ПРИЕМНИК ИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01J5/02 H01L31/24 

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

Известен приемник ИК излучения, содержащий размещенный в сосуде Дьюара кристалл с фоточувствительными элементами (ФЧЭ) и схемой считывания сигнала, расположенный на охлаждаемом цилиндре (пат. США N 5103097, НКИ 250/352, 1992 г. ). Причем на охлаждаемом цилиндре устанавливается сначала охлаждаемая пластина, изготовленная из керамического материала или металла, затем еще одна керамическая пластина для обеспечения электрической разводки, а затем уже кристалл с ФЧЭ. Такая конструкция обладает большой охлаждаемой массой, требует мощной охлаждающей машины и много времени для достижения рабочей температуры ИК приемника. Кроме того, такая конструкция непригодна для приемников ИК излучения с низкой квантовой эффективностью, в которых фоточувствительная область расположена со стороны, обратной стороне засветки.

Известен выбранный за прототип охлаждаемый приемник ИК излучения с засветкой с обратной стороны (см. JP 04261066, H 01 L 31/0248, 17. 09.92, Patent Abstracts of Japan, v. 17, N 47, (E-1313), January 28, 1993). Приемник содержит сосуд Дьюара, образованный внешним и внутренним охлаждаемым цилиндрами, в котором на торце охлаждаемого цилиндра установлен полый держатель с прямоугольным отверстием. На верхней панели полого держателя с внутренней стороны закреплен кристалл фотоприемной матрицы (ФПМ), представляющий собой пластину, на которой с одной стороны в центре располагаются ФЧЭ и по краям мультиплексоры и контактные группы сигнальных выводов, а с другой стороны верхней панели, по периметру которой произведено крепление, обеспечивающее тепловой контакт, образовано активное поле ФЧЭ соответствующего формата. Такая конструкция позволяет закрепить кристалл ФПМ на держателе вне области размещения ФЧЭ, однако обладает большой охлаждаемой массой и имеет технологические сложности при сборке, монтаже тепловых контактов и сигнальных электрических выводов, запрессованных в корпус.

Техническим результатом при использовании предлагаемой конструкции является обеспечение эффективного теплоотвода, а также упрощение сборки и технологического монтажа тепловых контактов и сигнальных электрических выводов кристалла ФПМ.

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 кристалл ФПМ, закрепленный на внутренней стороне верхней панели полого держателя с прямоугольным отверстием, держатель выполнен П-образной формы, боковые стенки которого установлены на торцевую поверхность охлаждаемого цилиндра. При этом в верхней панели на всю ширину выполнено отверстие и она удлинена по отношению к боковым стенкам держателя. Кроме того, кристалл ФПМ закреплен на держателе по двум противоположным краям отверстия на внутренней стороне верхней панели, что обеспечивает тепловой контакт в зоне наибольшей рассеивающей мощности в кристалле. При этом частными случаями выполнения может быть изготовление держателя из нитрида алюминия, сапфира или кремния.

Размещение противолежащих боковых стенок держателя на торцевой поверхности охлаждаемого цилиндра и наличие верхней панели держателя, через которую происходит охлаждение центральной части кристалла ФПМ, обеспечит эффективный теплоотвод и уменьшит термическое сопротивление за счет уменьшения площади тепловых контактов; при этом возникает эффект так называемого "теплового фильтра", который выравнивает достигающие шести градусов колебания температуры в охлаждаемом цилиндре, которые могут сказаться на выходных характеристиках ФПМ.

Выполнение отверстия для прохождения излучения в держателе на всю ширину верхней панели также позволит уменьшить охлаждаемую массу за счет минимизации ее ширины по размеру кристалла ФПМ. Однако при таком уменьшении размеров держателя для ФПМ с большим числом ФЧЭ шаг, с которым расположены электрические контактные выводы, как правило, меньше, чем требуется для стандартного технологического оборудования, используемого в электронной промышленности. Удлинение верхней панели за боковые стенки держателя позволит использовать всю ее ширину (а при необходимости возможно и расширение) для увеличения шага электрических контактов или размещения дополнительных контактных групп.

