具在上凹模具中所占据的位置刻度，以及上凹模具剩余的空间位置刻度，这个空间剩余量取决于温差电元件71的高度，本实施例选取嵌入上凹模具的温差电元件71的高度为温差电元件总高度为80％，即温差电元件有20％露在上凹模具6的外部，这一部分是实施陶瓷片72和温差电元件71集成焊接的区域，在温差电元件伸出端焊接陶瓷片，对焊接后的致冷器半成品进行脱模是本实施例的重点，模具系统保障致冷器半成品具备良好的定位。

导向运动机构中下压手柄12是导向运动机构的实施主体，对下压手柄12施力，导向齿轮14和导向杆10啮合，导向杆形成向下运动，与导向杆一体化的中空压槽8按照固定步长向下运动，一个步长运动结束后放开下压手柄12，导向杆在与导向齿轮同轴的发条的收紧力作用下反向运动，向上回弹复位，再将导向梯按照一个步长分别向左右两侧移动，在导向梯4和上凹模具6之间形成一个步长高度差的空位，再次摇动下压手柄12，利用导向杆10的向下运动压下上凹模具6，使上凹模具再次与导向梯4的梯级平面相接，如此循环往复，上凹模具6在导向杆10的施力下压作用之下，逐渐下移，而嵌在上凹模具6中的致冷器半成品在未受任何侧方应力的条件下逐渐脱出，最终实现致冷器半成品的完整脱出，完成整个工艺操作过程。

需要进行自动化生产的情形下，可以设置步进电机，并优化导向梯4的控制模式，通过时间继电器、PLC程序设置可以实现自动化操作，节省人力资源，大批量操作时可以并行设计多个中空压槽8的并联结构实现多线程操作，提高效率。

该装置能够避免拔模工艺对温差电元件的损坏，有效保证温差电元件的完整度，从根本生提高致冷器的可靠度；脱模成品率大幅度提高，极大降低了生产过程成本，有助于打开微型器件市场、提高市场占有率，能够有效地提高微型致冷器下脱模成品率大幅度提升，脱模成品率≥91％；使微型器件的致冷功率密度由从传统致冷器的12W/cm²提升到27W/cm²。

以上对本发明的一实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。