DE3337194C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein optoelek
tronisches, bei niederen Temperaturen betriebsfähi
ges Halbleiterbauelement, wobei das Gehäuse mit einem
nach dem Joule-Thomson-Effekt arbeitenden Kühler in
Verbindung steht sowie seine Verwendung.
Bestimmte Halbleiterbauelemente müssen zur Erreichung
ihrer optimalen Leistungsdaten auf tiefe Temperaturen
abgekühlt werden. Dies gilt besonders für infrarotemp
findliche Detektoren und Infrarotlaser. Typische Arbeits
temperaturen dieser Halbleiterbauelemente sind die
Siedetemperaturen von Stickstoff (77°K), der Luft
(79°K) oder des Argon (87°K).
Das Gehäuse für einen derartigen Detektor besteht im
allgemeinen aus einem evakuierten doppelwandigen Behäl
ter, der ein Durchlaßfenster für die Infrarotstrahlung
und elektrische Durchführungen für die Stromversorgung
bzw. die Signalauswertung des Halbleiterbauelementes
aufweist. Der unmittelbare Umgebungsbereich des Halb
leiterbauelementes wird mit einem Kühler gekühlt, der
nach dem Joule-Thomson-Prinzip, nach dem Peltier-Prinzip
oder dem Stirling-Prinzip arbeitet (z. B. US-PS 29 51 944).
Mit bekannten Vorrichtungen dieser Art können die
erforderlichen niederen Betriebstemperaturen innerhalb
weniger Minuten erreicht werden. Die Betriebsdauer des
Halbleiterbauelementes ist bei fortdauernder Kühlwir
kung des jeweils verwendeten Kühlers unbeschränkt.
Für bestimmte Anwendungszwecke ist jedoch die ver
gleichsweise langsame Abkühlung des Halbleiterbauele
mentes unerwünscht und eine lange Aufrechterhaltung der
Betriebstemperatur nicht erforderlich. In diesen Fällen
wird Wert auf eine rasche Abkühlung in einer Zeit von
beispielsweise weniger als 10 Sekunden gelegt, während
die maximale Betriebsdauer unter 1-5 Minuten liegen
kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse
für ein optoelektronisches Halbleiterbauelement
anzugeben, das sehr rasch, z. B. in wenigen Sekunden auf
die erforderliche Betriebstemperatur abgekühlt werden
kann und bei dem der Betriebszustand nur während einer
kurzen Zeit aufrechterhalten werden muß.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Gehäuse
der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß das
nicht evakuierte Gehäuse mehrteilig ist, daß der unmit
telbar mit dem Kühler in Verbindung stehende erste
Gehäuseteil eine geringe Wärme-Leitung und -Kapazität
aufweist, während der Gehäuseabschlußteil, der ein
strahlungsdurchlässiges Fenster enthält, eine hohe
Wärme-Leitung und -Kapazität aufweist.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß nur ein
möglichst kleiner Bereich des Gehäuses um das Halblei
terbauelement abgekühlt werden muß. Dieser Bereich soll
nach Masse und Material so beschaffen sein, daß er eine
möglichst geringe Wärmekapazität aufweist. Eine Verein
fachung und Verbilligung des Gehäuses wird dadurch
erreicht, daß es nicht evakuiert, sondern mit Luft oder
einem geeigneten Gas gefüllt wird. Eine hermetische
Abdichtung zwischen den einzelnen Gehäuseteilen ist
erforderlich, um eine Kondensation von eindringendem
Wasserdampf und eine Korrosion des Halbleiterbauele
mentes sicher zu vermeiden. Eine Abkühlung der äußeren
Oberfläche des Eintrittsfensters unter den Taupunkt der
umgebenden Atmosphäre soll während der geforderten
Betriebsdauer von weniger als 1 bis 5 Minuten vermieden
werden. Hierzu weist das Fenster und der das Fenster
umgebende Bereich nach Masse und Material eine hohe
Wärmekapazität und Wärmeleitung auf.
Die vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsge
mäßen Gehäuses für das optoelektronische, bei
niederen Temperaturen betriebsfähige Halbleiterbauele
ment ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung soll nachstehend noch anhand eines Aus
führungsbeispieles näher erläutert werden.
Die Fig. 1 zeigt die Einzelteile des Gehäuses in einer
für den Zusammenbau geeigneten Positionierung.
Die Fig. 2 zeigt das zusammengebaute Gehäuse, das noch
von einem weiteren Edelstahlgehäuse umgeben ist.
Das Gehäuse besteht gemäß Fig. 1 im wesentlichen aus
vier Teilen, die durch Schrauben oder Gewindestifte 22
zusammengehalten werden. Der erste Gehäuseteil 2 dient zur
Halterung der Trägerplatte 11 für das Halbleiterbauele
ment 7 und zur Aufnahme des nach dem Joule-Thomson-Prin
zip arbeitenden Kühlers 1.
