FR2553577A1 - Boitier pour un composant optoelectronique a semi-conducteurs - Google Patents
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Abstract
BOITIER POUR UN COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE A SEMI-CONDUCTEURS, REFROIDI PAR UN RADIATEUR FONCTIONNANT PAR EFFET JOULE-THOMSON ET RELIE AU BOITIER. LE BOITIER NON EVACUE EST REALISE EN PLUSIEURS PARTIES; LA PREMIERE PARTIE 2 RELIEE AU RADIATEUR 1 PRESENTE DE FAIBLES CONDUCTION ET CAPACITE THERMIQUES; ET L'EMBOUT 3 DU BOITIER, COMPORTANT UNE FENETRE 4 TRANSPARENTE AU RAYONNEMENT, PRESENTE DES CONDUCTION ET CAPACITE THERMIQUES ELEVEES.
Description
La présence invention concerne un boîtier pour un composant
optoélectronique à semiconducteurs, fonctionnant à basses températures,
et relié à un radiateur fonctionnant par effet Joule-Thomson.
Certains composants à semiconducteurs doivent être refroidis à 5 basses températures pour présenter leurs caractéristiques optimales.
Il en est particulièrement ainsi des détecteurs sensibles à l'infrarouge et des lasers à infrarouge Les températures de fonctionnement typiques de ces composants à semiconducteurs sont la température d'ébullition de l'azote ( 77 K), de l'air ( 79 K) ou de l'argon ( 87 K). 10 Le bottier d'un tel détecteur est généralement constitué par un récipient évacué à double paroi, comportant une fenêtre transparente au rayonnement infrarouge et des traversées électriques pour l'alimentation et le traitement du signal du composant à semiconducteurs Le voisinage immédiat de ce dernier est refroidi par un 15 radiateur fonctionnant par effet Joule-Thomson, effet Peltier ou
effet Stirling.
Des dispositifs connus de ce type permettent d'atteindre en
quelques minutes les faibles températures de service nécessaires.
La durée de service du composant à semiconducteurs est illimitée
dans le cas d'un refroidissement permanent par le radiateur utilisé.
Le refroidissement relativement lent du composant à semiconducteurs n'est toutefois pas souhaité pour certaines applications et un maintien prolongé de la température de service est inutile Dans
ces cas, on recherche un refroidissement rapide en moins de O 10 secondes 25 par exemple, tandis que la durée de service maximale peut être inférieure à 1-5 minutes.
L'invention a pour objet un bottier pour un composant à semiconducteurs sensible au rayonnement, pouvant être refroidi très rapidement à la température de service requise, en quelques secondes 30 par exemple, et ne devant être maintenu dans l'état de service que
pendant un temps court.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le bottier non évacué est réalisé en plusieurs parties; la première partie du boîtier reliée au radiateur présente de faibles conduction 35 et capacité thermiques; et l'embout du boîtier, comportant une
fenêtre transparente au rayonnement,présente des conduction et capacité thermiques élevées.
L'invention part de la constatation suivante: seule une zone aussi faible que possible du boîtier, entourant le composant à semi5 conducteurs, doit être refroidie La masse et le matériau de cette zone doivent être tels qu'elle présente une capacité thermique aussi faible que possible Une simplification et une diminution du prix du boîtier sont obtenues par le fait qu'il n'est pas évacué, mais rempli d'air ou d'un gaz approprié Une étanchéité hermétique entre les 10 diverses parties du boîtier est nécessaire pour éviter à coup sûr une condensation de la vapeur d'eau qui pénètre et une corrosion du composant à semiconducteurs Un refroidissement de la surface extérieure de la fenêtre d'entrée, au- dessous du point de rosée de l'atmosphère environnante, doit être évité pendant la durée de service requise, inférieure à 1-5 minutes La masse et le matériau de la fenêtre et de la zone qui l'entoure présentent dans ce but une
capacité et une conduction thermique élevées.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront
mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un 20 exemple de réalisation et du dessin annexé sur lequel:
la figure 1 représente les diverses pièces du boîtier dans une position convenant pour leur assemblage; et la figure 2 représente le boîtier assemblé, qui est en outre entouré
par un second boîtier en acier fin.
