專利名稱：用于紅外光探測的雪崩光電二極管的二次封裝裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光電子器件，具體是用于紅外光探測的雪崩光電二極管(簡稱APD，下同)的二次封裝裝置。
背景技術(shù)：
目前APD的封裝都是針對(duì)芯片的，即針對(duì)芯片的信號(hào)輸入與輸出。
目前為了降低APD器件的噪聲，改善單光子探測器的性能，都采用了制冷技術(shù)，使單光子探測器工作于低溫環(huán)境，以獲得最大的探測效率。
要使APD工作在零下的低溫環(huán)境中，現(xiàn)在通常是用金屬基座固定，然后將APD器件置于真空密封防濕的小室內(nèi)用帕爾貼效應(yīng)或用液氮致冷。例如(1)發(fā)表在2003年第5期《Electronics and Communications in Japan》雜志上的“Single-photon detector for long-distance quantum cryptography”一文中是將APD器件置于真空室中，采用液氮致冷。
(2)發(fā)表在2004年5月，Volume 84，Number 18《Applied Physics Letters》雜志上的“Gated-mode single-photon detection at 1550 nm by discharge pulse counting”一文中是將APD器件置于真空室中，采用熱電致冷，水冷散熱。
以上的現(xiàn)有技術(shù)的共同點(diǎn)都是將APD器件置于真空密封防濕的小室內(nèi)用帕爾貼效應(yīng)或用液氮致冷。液氮致冷結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴，不利于實(shí)際應(yīng)用，而且近來研究發(fā)現(xiàn)，APD器件工作溫度太低，探測效率反而下降，這里存在一個(gè)最佳工作溫度，在此溫度條件下探測效率最大。
現(xiàn)有技術(shù)采用真空密封，但真空密封需要真空容器、產(chǎn)生真空、檢測真空和控制真空的器件和技術(shù)，體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴。整個(gè)被致冷對(duì)象的體積和熱容較大，熱惰性也較大，增大了致冷負(fù)荷，同時(shí)降低了致冷效率，在最后一級(jí)產(chǎn)生大量的熱，使得需要較大的致冷功率才能達(dá)到最佳工作溫度。而為了散發(fā)這些熱，又使用了電風(fēng)扇，如瑞士Idquantique公司2004年報(bào)道，或使用水冷，如日本茨城縣綜合技術(shù)研究所在2001年第10期的《信學(xué)計(jì)報(bào)》報(bào)道，使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。在紅外光探測中，APD工作于恒定最佳工作溫度環(huán)境，要求被致冷對(duì)象具有較小的體積和熱惰性，對(duì)負(fù)荷變化反應(yīng)靈敏，便于溫度的靈敏控制。而在真空密封中，被致冷對(duì)象的熱容和熱惰性較大，這為器件溫度的靈敏控制增加了困難。而且，恒定的溫度控制還需要真空密封有很好的絕熱性能，真空材料不是最好的絕熱材料，這就嚴(yán)重限制了密封材料的選擇。安裝尾纖后的APD外形不規(guī)范，但要與電控及信號(hào)處理系統(tǒng)適配，這極大地增大了真空密封的工藝難度。這一切，都不利于單光子探測器的實(shí)際應(yīng)用。