一种squid芯片封装结构装置与封装方法
阅读说明：本技术 一种squid芯片封装结构装置与封装方法 (SQUID chip packaging structure device and packaging method ) 是由 王海 张志聃 李子豪 朱浩波 孔祥燕 于 2021-05-27 设计创作，主要内容包括：提供一种SQUID芯片的封装结构装置与封装方法,包括SQUID芯片(1)与冷指(2),冷指(2)与杜瓦连接,还包括粘贴在导热性金属垫片(3)上的FPC柔性电路板(4),所述SQUID芯片(1)粘贴在FPC柔性电路板(4)上,所述FPC柔性电路板(4)及金属垫片(3)代替传统的PCB板电路板作为SQUID芯片(1)的底部封装；所述金属垫片(3)粘贴在冷指(2)上面,并与冷指(2)贴合；SQUID芯片(1)更换方便；FPC柔性电路板(4)厚度薄,制冷效果好。(The SQUID chip packaging structure device comprises a SQUID chip (1), a cold finger (2), a Dewar and an FPC (flexible printed Circuit) board (4) adhered to a heat-conducting metal gasket (3), wherein the SQUID chip (1) is adhered to the FPC (flexible printed Circuit) board (4), and the FPC (flexible printed Circuit) board (4) and the metal gasket (3) replace a traditional PCB (printed Circuit Board) board to serve as bottom packaging of the SQUID chip (1); the metal gasket (3) is adhered to the cold finger (2) and is attached to the cold finger (2); the SQUID chip (1) is convenient to replace; the FPC flexible circuit board (4) is thin in thickness and good in refrigerating effect.)
技术领域
：本发明涉及一种超导量子干涉器件(Superconducting Quantum InterferenceDevice，简称SQUID)芯片封装结构装置与封装方法，尤其是一种用作磁显微镜(MagneticMicroscope)探头的SQUID芯片封装结构装置与封装方法。
背景技术
：近年来由于超导量子干涉器件极好的空间、磁场分辨率和被动性无损检测的先天优势，同时随着集成电路技术的发展，使用SQUID检测样品磁性的磁扫描SQUID显微镜(MSSM)技术吸引了越来越多研究者的兴趣。
根据待测样品是否与制冷剂直接接触，SSM主要分成冷指式和浸泡式两种。其中冷指式，受杜瓦内部气压及制冷液面变化影响较小，相对浸泡式更适用于低速移动平台，但是其芯片与冷指连接处热传导的好坏是影响系统运行的难点之一。因为现有SQUID封装大多是将芯片通过胶水粘到PCB板上，再用胶水将PCB与冷指粘接。其优势是冷指设计简单，方便测试多种不同构型的器件，但是不足是PCB较厚，热传导较差，制冷剂损耗快，严重时期间可能无法工作。另一种封装方式是直接将SQUID芯片用胶水与冷指粘贴。这种方式热传导好，但是芯片与外部电路链接复杂，后期维护成本高。因此设计一种热传导好，芯片与外部电路连接方便的方案一直是SSM技术发展的方向之一。
发明内容
：本发明所要解决的技术问题是提供一种SQUID芯片封装结构装置与封装方法，尤其是一种用作磁显微镜探头的SQUID的封装结构装置与封装方法。
为了解决上述技术问题，本发明一种SQUID芯片封装结构装置,尤其是一种用作磁显微镜探头的SQUID的封装结构装置,的技术方案为：
