ПРИЕМНИК ИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H01L31/24 

Предлагаемое изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения электромагнитного излучения, в частности к охлаждаемым полупроводниковым приемникам ИК излучения.

Известен охлаждаемый приемник ИК излучения с засветкой с обратной стороны (см. Каталог фирмы EG & G RETICON 055-0298, March 1992, с. 180-186). Приемник содержит сосуд Дьюара, образованный внешним и внутренним охлаждаемым цилиндрами, в котором на торце охлаждаемого цилиндра на керамическое основание установлен полый держатель с прямоугольным отверстием. На верхней плоскости полого держателя с внутренней стороны закреплен кристалл с фотоприемной матрицей (ФПМ), представляющий собой пластину, на которой с одной стороны в центре располагаются фоточувствительные элементы (ФЧЭ) и по краям мультиплексоры и контактные группы сигнальных выводов, а с другой стороны верхней плоскости, по периметру которой произведено крепление, обеспечивающее тепловой контакт, образовано активное поле ФЧЭ, соответствующего формата. Такая конструкция обладает большой охлаждаемой массой и имеет высокую трудоемкость и технологические сложности при сборке, монтаже тепловых контактов и сигнальных электрических выводов.

Известен выбранный за прототип приемник ИК излучения, содержащий сосуд Дьюара, образованный внешним цилиндром с входным окном и внутренним охлаждаемым цилиндром, на котором расположен кристалл с ФПМ и схемой считывания сигнала (з. ЕПВ N 0518026, МПК Н 01 L 31/024, 1992 г.). Причем на охлаждаемом цилиндре устанавливается сначала охлаждаемая пластина, изготовленная из керамического материала или металла, а затем уже кристалл ФПМ. Такая конструкция также обладает большой охлаждаемой массой, требует мощной охлаждающей машины и много времени для достижения рабочей температуры ИК приемника.

Техническим результатом при использовании предлагаемой конструкции является уменьшение охлаждаемой массы и, соответственно, времени выхода на рабочий режим, а также уменьшение трудоемкости сборки приемника излучения.

Указанный технический результат достигается тем, что в приемнике ИК излучения, содержащем сосуд Дьюара (криостат), образованный внешним цилиндром с входным окном и внутренним охлаждаемым цилиндром, на котором расположен имеющий прямоугольное отверстие держатель с кристаллом ФПМ, держатель выполнен в виде пластины, снабженной стойками, расположенными непосредственно на торцевой поверхности охлаждаемого цилиндра. Пластина может быть выполнена круглой с размещением стоек симметрично на равных расстояниях друг от друга или прямоугольной формы с размещением стоек по ее углам, а контактные группы сигнальных выводов расположены по периметру пластины. При этом кристалл ФПМ закреплен на пластине по двум противоположным сторонам, а пластина может быть выполнена из кремния, нитрида алюминия или сапфира.

Форма держателя, выполненного в виде пластины, снабженной стойками, и размещение стоек непосредственно на торцевой поверхности охлаждаемого цилиндра позволят уменьшить охлаждаемую массу, в том числе, за счет отсутствия переходной платформы, а также уменьшить термическое сопротивление за счет симметрично расположенных тепловых контактов - соприкасающихся поверхностей стоек с торцом охлаждаемого цилиндра, а также обеспечить равномерное охлаждение кристалла.

В данной конструкции предложены прямоугольная форма пластины с размещением стоек по ее углам или форма окружности с размещением стоек симметрично на равных расстояниях друг от друга, этим достигается равномерность охлаждения кристалла ФПМ, закрепленного на пластине. При этом также обеспечивается возможность размещения контактных групп сигнальных выводов от кристалла ФПМ по всему периметру пластины, т.е. разводка на две, три или четыре стороны в зависимости от их количества и других особенностей подключения схемы обработки сигнала.

Крепление кристалла ФПМ на двух противоположных сторонах отверстия на пластине уменьшает термические напряжения, возникающие при достижении рабочей температуры охлаждаемого приемника ИК излучения, за счет незамкнутого контура и уменьшения площади теплового контакта между пластиной и кристаллом ФПМ. К уменьшению термического напряжения в случае использования кремниевого кристалла ФПМ приведет также выполнение пластины из нитрида алюминия, сапфира или кремния, так как коэффициенты термического расширения этих материалов хорошо согласованы в диапазоне рабочих температур, а в случае использования кремния один и тот же. Кроме того, держатель из этих материалов обладает высокой теплопроводностью и может быть изготовлен различными методами, например прессованием, механической обработкой и др., а также обеспечивает хорошую адгезию при металлизации тепловых и электрических контактных групп.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена общая схема приемника ИК излучения и размещение держателя с кристаллом ФПМ на торцевой поверхности внутреннего охлаждаемого цилиндра сосуда Дьюара. На фиг. 2 представлен держатель кристалла ФПМ с размещением тепловых и электрических контактов.