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于紅外光探測的雪崩光電二極管的二次封裝裝置，此裝置可在常溫常壓下進(jìn)行填充式清潔干燥氣密封裝，無需真空材料，有較小的致冷體積和熱容，可消除潮氣的影響，只需較小的功率便可達(dá)到最佳工作溫差。有較小的熱惰性，便于靈敏的溫度控制。結(jié)構(gòu)也更簡單合理，封裝后的外形簡單規(guī)范，與電控及信號(hào)處理系統(tǒng)適配。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)如圖1-7所示，底座1的底部開有一梯級(jí)凹槽1-1，底座1的上端開有一貫穿底座左右端面的凹槽1-2，凹槽1-2與梯級(jí)凹槽1-1相通。
梯級(jí)凹槽1-1的底部放置輔助散熱片4，輔助散熱片4的下部在梯級(jí)凹槽1-1內(nèi)，上部在凹槽1-2內(nèi)。輔助散熱片的作用是在雪崩光電二極管器件和半導(dǎo)體制冷片之間起輔助導(dǎo)熱作用。
輔助散熱片4開有一與雪崩光電二極管器件的連接法蘭配合的凹槽4-1，輔助散熱片凹槽4-1的兩端是分別與光纖耦合器、雪崩光電二極管配合的半圓柱型槽。
半導(dǎo)體制冷片7緊貼著輔助散熱片4放置在梯級(jí)凹槽1-1內(nèi)，半導(dǎo)體制冷片7的旁邊是制冷片引線填充件2；半導(dǎo)體制冷片7起熱電致冷作用，制冷片引線填充件2的作用是覆蓋半導(dǎo)體制冷片引線，并將這一端面的半導(dǎo)體制冷片7冷端和熱端隔絕。
上蓋6的頂部開設(shè)與底部凹槽1-2對(duì)應(yīng)的貫穿左右端面的上蓋凹槽6-1，法蘭盤配合件5套在耦合了尾纖的雪崩光電二極管器件上，法蘭盤配合件5開有一與雪崩光電二極管器件的連接法蘭配合的凹槽5-1。
為了加強(qiáng)密封性能，尾纖跳線填充組件3的下部嵌入凹槽1-2內(nèi)，尾纖跳線填充組件3的上部嵌入上蓋凹槽6-1內(nèi)。
為了更好地阻止裝置上下部份之間的相互移動(dòng)。底部凹槽1-2兩邊各開有一小凹槽1-3，上蓋凹槽6-1兩邊各有一小楔6-2，小凹槽1-3和小楔6-2的位置對(duì)應(yīng)。
本實(shí)用新型的基本原理如下本實(shí)用新型的二次封裝裝置不是采用真空密封，而是可在常溫常壓下進(jìn)行填充式清潔干燥氣密封裝，最大限度地減少裝置內(nèi)部的空氣量，減少致冷對(duì)象的體積和熱容，所需的致冷功率較小，并且裝置內(nèi)部的潮氣總量低于真空密封裝置內(nèi)的潮氣總量，防潮的實(shí)際效果比真空密封好。
(1)最小致冷功率半導(dǎo)體帕爾貼效應(yīng)就是利用直流電流引起半導(dǎo)體材料中的熱量輸運(yùn)，冷端吸熱，熱端放熱。由于APD的體積和發(fā)熱量較小，最適合采用半導(dǎo)體帕爾貼效應(yīng)致冷。我們?cè)O(shè)計(jì)的基本要求是最小致冷功率的獲得，盡可能地減小致冷對(duì)象的體積和熱容。
半導(dǎo)體冷端的帕爾貼熱為QP＝πabI＝αabITα為溫差電動(dòng)勢(shì)率假定無熱損失，因溫差導(dǎo)熱流入冷端的熱量為
QK＝K(Th-Tc)＝KΔTK-----電偶上的熱導(dǎo)，w/k電臂上的焦耳熱效應(yīng)為QJ＝I2R若熱在電流為I的導(dǎo)體上達(dá)到平衡，則傳導(dǎo)給冷接點(diǎn)的純熱流可用一維傅立葉方程來表示Qhc=12QJ+QK=12I2R+KΔT]]>由傳導(dǎo)傳給冷接點(diǎn)的總熱量影響了帕爾帖制冷，因此把它減掉就得到了單個(gè)熱電偶的純產(chǎn)冷量，即Q0=QP-Qhc=αabTCI-12I2R-KΔT]]>熱端放出的熱量為Qh=QP+12QJ-QK=Q0+N1]]>消耗的電功率w＝UI＝I2R+αΔTI設(shè)物體溫度升高ΔT時(shí)吸收的熱量為ΔQ，物質(zhì)的熱容定義為C=limΔT→0ΔQΔT=∂Q∂T]]>對(duì)于一定的物質(zhì)而言，熱容量與質(zhì)量成正比。