Le boîtier est selon figure 1 essentiellement constitué par quatre pièces, réunies par des vis ou des goujons filetés 22 La pièce 2 du boîtier fixe la plaque support 11 du composant à semiconducteurs 7 et sert de logement au radiateur 1 fonctionnant par
effet Joule-Thomson.
L'embout 3 du boîtier comporte la fenêtre 4 transparente au rayonnement et disposée de façon que les rayons infrarouges qui la traversent atteignent le composant à semiconducteurs 7 Une pièce intermédiaire 5 est disposée entre l'embout 3 et la pièce 2 du boîtier Les connexions électriques 6 sont sorties avec isolation 35 entre cette pièce intermédiaire 5 et la pièce 2 du boîtier La quatrième pièce du boîtier est constituée par la base 8, qui est également vissée avec les autres pièces du boîtier et applique le radiateur 1 sur la paroi extérieur de l'évidement 12 prévu dans la
pièce 2 pour son logement.
Le radiateur 1, fonctionnant par effet Joule-Thomson, est constitué de façon connue par un corps creux conique ou cylindrique
portant sur son enveloppe un serpentin parcouru par le réfrigérant.
L'angle au sommet du cÈne est habituellement compris entre 0 et 90 ;
la figure 1 représente un radiateur connu, constitué par un corps 10 creux conique 90 .
Le réfrigérant, constitué par de l'air, de l'argon ou de l'azote, est introduit par une ouverture d'entrée 9 dans le serpentin 19, parcourt ce dernier, puis sort par l'orifice 14, en regard du support 11 du composant à semiconducteurs 7 Le gaz circulant sous 15 haute pression dans le serpentin est refroidi par détente selon l'effet Joule-Thomson quand il sort par l'orifice 14, de sorte que le gaz refluant assure un prérefroidissement du flux gazeux circulant
dans le serpentin Une liquéfaction du gaz qui s'échappe est ainsi obtenue en quelques secondes, de sorte que le composant à semicon20 ducteurs 7 est refroidi à la température d'ébullition du réfrigérant La base 8 comporte des orifices de sortie 10 du gaz refluant.
Elle comporte en outre des trous 21 permettant sa fixation mécanique avec les autres pièces du boîtier, à l'aide des vis 22, ainsi que l'étanchéité thermique Lors de l'assemblage, la base 8 applique à 25 l'aide de ressorts, tels que des ressorts Belleville 18, le radiateur 1 sur la paroi extérieure 13 de l'évidement 12 de la pièce 2 du boîtier, adapté au cône Cette base 8 est stable et par exemple
réalisée en cuivre, un autre métal ou une matière plastique.
La pièce 2 du boîtier comprend l'évidement 12, adapté exacte30 ment à l'angle au sommet du radiateur 1 et à paroi 13 mince, qui peut être renforcée mécaniquement par des structures appropriées, telles que des nervures L'évidement 12 est fermé en direction de l'intérieur du boîtier par la plaque support 11 du composant à semiconducteurs 7 Cette plaque 11 est réalisée dans un matériau à 35 bonne conduction thermique, mais faible capacité thermique Le saphir ou le molybdène son par exemple des matériaux appropriés La plaque support 11 est collée ou, après métallisation des faces de
contact, soudée sur la pièce 2 du boîtier.
La pièce 2 du boîtier comporte des gorges 20 pour des joints d'étanchéité 17 et des trous 21 pour les vis d'assemblage 22. La pièce 2 du boîtier est réalisée dans un matériau à mauvaise conduction thermique et faible capacité thermique Un matériau approprié est par exemple le polyimide, pouvant être chargé par fibre de verre ou téflon D'autres matériaux, répondant aux condi10 tions thermiques précitées conviennent, tels que verre, métal ou céramique. La pièce 5 est une plaque intermédiaire présentant une ouverture
centrale 29 pour le passage des rayons.
L'étanchéité entre cette plaque intermédiaire 5, la pièce 2 et 15 l'embout 3 du boîtier est assurée par des joints 16 et 15 logés dans
des gorges 20 Ces joints d'étanchéité 15 et 16 sont avantageusement réalisés,comme le joint d'étanchéité 17, en caoutchouc ou en indium.
