DE3337194A1 - Gehaeuse fuer ein optoelektronisches halbleiterbauelement - Google Patents

Gehaeuse fuer ein optoelektronisches halbleiterbauelement

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Description

TELEFUMKEN electronic GmbH " ο ο ο Τ-ι Theresienstr. 2, 7100 Heilbronn OOo/ \
Heilbronn, den 05.10.83 PTL-HN-Ma-goe
Gehäuse für ein optoelektronisches Halbleiterbauelement
Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein optoelektronisches, bei niederen Temperaturen betriebsfähiges Halbleiterbauelement, wobei das Gehäuse mit einem nach dem Joule-Thomson-Effekt arbeitenden Kühler in Verbindung steht.
Bestimmte Halbleiterbauelemente müssen zur Erreichung ihrer optimalen Leistungsdaten auf tiefe Temperaturen abgekühlt werden. Dies gilt besonders für infrarotempfindliche Detektoren und Infrarotlaser. Typische Arbeitstemperaturen dieser Halbleiterbauelemente sind die Siedetemperaturen von Stickstoff (77 0K), der Luft (79 0K) oder des Argon (87 0K).
Das Gehäuse für einen derartigen Detektor besteht im allgemeinen aus einem evakuierten doppelwandigen Behälter, der ein Durchlaßfenster für die Infrarotstrahlung und elektrische Durchführungen für die Stromversorgung bzw. die Signalauswertung des Halbleiterbauelementes aufweist. Der unmittelbare Umgebungsbereich des HaIbleiterbauelementes wird mit einem Kühler gekühlt, der nach dem Joule-Thomson-Prinzip, nach dem Peltier-Prinzip oder dem Stirling-Prinzip arbeitet.
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Mit bekannten Vorrichtungen dieser Art können die erforderlichen niederen Betriebstemperaturen innerhalb weniger Minuten erreicht werden. Die Betriebsdauer des Halbleiterbauelementes ist bei fortdauernder Kühlwirkung des jeweils verwendeten Kühlers unbeschränkt.
Für bestimmte Anwendungszwecke ist jedoch die vergleichsweise langsame Abkühlung des Halbleiterbauelementes 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 strahlungsempfindliches 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 unmittelbar 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 Halbleiterbauelement abgekühlt werden muß. Dieser Bereich soll
nach Masse und Material so beschaffen sein, daß er eine möglichst geringe Wärmekapazität aufweist. Eine Vereinfachung 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 Halbleiterbauelementes 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 erfindungsgemäßen Gehäuses für das strahlungsempfindliche, bei niederen Temperaturen betriebsfähige Halbleiterbauelement ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung soll nachstehend noch anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Die Figur 1 zeigt die Einzelteile des Gehäuses in einer für den Zusammenbau geeigneten Positionierung.
Die Figur 2 zeigt das zusammengebaute Gehäuse, das noch von einem weiteren Edelstahlgehäuse umgeben ist.
Das Gehäuse besteht gemäß Figur 1 im wesentlichen aus vier Teilen, die durch Schrauben oder Gewindestifte 22 zusammengehalten werden. Der Gehäuseteil 2 dient zur Halterung der Trägerplatte 11 für das Halbleiterbauelement 7 und zur Aufnahme des nach dem Joule-Thomson-Prinzip arbeitenden Kühlers 1.
-Pr-
Der Gehäuseabschlußteil 3 enthält das strahlungsdurchlässige Fenster 4, das so angeordnet ist, daß die durch das Fenster hindurchtretenden Infrarotstrahlen auf das Halbleiterbauelement 7 treffen. Zwischen dem Gehäuseabschlußteil 3 und dem Gehäuseteil 2 ist ein Zwischenstück 5 angeordnet. Zwischen diesem Zwischenstück und dem Gehäuseteil 2 werden die elektrischen Anschlußleitungen 6 isoliert nach außen geführt. Der vierte Gehäuseteil wird von der Bodenplatte 8 gebildet, die gleichfalls mit den übrigen Gehäuseteilen verschraubt wird und den Kühler 1 gegen die Außenwandung der für seine Aufnahme vorgesehenen Vertiefung 12 im 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 Rohrspirale, durch die das Kühlmedium hindurchströmt. Der Konuswinkel liegt üblicherweise -zwischen 0 und 90 Grad; in der Figur 1 ist ein bekannter Kühler dargestellt, der aus einem 90 °-konischen Hohlkörper besteht.