一种用于制作磁显微镜探头的SQUID芯片封装结构装置，包括SQUID芯片与冷指，冷指与杜瓦连接，其特征在于，还包括粘贴在导热性金属垫片上的FPC柔性电路板，所述SQUID芯片粘贴在FPC柔性电路板上，所述FPC柔性电路板及金属垫片代替传统的PCB板电路板作为SQUID芯片的底部封装；所述金属垫片粘贴在冷指上面，并与冷指贴合。
以下为本发明本发明一种SQUID芯片封装结构装置,尤其是一种用作磁显微镜探头的SQUID的封装结构装置进一步的方案：
所述SQUID芯片的电极与FPC柔性的电路板电极通过Bonding线连接，FPC柔性电路板通过CNN连接器与杜瓦低温连接线连接；所述金属垫片选用紫铜垫片。
所述FPC柔性电路板上开设用于容纳SQUID芯片的容纳槽，容纳槽中加入低温胶，将所述SQUID芯片粘贴在FPC柔性电路板上的容纳槽上；金属垫片与冷指之间也用低温胶粘接。
所述FPC柔性电路板开设第一过孔，用于连接FPC电极与低温线缆的插排插入第一过孔，并焊接在FPC柔性电路板上，同时，所述插排连接低温线缆与FPC柔性电路板；所述金属垫片也在对应位置开设第二过孔，第二过孔的孔径大于第二过孔，所述插排穿过第二过孔。
所述FPC柔性电路板上方设置固定套件，固定套件在整个SQUID芯片所在位置开设缺口，固定套件包括至少2个向下伸出的可拆卸的连接螺栓，所述连接螺栓穿过FPC柔性电路板与金属垫片并与冷指固定连接。
为了解决上述技术问题，本发明一种SQUID芯片的封装方法,尤其是一种用作磁显微镜探头的SQUID的封装方法的技术方案为：
一种用于制作磁显微镜探头的SQUID芯片的封装方法，包括SQUID芯片与冷指，冷指与杜瓦连接，其特征在于，还包括粘贴在导热性金属垫片上的FPC柔性电路板，所述SQUID芯片粘贴在FPC柔性电路板上，所述FPC柔性电路板及金属垫片代替传统的PCB板电路板作为SQUID芯片的底部封装；所述金属垫片粘贴在冷指上面，并与冷指贴合。
以下为本发明本发明一种SQUID芯片的封装方法,尤其是一种用作磁显微镜探头的SQUID的封装方法进一步的方案：
所述SQUID芯片的电极与FPC柔性的电路板电极通过Bonding线连接，FPC柔性电路板通过CNN连接器与杜瓦低温连接线连接；所述金属垫片选用紫铜垫片。
所述FPC柔性电路板上开设用于容纳SQUID芯片的容纳槽，容纳槽中加入低温胶，将所述SQUID芯片粘贴在FPC柔性电路板上的容纳槽上；金属垫片与冷指之间也用低温胶粘接。
所述FPC柔性电路板开设第一过孔，用于连接FPC电极与低温线缆的插排插入第一过孔，并焊接在FPC柔性电路板上，同时，所述插排连接低温线缆与FPC柔性电路板；所述金属垫片也在对应位置开设第二过孔，第二过孔的孔径大于第二过孔，所述插排穿过第二过孔。
所述FPC柔性电路板上方设置固定套件，固定套件在整个SQUID芯片所在位置开设缺口，固定套件包括至少2个向下伸出的可拆卸的连接螺栓，所述连接螺栓穿过FPC柔性电路板与金属垫片并与冷指固定连接。
本发明提供一种SQUID芯片封装结构装置与封装方法，尤其是一种用作磁显微镜探头的SQUID的封装结构装置与封装方法。本发明最突出的优势是：1)更换芯片方便；2)FPC厚度薄，制冷效果好。本发明能够在减少引线的基础上提高热传导率，从而实现导热均匀，制作简单，提高芯片测试准确性与稳定性等优势。同时此设计使用小型杜瓦，减少低温液体的消耗，也使芯片的测试更加便利。对于超导电子学在磁场检测方面的应用提供了更加优良的条件，是一种在芯片检测方面值得推广的技术。
因为FPC柔性线路板厚度仅为几十um，而PCB线路板厚度一般为几个mm，二者厚度相差百倍左右，所以FPC柔性线路板的热传导效率比PCB线路板高得多。避免低温线与SQUID的高温焊接动作，保护器件，改善使用压接方案造成的SQUID与低温线的欧姆接触不良。同时FPC底部紫铜板的设计，降低了FPC因为厚度太小，柔性太大，多次冷热循环之后FPC与SQUID之间粘贴出现缝隙，最后引起封装失效的可能性。并且导热性金属垫片,尤其是紫铜垫片，与冷指具有很好的热导率，不会因为增加垫片降低了SQUID的制冷效果。有利于后期多通道系统的集成，测试，更换配件及后期维护。插排设计，避免了低温线在接头处的缠绕，减少走线长度。FPC上方的固定套件，增加了FPC与冷指的机械和热连接；对于侧面开窗和底部开窗的杜瓦设计，此套件避免了因为FPC重量导致FPC从冷指滑落。