La pièce intermédiaire 5 est réalisée dans un matériau suffisamment stable et résistant, et en particulier dans le même matériau que la 20 pièce 2 du boîtier L'embout 3 du boîtier comporte la fenêtre 4, qui peut aussi être réalisée sous forme d'une lentille, en saphir
ou germanium par exemple avec le cas échéant une couche antireflet.
Le matériau entourant la fenêtre a une bonne capacité thermique et une conductibilité thermique élevée Il est par exemple en cuivre. 25 Le Kovar est un autre matériau approprié, dont le coefficient de dilatation est bien adapté à la plupart des matériaux de fenêtre, de sorte que les pièces peuvent être soudées entre elles de façon résistante et durable Les conductibilté et capacité thermiques élevées
de l'embout 3 du boîtier interdisent la condensation sur la fenêtre 30 4 pendant la courte durée de service.
Des rubans 6 minces et étroits d'un film métallique, disposés radialement, sont utilisés pour l'alimentation électrique ou le traitement des signaux Les films métalliques doivent être isolés des deux côtés quand les joints d'étanchéité 16 et 17 sont réalisés 35 dans un matériau conducteur L'isolation est par exemple constituée par une couche de polyimide Dans le bottier selon figure 1, une superisolation peut être disposée entre le serpentin 19 et la pièce 2 du bottier Cette superisolation est avantageusement constituée
par une ou plusieurs couches d'un film mince de polyimide par exemple.
L'isolation thermique par rapport à la pièce 2 du boîtier est ainsi encore améliorée, de sorte que le gaz refluant vers la sortie 10,
suivant son trajet en spirale entre la pièce 2 du boîtier et le serpentin 19, assure un meilleur prérefroidissement du gaz d'alimentation dans le serpentin.
Selon la figure 2, le bottier en plusieurs parties selon l'invention pour l'élément détecteur peut être logé dans un boîtier supplémentaire 23 dans le cas de conditions d'environnement très sévères, et en particulier d'une humidité relative élevée ou de vapeurs corrosives Ce bottier 23 est avantageusement réalisé en acier fin et comporte, au-dessus de la fenêtre 4, une seconde fenêtre 24 transparente au rayonnement infrarouge Les connexions électriques 6 du composant à semiconducteurs sont également sorties à travers le second
bottier extérieur, avec étanchéité et isolation électrique.
Le boîtier extérieur 23 peut être vissé ou soudé sur la pièce 20 2 du boîtier intérieur Le bottier extérieur comporte pour ce faire une base 26, solidarisée avec étanchéité avec la face inférieure de la pièce 2 du bottier La base 8, qui fixe simultanément le radiateur 1, peut alors être solidarisée avec cette base 26 du boîtier extérieur Pour l'assemblage des pièces par vissage, la base 26 du bottier extérieur comporte par exemple des trous taraudés borgnes 27 et 28 pour les vis 30 et 31 Le boîtier extérieur n'est avantageusement pas évacué aussi, mais contient de l'air ou un gaz tel
que de l'argon.
Moyennant un choix approprié du radiateur, le dispositif selon 30 l'invention permet d'obtenir des temps de refroidissement du composant à semiconducteurs à la température de service requise inférieurs à 2 secondes La durée de service possible est supérieure à 5 minutes.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent 35 d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans
sortir du cadre de l'invention.
Claims (20)
1 Boîtier pour un composant optoélectronique à semiconducteurs, fonctionnant à basses températures, et relié à un radiateur fonctionnant par effet Joule-Thomson, ledit boîtier étant caractérisé 5 en ce que le boîtier non évacué est réalisé en plusieurs parties; la première partie ( 2) du boîtier reliée au radiateur ( 1) présente de faibles conduction et capacité thermiques; et l'embout ( 3) du boîtier, comportant une fenêtre ( 4) transparente au rayonnement,
présente des conduction et capacité thermiques élevées.
2 Boîtier selon revendication 1, caractérisé par son utilisation
pour des composants à semiconducteurs sensibles au rayonnement infrarouge.
3 Boîtier selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce
qu'une troisième pièce ( 5) du boîtier est disposée entre la première 15 îèce ( 2) et l'embout ( 3) du boîtier, et reliée avec étanchéité aux a autres pièces; et les connexions électriques ( 6) du composant semiconducteurs ( 7) passent entre la troisième ( 5) et la première pièce
( 2) du boîtier.