Das Kühlmedium, das aus Luft, Argon oder Stickstoff besteht wird durch eine Einlaßöffnung 9 in die Rohrspirale 19 eingeführt, durchströmt diese Rohrspirale 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 Rohrspirale hindurchgeführten Gases, wenn es aus der Öffnung 14 austritt, eine Abkühlung des Gases erfolgt, sodaß das rückströmende Gas eine Vorkühlung des durch die Rohrspirale nachfließenden Gasstromes vornimmt. Auf diese Weise wird erreicht, daß bereits nach wenigen Sekunden eine Verflüssigung des austretenden Gases erfolgt, sodaß 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 verbunden wird. Beim Zusammenbau wird der Kühler 1 von der Bodenplatte 8 durch Federn, beispielsweise Tellerfedern 18, gegen die Außenwandung 13 der dem Konus angepaßten Vertiefung 12 im Gehäuseteil 2 gepresst. Die Bodenplatte 8 ist stabil ausgeführt und besteht beispielsweise aus Kupfer, einem anderen Metall oder Kunststoff.
Der Gehäuseteil 2 enthält die dem K.onuswinkel des Kühlers 1 exakt angepaßte Vertiefung 12 mit einer dünnen Gehäusewand 13, die durch geeignete Strukturen, beispielsweise mittels Stegen oder Rippen, mechanisch verstärkt sein kann. Die Vertiefung 12 wird zum Gehäuseinneren hin mit der Trägerplatte 11 für das Halbleiterbauelement 7 abgeschlossen. Diese Platte 11 besteht aus einem Material guter Wärmeleitung aber geringer Wärmekapazität. Geeignete Materialien sind beispielsweise Saphir oder Molybdän. Die Trägerplatte 11 wird eingeklebt oder nach vorheriger Metallisierung der Kontaktflächen mit dem Gehäuseteil 2 verlötet.
Der Gehäuseteil 2 enthält Nuten 20 für Dichtringe 17 und Bohrungen 21 für die Verbindungsschrauben 22.
Der Gehäuseteil 2 besteht aus einem schlecht wärmeleitendem Material mit geringer Wärmekapazität. Ein geeignetes 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 Teil 5 ist eine Zwischenplatte mit einer zentralen Öffnung 29 für den Strahlengang.
- if -
Diese Zwischenplatte 5 wird mit Hilfe von Dichtringen und 15, die in Nuten 20 eingesetzt werden, gegen den 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 Zwischenstück 5 besteht aus ausreichend stabilem und widerstandsfähigem Material, insbesondere aus dem gleichen Material wie der Gehäuseteil 2. Der Gehäuseabschlußteil 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 Material hat eine gute Wärmekapazität und eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Es besteht beispielsweise aus Kupfer.
Ein anderes geeignetes Material ist Kovar, dessen Ausdehnungskoeffizient den meisten Fenstermaterialien gut angepaßt ist, sodaß die Teile fest und dauerhaft miteinander verlötet werden können. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit 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 Figur 1 kann zwischen der Rohrspirale .19 und dem Gehäuseteil 2 eine sogenannte Superisolation angeordnet werden. Diese Superisolation besteht vorzugsweise aus einer ein- oder mehrlagigen dünnen Folie, beispielsweise aus Polyimid. Dadurch wird die
Wärmeisolation gegenüber dem Gehäuseteil 2 weiter verbessert, wodurch das rückströmende Gas, das seinen spiralförmigen Verlauf zwischen dem Gehäuseteil 2 und der Rohrspirale 19 zum Gasauslaß 10 nimmt, eine verbesserte Vorkühlung des durch die Rohrspirale zuströmenden Gases bewirkt.
Gemäß Figur 2 kann das erfindungsgemäße mehrteilige Gehäuse für das Detektorelement in ein zusätzliches Gehäuse 23 eingebaut werden, wenn extreme Umweltbedingungen, insbesondere hohe Luftfeuchtigkeit oder aggressive Dämpfe, vorherrschen. Dieses Gehäuse 23 besteht vorzugsweise aus Edelstahl und weist über dem Fenster 4 ein weiteres, für Infrarotstrahlung durchlässiges Fenster 24 auf. Die elektrischen Zuleitungen 6 für das Halbleiterbauelement werden auch durch das zweite äußere Gehäuse dicht und elektrisch isoliert herausgeführt.
Das äußere Gehäuse 23 kann mit dem Gehäuseteil 2 des inneren Gehäuses verschraubt oder verlötet sein. Hierzu weist das äußere Gehäuse eine Bodenplatte 26 auf, die mit der Unterseite des Gehäuseteils 2 dicht und mechanisch 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, beispielsweise Argon.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung werden bei geeigneter Kühlerwahl Abkühlzeiten des Halbleiterbauelementes auf die erforderliche Betriebstemperatur von < 2 Sekunden erreicht. Die mögliche Betriebsdauer lag bei Werten über 5 Minuten.
- Leerseite