Der Gehäuseabschlußteil 3 enthält das strahlungsdurch
lässige Fenster 4, das so angeordnet ist, daß die
durch das Fenster hindurchtretenden Infrarotstrahlen
auf das Halbleiterbauelement 7 treffen. Zwischen dem
Gehäuseabschlußteil 3 und dem ersten Gehäuseteil 2 ist ein
dritter Gehäuseteil 5 angeordnet. Zwischen diesem dritten Gehäuseteil
und dem ersten Gehäuseteil 2 werden die elektrischen
Anschlußleitungen 6 isoliert nach außen geführt.
Der vierte Gehäuseteil wird von der Bodenplatte 8 ge
bildet, die gleichfalls mit den übrigen Gehäuseteilen
verschraubt wird und den Kühler 1 gegen die Außenwan
dung der für seine Aufnahme vorgesehenen Vertiefung
12 im ersten Gehäuseteil 2 preßt.
Der Kühler 1 arbeitet nach dem Joule-Thomson-Prinzip
und besteht in an sich bekannter Weise aus einem
konischen oder zylindrischen Hohlkörper mit einer auf
der Mantelfläche angeordneten Rohrwendel durch die
das Kühlmedium hindurchströmt. Der Konuswinkel liegt
üblicherweise zwischen 0 und 90 Grad; in der Fig. 1
ist ein bekannter Kühler dargestelt, der aus einem
90°-konischen Hohlkörper besteht.
Das Kühlmedium, das aus Luft, Argon oder Stickstoff
besteht, wird durch eine Einlaßöffnung 9 in die Rohrwendel
19 eingeführt, durchströmt diese Rohrwendel und
tritt durch die Öffnung 14 unmittelbar gegenüber dem
Trägerkörper 11 für das Halbleiterbauelement 7 aus.
Nach dem Joule-Thomson-Effekt wird erreicht, daß bei der
Entspannung des mit hohem Druck durch die Rohrwendel
hindurchgeführten Gases, wenn es aus der Öffnung 14
austritt, eine Abkühlung des Gases erfolgt, so daß das rück
strömende Gas eine Vorkühlung des durch die Rohrwendel
nachfließenden Gasstromes vornimmt. Auf diese Weise
wird erreicht, daß bereits nach wenigen Sekunden eine
Verflüssigung des austretenden Gases erfolgt, so daß der
Halbleiterkörper 7 auf die Siedetemperatur des Kühl
mediums abgekühlt wird. Die Bodenplatte 8 enthält
Austrittsöffnungen 10 für das rückströmende Gas. Ferner
enthält die Bodenplatte 8 Bohrungen 21, mit deren Hilfe
diese Bodenplatte mit den übrigen Gehäuseteilen mittels
Schrauben 22 mechanisch fest und hermetisch dicht verbun
den wird. Beim Zusammenbau wird der Kühler 1 von der Bo
denplatte 8 durch Federn, beispielsweise Tellerfedern 18,
gegen die Außenwandung 13 der dem Konus angepaßten Ver
tiefung 12 im ersten Gehäuseteil 2 gepreßt. Die Bodenplatte 8
ist stabil ausgeführt und besteht beispielsweise aus
Kupfer, einem anderen Metall oder Kunststoff.
Der erste Gehäuseteil 2 enthält die dem Konuswinkel des Küh
lers 1 exakt angepaßte Vertiefung 12 mit einer dünnen
Gehäusewand 13, die durch geeignete Strukturen, bei
spielsweise mittels Stegen oder Rippen, mechanisch ver
stärkt sein kann. Die Vertiefung 12 wird zum Gehäuse
inneren hin mit der Trägerplatte 11 für das Halbleiter
bauelement 7 abgeschlossen. Diese Platte 11 besteht aus
einem Material guter Wärmeleitung aber geringer Wärme
kapazität. Geeignete Materialien sind beispielsweise
Saphir oder Molybdän. Die Trägerplatte 11 wird eingeklebt
oder nach vorheriger Metallisierung der Kontaktflächen
mit dem ersten Gehäuseteil 2 verlötet.
Der erste Gehäuseteil 2 enthält Nuten 20 für Dichtringe 17 und
Bohrungen 21 für die Verbindungsschrauben 22.
Der erste Gehäuseteil 2 besteht aus einem schlecht wärmelei
tendem Material mit geringer Wärmekapazität. Ein geeig
netes Material ist beispielsweise Polyimid-Kunststoff,
der mit einer Fremdmaterialverstärkung aus Glasfasern
oder Teflon gefüllt sein kann. Es sind auch andere
Materialien, wie Glas, Metall oder Keramik geeignet,
die die genannten thermischen Bedingungen erfüllen.