4 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 3, carac20 térisé en ce que les pièces ( 2, 3, 5) du boîtier sont reliées à
une base ( 8) qui applique simultanément le radiateur ( 1) avec une pression définie sur la première pièce ( 2) du boîtier; et la base ( 8) comporte des orifices d'entrée et de sortie ( 9, 10) du réfrigérant.
5 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le composant à semiconducteurs ( 7) est disposé
sur une plaque ( 11) à bonne conduction thermique, fixée par la première pièce ( 2) du boîtier, refroidie par le radiateur ( 1) et
située en regard de la fenêtre ( 4) dans l'embout ( 3) du boîtier.
6 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est rempli d'air ou de gaz.
7 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le radiateur ( 1) est conique ou cylindrique et
ajusté dans un évidement ( 12) de forme correspondante dans une zone 35 ( 13) à paroi mince de la première pièce ( 2) du boîtier,de façon
que l'orifice ( 14) de sortie du gaz réfrigérant se trouve immédiatement au-dessous de la plaque support ( 11) du composant à semiconducteurs ( 7).
8 Boîtier selon revendication 7, caractérisé en ce que la zone ( 13) à paroi mince de la première pièce ( 2) du boîtier est renforcée par des nervures stabilisatrices.
9 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la première et la troisième pièce ( 2, 5) du boîtier
sont réalisées dans une matière plastique telle que le polyimide.
10 Boîtier selon revendication 9, caractérisé en ce que la matière plastique du boîtier contient une charge telle que fibre de verre
ou téflon.
11 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 10,
caractérisé en ce que la plaque support ( 11) du composant à semi15 conducteurs ( 7) et l'embout ( 3) du boîtier sont réalisés dans un
métal bon conducteur de la chaleur, tel que le cuivre.
12 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 11,
caractérisé en ce que la plaque support ( 11) du composant à semiconducteurs ( 7) est réalisée dans un matériau bon conducteur de la 20 chaleur et à faible capacité thermique, tel que saphir ou molybdène.
13 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 12,
caractérisé en ce que les pièces ( 2, 3, 5) du boîtier sont réunies
avec étanchéité par des joints en caoutchouc ou indium ( 15-17).
14 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 13,
caractérisé en ce que les contacts du composant à semiconducteurs ( 7) sont constitués par d'étroits films ( 6) conducteurs et radiaux; et ces connexions sont sorties avec isolation électrique entre deux pièces ( 2, 5) du boîtier
Boîtier selon une des revendications 13 ou 14, caractérisé
en ce que les deux faces des films conducteurs sont isolées en cas cas d'utilisation de joints d'étanchéité conducteurs entre les
pièces du boîtier.
16 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 15,
caractérisé en ce que l'évidement ( 12) de la première pièce ( 2) 35 du boîtier servant de logement au radiateur présente un angle au
sommet O > a < 90 .
17 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 16,
caractérisé en ce que la base ( 8) applique le radiateur ( 1) sur la
première pièce ( 2) du bottier à l'aide de ressorts 018).
18 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 17,
caractérisé en ce que le cône du radiateur porte un serpentin ( 19) parcouru par le gaz réfrigérant; et ce serpentin est appliqué sur la paroi extérieure de la première pièce ( 2) du boîtier, de façon
que le gaz refluant suive un trajet également en spirale vers l'ori10 fice ( 10) de sortie du gaz dans la base ( 8).
19 Boîtier selon revendication 18, caractérisé en ce qu'une superisolation, constituée par une ou plusieurs couches d'un film mince, est disposée entre le serpentin ( 19) et la première pièce ( 2) du boîtier.
20 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que toutes les pièces du boîtier sont assemblées
entre elles par vissage.
21 Boîtier selon une quelconque des revendications 1 à 20,
caractérisé en ce que le boîtier en plusieurs parties est logé dans 20 un second boîtier ( 23) en acier fin, présentant une étanchéité hermétique et comportant une seconde fenêtre ( 24) transparente au rayonnement audessus de la première fenêtre transparente au
rayonnement dans l'embout du boîtier.
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