附图说明
图1为本发明SQUID芯片封装结构装置示意图；
图2为FPC柔性的电路板与金属垫片示意图；
图3为设置有固定套件的SQUID芯片封装结构装置示意图；
图4为设置有固定套件的SQUID芯片封装结构装置及外部电路示意图；
以上各附图均是示意性的，并不与实际比例相对应。
各图中标号所指示的部分为：1、SQUID芯片；2、冷指；3、金属垫片；4、FPC柔性电路板；5、Bonding线；6、容纳槽；7、低温胶；8、插排；9、第一过孔；10、第二过孔；11、固定套件；12、缺口；13、连接螺栓；14.外部电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1至图3所示,本发明用于制作磁显微镜探头的SQUID芯片1封装结构装置，包括SQUID芯片1与冷指2，冷指2与杜瓦连接，还包括粘贴在导热性金属垫片3上的FPC柔性电路板4，SQUID芯片1粘贴在FPC柔性电路板4上，FPC柔性电路板4及金属垫片3代替传统的PCB板电路板作为SQUID芯片1的底部封装；金属垫片3粘贴在冷指2上面，并与冷指2贴合。SQUID芯片1的电极与FPC柔性电路板4的电极通过Bonding线5连接，FPC柔性电路板4通过CNN连接器与杜瓦低温连接线连接。由于FPC柔性电路板4刚度不够，柔软易产生形变；解决方案：通过在SQUID芯片1底面粘贴导热性金属垫片3来补偿其强度，且金属垫片3进一步提高热传导效果。金属垫片3的材质以紫铜为佳，所以可优先选用紫铜垫片。
本发明所涉及的磁显微镜按其不同的成像方式，主要包括扫描式、阵列式两种，扫描式磁显微镜也简称为磁扫描显微镜。虽然扫描式、阵列式两种磁显微镜的具体结构有所不同，但其SQUID芯片的封装结构与封装方法均可采用本发明的方案。
如图1、图2所示,FPC柔性电路板4上开设用于容纳SQUID芯片1的容纳槽6，容纳槽6中加入低温胶7，将SQUID芯片1粘贴在FPC柔性电路板4上的容纳槽6上。金属垫片3与冷指2之间也用低温胶7粘接。FPC柔性电路板4开设第一过孔9，用于连接FPC柔性电路板4r电极与低温线缆的插排8插入第一过孔9，并焊接在FPC柔性电路板4上，同时，插排8连接低温线缆与FPC柔性电路板4。金属垫片3也在对应位置开设第二过孔10，第二过孔10的孔径大于第一过孔9，插排8穿过第二过孔10，就可连接外部电路14,可对照图4所示。
另外，为了固定FPC柔性电路板4，尤其是，对于侧面开窗和底部开窗的杜瓦，避免FPC柔性电路板4从冷指2处滑落，如图3所示,FPC柔性电路板4上方可设置固定套件11，固定套件11在整个SQUID芯片1所在位置开设缺口12，固定套件11包括至少2个向下伸出的可拆卸的连接螺栓13，连接螺栓13穿过FPC柔性电路板4与金属垫片3并与冷指2固定连接。如图4所示,插排8穿过第二过孔10，连接外部电路14。
具体制作步骤为：(1)首先，设计SQUID芯片1版图与适配的FPC柔性电路板4，其中FPC柔性电路板4厚度设计为60um，SQUID芯片1采用SQUID磁强计(梯度计)。过孔直径设计为孔0.7mm，外延扩展0.2mm。采用0.6mm圆形镀金形式的排针。紫铜垫板的厚度设计为0.2mm。紫铜垫片按照FPC过孔设计，过孔位置相同，直径为过孔设计为孔直径1mm。(2)取0.5g型号为LakeShore IMI 7031Varnish低温胶，均匀涂抹在FPC上，将芯片粘贴牢固，并烘烤。(3)将插排8与FPC柔性电路板4焊接牢固。(4)使用型号为WEST-BOND 7476E的Bonding机将SQUIDBias/Feedback/Heating等功能PAD与FPC Bonding，并做电信号连通测试。(5)使用低温胶7，将FPC柔性电路板4与冷指2粘接牢固。(6)使用固定套件，将FPC柔性电路板4与冷指2连接牢固，增加机械稳定性。(7)将低温线缆与FPC柔性电路板4排针连接，并测试与杜瓦外围接口导通性。(8)将杜瓦Insert等其他套件按照指定顺序组装完成。将整个小系统用支架悬空固定，在其下方放置一个10匝的通电线圈，其材料为铜。线圈通入电流大小为100mA。使用设计并封装好的芯片检测通电线圈产生的磁场。