Der dritte Gehäuseteil 5 ist eine Zwischenplatte mit einer zentralen
Öffnung 29 für den Strahlengang.
Dieser dritte Gehäuseteil 5 wird mit Hilfe von Dichtringen 16
und 15, die in Nuten 20 eingesetzt werden, gegen den ersten
Gehäuseteil 2 und den Gehäuseabschlußteil 3 abgedichtet.
Diese Dichtringe 15 und 16 bestehen ebenso wie der
Dichtring 17 vorzugsweise aus Gummi oder aus Indium.
Das dritte Gehäuseteil 5 besteht aus ausreichend stabilem
und widerstandsfähigem Material, insbesondere aus dem
gleichen Material wie der erste Gehäuseteil 2. Der Gehäuse
abschlußteil 3 enthält das Fenster 4, das auch als Linse
ausgebildet sein kann und beispielsweise aus Saphir
oder Germanium besteht und mit einem Antireflexbelag
beschichtet sein kann. Das das Fenster umgebende Mate
rial hat eine gute Wärmekapazität und eine hohe Wärme
leitfähigkeit. Es besteht beispielsweise aus Kupfer.
Ein anderes geeignetes Material ist Kovar, dessen Aus
dehnungskoeffizient den meisten Fenstermaterialien gut
angepaßt ist, so daß die Teile fest und dauerhaft mitein
ander verlötet werden können. Durch die hohe Wärmeleit
fähigkeit und Wärmekapazität des Gehäuseabschlußteils 3
wird sichergestellt, daß das Fenster 4 während der
kurzen Betriebsdauer nicht beschlägt.
Zur elektrischen Stromversorgung bzw. Signalauswertung
werden dünne, schmale Metallfolienstreifen 6 verwendet,
die radial angeordnet sind. Wenn die Dichtringe 16 und
17 aus einem leitenden Material bestehen, müssen die
Metallfolien beidseitig isoliert werden. Die Isolation
besteht beispielsweise aus einer Polyimid-Beschichtung.
Bei dem Gehäuse nach Fig. 1 kann zwischen der Rohrwendel
19 und dem ersten Gehäuseteil 2 eine sogenannte Superiso
lation angeordnet werden. Diese Superisolation besteht
vorzugsweise aus einer ein- oder mehrlagigen dünnen
Folie, beispielsweise aus Polyimid. Dadurch wird die
Wärmeisolation gegenüber dem ersten Gehäuseteil 2 weiter verbes
sert, wodurch das rückströmende Gas, das seinen wendel
förmigen Verlauf zwischen dem ersten Gehäuseteil 2 und der Rohrwendel
19 zum Gasauslaß 10 nimmt, eine verbesserte Vor
kühlung des durch die Rohrwendel zuströmenden Gases
bewirkt.
Gemäß Fig. 2 kann das erfindungsgemäße mehrteilige
Gehäuse für das Detektorelement in ein zusätzliches
Gehäuse 23 eingebaut werden, wenn extreme Umweltbe
dingungen, insbesondere hohe Luftfeuchtigkeit oder
aggressive Dämpfe, vorherrschen. Dieses Gehäuse 23
besteht vorzugsweise aus Edelstahl und weist über dem
Fenster 4 ein weiteres, für Infrarotstrahlung durchläs
siges Fenster 24 auf. Die elektrischen Zuleitungen 6 für
das Halbleiterbauelement werden auch durch das zweite
äußere Gehäuse dicht und elektrisch isoliert heraus
geführt.
Das äußere Gehäuse 23 kann mit dem ersten Gehäuseteil 2 des
inneren Gehäuses verschraubt oder verlötet sein. Hierzu
weist das äußere Gehäuse eine Bodenplatte 26 auf, die
mit der Unterseite des ersten Gehäuseteils 2 dicht und mecha
nisch fest verbunden ist. Mit dieser Bodenplatte 26 des
äußeren Gehäuses kann sodann die Bodenplatte 8, die
zugleich den Kühler 1 haltert, fest verbunden werden.
Zum Verschrauben der Teile miteinander enthält die
Bodenplatte 26 des äußeren Gehäuses beispielsweise
Gewindesacklöcher 27 und 28 für die Schrauben 30 und
31. Auch das äußere Gehäuse wird vorzugsweise nicht
evakuiert, sondern enthält Luft oder Gas, beispiels
weise Argon.
Mit einer solchen Anordnung werden bei geeig
neter Kühlerwahl Abkühlzeiten des Halbleiterbauelemen
tes auf die erforderliche Betriebstemperatur von < 2
Sekunden erreicht. Die mögliche Betriebsdauer lag bei
Werten über 5 Minuten.