Claims (21)

  1. TELEFUNKEN electronic GmbH Theresieristr. 2, 7100 Heilbronn
    Heilbronn, den 04.10.83 PTL-HN-Ma-goe
    Patentansprüche
    η j 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 mehrteilig ist, daß der unmittelbar mit dem Kühler (1) in Verbindung stehende erste Gehäuseteil (2) eine geringe Wärme-Leitung und -Kapazität aufweist, während der Gehäuseabschlußteil (3), der ein strahlungsdurchlässiges Fenster (4) enthält, eine hohe Wärme-Leitung und -Kapazität aufweist.
    20
  2. 2) Gehäuse nach Anspruch 1 zur Verwendung für Infrarotstrahlungsempfindliche Halbleiterbauelemente.
  3. 3) Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Gehäuseteil (2) und dem Gehäuseabschlußteil (3) ein dritter Gehäuseteil (5) angeordnet ist, der dicht mit den anderen Teilen verbunden ist und
    i. zwischen dem dritten und dem ersten Gehäuseteil (2) die elektrischen Zuleitungen (6) für das Halbleiterbauelement (7) hindurchgeführt sind.
  4. 4) Gehäuse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile (2, 3, 5) mit einer Bodenplatte (8) verbunden sind, die zugleich den Kühler (1) mit einem definierten Anpreßdruck gegen das erste Gehäuseteil (2) preßt, und daß diese Bodenplatte Einlaß- und Auslaßöffnungen (9, 10) für das Kühlmedium enthält.
  5. 5) 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
    j Kühler (1) gekühlt wird und die dem Fenster (4) im Gehäuseabschlußteil (3) gegenüberliegend angeordnet ist.
  6. 6) Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit Luft oder Gas gefüllt ist.
  7. 7) 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 eingepaßt ist, daß die Gasaustrittsöffnung (14) für das Kühlmedium unmittelbar unter der Trägerplatte (11) für das Halbleiterbauelement (7) angeordnet ist.
  8. 8) Gehäuse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dünnwandige Bereich (13) des ersten Gehäuseteils (2) durch stabilisierende Rippen oder Stege versteift ist.
  9. 9) Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der dritte Gehäuseteil (2,5) aus Kunststoff wie Polyimid besteht.
  10. 10) Gehäuse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusekunststoff einen Füllstoff wie Glasfasern oder Teflon enthält.
  11. 11) 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.
  12. 12) Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (11) für das Halbleiterbauelement (7) aus einem gut wärmeleitendem Material mit geringer Wärmekapazität wie Saphir oder Molybdän besteht.
  13. 13) Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile (2, 3, 5) mittels Gummiringen oder Indiumringen (15 - 17) dicht miteinander verbunden sind.
  14. 14) 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.
  15. 15) Gehäuse nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung leitender Dichtringe zwischen den Gehäuseteilen die leitenden Folien beidseitig isoliert sind.
  16. 16) 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.
  17. 17) 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.
  18. 18) Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Konus des Kühlers eine Rohrspirale (19) für das Kühlgas angeordnet ist und daß diese Rohrspirale derart gegen die Außenwandung des ersten Gehäuseteils (2) gepreßt ist, daß das rückstromende Gas in einem gleichfalls spiralförmigen Verlauf zum Gasauslaß (10) in der Bodenplatte (8) strömt. ■■
  19. 19) Gehäuse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Rohrspirale .(19) und dem ersten Gehäuseteil (2) eine Superisolation angeordnet ist, die aus einer ein- oder mehrlagigen dünnen Folie besteht.
  20. 20) Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Gehäuseteile miteinander verschraubt sind.
  21. 21) 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 strahlungsdurchlässigen Fenster im Gehäuseabschlußteil ein weiteres strahlungsdurchlässiges Fenster (24) enthält.
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