Приемник ИК излучения содержит сосуд Дьюара, образованный внешним цилиндром 1 с входным окном и внутренним охлаждаемым цилиндром 2, на котором напротив входного окна расположен держатель кристалла 3 ФПМ с прямоугольным отверстием. Держатель выполнен в виде пластины 4, снабженной стойками 5, размещенными непосредственно на торцевой поверхности охлаждаемого цилиндра 2. Под прямоугольным отверстием пластины 4 по двум противоположным сторонам закреплен кристалл ФПМ 3 с образованием теплового контакта 6. Там же размещены электрические контактные группы сигнальных выводов 7. Внешние выводы 7 могут идти как с внутренней (см. фиг. 2), так и с внешней (см. фиг. 1) сторон панели держателя, в последнем случае в держателе выполнены отверстия для протягивания проводника.

Устройство работает следующим образом. Для вывода на рабочий режим приемника ИК излучения сначала проводят охлаждение внутреннего цилиндра сосуда Дьюара 2, на торце которого установлен держатель с закрепленным на нем кристаллом ФПМ 3. При этом дальнейшее охлаждение самого кристалла ФПМ происходит через контактирующие непосредственно с охлаждаемым цилиндром 2 стойки 5, что обеспечивает минимальную охлаждаемую массу и термическое сопротивление.

Предложенная конструкция может быть реализована с применением стандартных технологических операций. Держатель изготавливается из материала, коэффициент термического расширения (КТР) которого близок к КТР кристалла ФПМ - кремнию. Крепление кристалла ФПМ на держателе, обеспечивающее тепловой контакт, проводится при помощи спайки припойными материалами. Крепление стоек держателя на торцевую поверхность охлаждаемого цилиндра осуществляется методами пайки после предварительной металлизации соединяемых поверхностей стоек держателя.

Геометрические размеры держателя выбираются исходя из размеров кристалла ФПМ. В настоящее время разработана конструкция приемника ИК излучения для кристалла размером 9,38х9,38х0,5 мм при диаметре внутреннего цилиндра 6 мм, поэтому торцевая поверхность охлаждаемого цилиндра выполнена в виде прямоугольника с размерами 12х12 мм. Размеры пластины держателя составляли 12х12 мм при толщине 1 мм; размер стоек - 2,5х2,5 мм при высоте 1,0 мм. В качестве материала держателя использовался нитрид алюминия. При таких показателях охлаждаемая масса кристалла ФПМ в сборке с держателем в приемнике ИК излучения составляет 0,8 г в эквиваленте Cu, что превышает показатели лучших зарубежных образцов.

Соотношение размеров держателя и кристалла ФПМ выбрано таким образом, что в закрепленном состоянии кристалл оказывается "утопленным" внутри держателя, что предотвращает со всех сторон его механические повреждения на операциях сборки и монтажа приемника ИК излучения. В то же время предложенная конструкция обеспечивает открытый доступ ко всем элементам приемника ИК излучения во время вакуумирования внутреннего объема сосуда Дьюара, что наряду с отсутствием клеев и других полимерных материалов, обычно применяющихся при сборке и являющихся источником повышенного газоотделения, увеличивает срок службы и другие эксплуатационные характеристики прибора.

Таким образом, предложенная конструкция обеспечивает уменьшение охлаждаемой массы, время выхода на рабочий режим, а также упрощает сборку и технологический монтаж тепловых контактов и сигнальных электрических выводов кристалла ФПМ.

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения, в частности к охлаждаемым полупроводниковым приемникам ИК излучения. Предложенная конструкция позволит уменьшить охлаждаемую массу, время выхода на рабочий режим, а также уменьшит трудоемкость сборки приемника излучения. Сущность: приемник ИК излучения содержит сосуд Дьюара, образованный внешним цилиндром с входным окном и внутренним охлаждаемым цилиндром, на котором расположен кристалл фотоприемной матрицы, закрепленный на держателе, выполненном в виде пластины, снабженной стойками, расположенными непосредственно на торцевой поверхности охлаждаемого цилиндра. Пластина может быть выполнена прямоугольной формы с размещением стоек по ее углам или круглой с размещением стоек симметрично на равных расстояниях друг от друга, а контактные группы сигнальных выводов расположены по периметру пластины, выполненной из кремния, нитрида алюминия или сапфира, причем кристалл ФПМ закреплен на пластине по двум противоположным сторонам. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Приемник ИК излучения, содержащий сосуд Дьюара, образованный внешним цилиндром с входным окном и внутренним охлаждаемым цилиндром, на котором расположен кристалл фотоприемной матрицы, закрепленный на внутренней стороне держателя с прямоугольным отверстием, отличающийся тем, что держатель выполнен в виде пластины, снабженной стойками, расположенными непосредственно на торцевой поверхности охлаждаемого цилиндра. 2. Приемник ИК излучения по п.1, отличающийся тем, что пластина выполнена прямоугольной формы, а стойки размещены по ее углам. 3. Приемник ИК излучения по п.1, отличающийся тем, что пластина выполнена круглой, а стойки размещены симметрично на равных расстояниях друг от друга. 4. Приемник ИК излучения по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что кристалл фотоприемной матрицы закреплен на пластине по двум противоположным сторонам. 5. Приемник ИК излучения по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что пластина выполнена из кремния, или нитрида алюминия, или сапфира.