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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