Крепление кристалла ФПМ на двух противоположных сторонах около отверстия на верхней панели держателя уменьшает термические напряжения, возникающие при достижении рабочей температуры охлаждаемого приемника ИК излучения, за счет незамкнутого контура и уменьшения площади теплового контакта. К уменьшению термического напряжения в случае использования кремниевого кристалла ФПМ приведет также выполнение держателя из нитрида алюминия, сапфира или кремния, так как коэффициенты термического расширения этих материалов хорошо согласованы, а в последнем случае одинаковы. Кроме того, держатель из этих материалов обладает высокой теплопроводностью и может быть изготовлен различными методами, например прессованием, механической обработкой из пластины 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 верхней панели 4 с двумя противолежащими боковыми стенками 5, установленными непосредственно на торцевой поверхности охлаждаемого цилиндра 2. Прямоугольное отверстие выполнено на всю ширину верхней панели 4, на внутренней стороне которой по двум противоположным сторонам отверстия закреплен кристалл ФПМ 3 с образованием теплового контакта 6. Там же размещены электрические контактные выводы 7. Свободные от боковых стенок края верхней панели 4 выступают за боковые стенки держателя 5. 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 боковые стенки 5, что обеспечивает минимальные путь и охлаждаемую массу.

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, при этом П-образная форма держателя может быть выполнена из пластины с применением механических методов обработки или других, например, прессованием. Крепление кристалла ФПМ на держателе, обеспечивающее тепловой контакт, проводится при помощи пайки припойными материалами. Наличие выходящих за пределы боковых стенок свободных концов верхней панели держателя обеспечивает независимо от количества выводов их разварку со стандартным для электронной промышленности шагом на стандартном технологическом оборудовании, при этом предложенная конструкция позволяет применять различные способы соединения контактных групп сигнальных электрических выводов методами сварки и пайки (ультразвук, термокомпрессия и др.). Крепление держателя на торцевую поверхность охлаждаемого цилиндра осуществляется методами пайки после предварительной металлизации присоединяемых поверхностей боковых стенок держателя.

Геометрические размеры держателя выбираются исходя из размеров кристалла ФПМ. В настоящее время разработана конструкция приемника ИК излучения для кристалла размером 9,38х9,38х0,4 мм при диаметре внутреннего цилиндра 6 мм, торцевая поверхность охлаждаемого цилиндра выполнена в виде прямоугольника с размерами 10х12 мм. Размеры верхней панели держателя составляли 12х12 мм при толщине 1 мм; длина, высота и толщина боковых стенок - 10,2 и 1 мм соответственно, т.е. верхняя панель удлинена по отношению к боковым стенкам на 1 мм. В качестве материала держателя использовался нитрид алюминия. При таких показателях охлаждаемая масса кристалла ФПМ в сборке с держателем в приемнике ИК излучения составляет 0,47 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, эффективный теплоотвод, улучшает эксплуатационные характеристики прибора, 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. В приемнике ИК излучения, содержащем сосуд Дьюара, образованный внешним цилиндром с входным окном и внутренним охлаждаемым цилиндром, на котором расположен кристалл фотоприемной матрицы (ФПМ), закрепленный на внутренней стороне верхней панели полого держателя с прямоугольным отверстием, держатель выполнен П-образной формы с отверстием на всю ширину верхней панели и установлен непосредственно на торцевую поверхность охлаждаемого цилиндра, причем верхняя панель удлинена по отношению к его боковым стенкам. Кроме того, кристалл ФПМ закреплен на держателе по двум противоположным краям отверстия на внутренней стороне верхней панели, что обеспечивает тепловой контакт в зоне наибольшей рассеивающей мощности в кристалле. При этом частными случаями выполнения может быть изготовление держателя из нитрида алюминия, сапфира или кремния. Изобретение позволит уменьшить охлаждаемую массу, обеспечит эффективный теплоотвод, а также упростит сборку и технологический монтаж тепловых контактов и сигнальных электрических выводов кристалла ФПМ. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Приемник ИК излучения, содержащий сосуд Дьюора, образованный внешним цилиндром с входным окном и внутренним охлаждаемым цилиндром, на котором расположен кристалл фотоприемной матрицы (ФПМ), закрепленный на внутренней стороне верхней панели полого держателя с прямоугольным отверстием, отличающийся тем, что держатель выполнен П-образной формы, боковые стенки которого установлены на торцевую поверхность охлаждаемого цилиндра. 2. Приемник ИК излучения по п.1, отличающийся тем, что отверстие в держателе выполнено на всю ширину верхней панели. 3. Приемник ИК излучения по п.1 или 2, отличающийся тем, что верхняя панель удлинена по отношению к боковым стенкам держателя. 4. Приемник ИК излучения по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что кристалл ФПМ закреплен на держателе по двум противоположным краям отверстия с внутренней стороны верхней панели. 5. Приемник ИК излучения по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что держатель выполнен из нитрида алюминия. 6. Приемник ИК излучения по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что держатель выполнен из сапфира. 7. Приемник ИК излучения по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что держатель выполнен из кремния.