Claims (20)
1. Gehäuse für ein optoelektronisches, bei niederen
Temperaturen betriebsfähiges Halbleiterbauelement,
wobei das Gehäuse mit einem nach dem Joule-Thomson-
Effekt arbeitenden Kühler in Verbindung steht, dadurch
gekennzeichnet, daß das nicht evakuierte Gehäuse mehr
teilig ist, daß der unmittelbar mit dem Kühler (1) in
Verbindung stehende erste Gehäuseteil (2) eine geringe
Wärme-Leitung und -Kapazität aufweist, während der Ge
häuseabschlußteil (3), der ein strahlungsdurchlässiges
Fenster (4) enthält, eine hohe Wärme-Leitung und -Kapa
zität aufweist.
2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem ersten Gehäuseteil (2) und dem Gehäuse
abschlußteil (3) ein dritter Gehäuseteil (5) angeordnet
ist, der dicht mit den anderen Teilen verbunden ist und
zwischen dem dritten und dem ersten Gehäuseteil (2) die
elektrischen Zuleitungen (6) für das Halbleiterbauele
ment (7) hindurchgeführt sind.
3. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Gehäuseteile (2, 3, 5) mit einer Boden
platte (8) verbunden sind, die zugleich den Kühler (1)
mit einem definierten Anpreßdruck gegen den ersten Ge
häuseteil (2) preßt, und daß diese Bodenplatte Einlaß-
und Auslaßöffnungen (9, 10) für das Kühlmedium enthält.
4. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement
(7) auf einer gut wärmeleitenden Platte (11) angeordnet
ist, die vom ersten Gehäuseteil (2) gehaltert und vom
Kühler (1) gekühlt wird und die dem Fenster (4) im
Gehäuseabschlußteil (3) gegenüberliegend angeordnet
ist.
5. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß es mit Luft oder Gas ge
füllt ist.
6. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (1) konisch oder
zylindrisch ausgebildet ist und in eine entsprechend
ausgebildete Vertiefung (12) in einem dünnwandigen
Bereich (13) im ersten Gehäuseteil (2) derart einge
paßt ist, daß die Gasaustrittsöffnung ( 14) für das
Kühlmedium unmittelbar unter der Trägerplatte (11) für
das Halbleiterbauelement (7) angeordnet ist.
7. Gehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der dünnwandige Bereich (13) des ersten Gehäuseteils
(2) durch stabilisierende Rippen oder Stege versteift
ist.
8. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der dritte
Gehäuseteil (2, 5) aus Kunststoff wie Polyimid besteht.
9. Gehäuse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gehäusekunststoff einen Füllstoff wie Glasfasern
oder Teflon enthält.
10. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (11) des
Halbleiterbauelementes (7) und der Gehäuseabschlußteil
(3) aus einem gut wärmeleitenden Metall wie Kupfer
besteht.
11. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (11) für
das Halbleiterbauelement (7) aus einem gut wärmeleiten
dem Material mit geringer Wärmekapazität wie Saphir
oder Molybdän besteht.
12. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile (2, 3, 5)
mittels Gummiringen oder Indiumringen (15-17) dicht
miteinander verbunden sind.
13. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement
(7) mittels schmaler, radial angeordneter, leitender
Folien (6) kontaktiert ist und daß diese Zuleitungen
elektrisch isoliert zwischen zwei Gehäuseteilen (2, 5)
herausgeführt sind.
14. Gehäuse nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei der Verwendung leitender Dichtringe
zwischen den Gehäuseteilen die leitenden Folien beid
seitig isoliert sind.
15. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (12) im
ersten Gehäuseteil (2) für die Aufnahme des Kühlkörpers
einen Öffnungswinkel zwischen ο < α 90° aufweist.
16. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (8) den
Kühler (1) mittels Federn (18) gegen den ersten Gehäuse
teil (2) preßt.
17. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Konus des Kühlers
eine Rohrwendel (19) für das Kühlgas angeordnet ist
und daß diese Rohrwendel derart gegen die Außenwandung
des ersten Gehäuseteils (2) gepreßt ist, daß das
rückströmende Gas in einem gleichfalls wendelförmigen
Verlauf zum Gasauslaß (10) in der Bodenplatte (8)
strömt.
18. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß alle Gehäuseteile mitein
ander verschraubt sind.
19. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das mehrteilige Gehäuse in
ein weiteres, hermetisch abgedichtetes Gehäuse (23)
aus Edelstahl eingebaut ist, das über dem ersten strah
lungsdurchlässigen Fenster im Gehäuseabschlußteil ein
weiteres strahlungsdurchlässiges Fenster (24) enthält.
20. Verwendung des Gehäuses nach einem der vorangehenden
Ansprüche für Infrarot strahlungsempfindliche
Halbleiterbauelemente.
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Publications (2)
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