若被致冷對(duì)象的體積減少，則質(zhì)量減少。質(zhì)量減少，則其熱容減少，制冷片冷端負(fù)荷減少，制冷量變小，所需的制冷功率就減少，這時(shí)制冷片冷端溫度降低或制冷溫差增大，制冷系統(tǒng)的效率得到提高。制冷功率較小，則流經(jīng)半導(dǎo)體制冷片的工作電流也較小，由此產(chǎn)生的熱量也較小，只需要比較簡單的散熱系統(tǒng)就可以滿足要求?？梢?，盡可能地減小被致冷對(duì)象的體積和熱容，使得所需的致冷功率較小，散熱系統(tǒng)也簡單，更利于實(shí)際應(yīng)用。
(2)靈敏的溫度控制在紅外單光子探測中，APD的雪崩電壓隨著溫度的降低而減小，當(dāng)溫度過低時(shí)，雪崩電壓會(huì)低于貫穿電壓，吸收區(qū)不存在耗盡層，因此，沒有光生空穴進(jìn)入倍增區(qū)，倍增因子為零。另一方面，被捕獲載流子的輻射壽命隨著溫度的降低而增加，溫度過低時(shí)，后脈沖效應(yīng)非常嚴(yán)重。
所以APD的工作溫度不是越低越好，而是存在一個(gè)最佳工作溫度，在此溫度條件下探測效率最大。所以應(yīng)用中，應(yīng)使得APD工作在恒定的最佳溫度，以獲得最大的探測效率。
要使APD工作在恒定的最佳工作溫度，首先，致冷對(duì)象的體積要小，體積小，則熱容小，熱惰性也小，對(duì)負(fù)荷變化反應(yīng)靈敏，便于溫度的靈敏控制。其次，封裝體的保溫性能必須要好。由于我們將絕熱與致冷分開考慮和設(shè)計(jì)，采用填充式干燥氣密封裝，使得我們能采用很好的絕熱材料來限制被致冷的APD器件，使得通過熱輻射和熱交換散發(fā)的熱量盡可能低。。
(3)保持了真空密封的優(yōu)點(diǎn)，消除潮氣的影響。
當(dāng)半導(dǎo)體制冷片冷端溫度達(dá)到足夠冷時(shí)，空氣中的水蒸汽就會(huì)在其表面凝結(jié)，這會(huì)對(duì)APD造成致命的損害。致冷體積越大，空氣中所含的水汽就越多，水汽越多，水凝的幾率越大。所以要盡可能減小致冷對(duì)象的體積。
本二次封裝裝置而是采用氣密填充封裝，最大限度地減少了裝置內(nèi)部的空氣量，使裝置內(nèi)部的潮氣總量低于真空密封裝置內(nèi)的潮氣量，防潮的實(shí)際效果比真空密封好。
(4)封裝的外形適合裝配。
二次封裝后的外形簡單規(guī)范，與電控及信號(hào)處理系統(tǒng)適配，利于實(shí)際使用。
根據(jù)以上的基本原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了和安裝尾纖后APD外形相適配的一系列組件，進(jìn)行填充式清潔干燥氣密封裝，以盡可能地減少致冷對(duì)象的體積和熱容，并與電控及信號(hào)處理系統(tǒng)適配。在我們的設(shè)計(jì)中，放置APD及其組件后的剩余體積小于100mm3。如此小的體積，致冷的熱容也小，制冷量也小，使得所需的致冷功率也小，同時(shí)如此小的體積也幾乎消除了潮氣的影響。
假如在20℃時(shí)對(duì)APD進(jìn)行填充封裝，則100mm3空氣中含水汽的質(zhì)量為m＝v·av是剩余空間體積，a是20℃的大氣絕對(duì)濕度 e是20℃時(shí)的飽和水汽壓23.38百帕。所以100mm3空氣中含水汽的質(zhì)量為1.73×10-5g。我們還采取了防潮措施，以吸收殘留空氣中的水汽，水汽質(zhì)量再進(jìn)一步大大減小。密封的效果幾乎等同于真空密封，內(nèi)腔水凝的幾率也就幾乎為零。
由于我們將絕熱和致冷分開考慮，使得我們能采用很好的密封材料。封裝體材料選用有“塑料王”之稱的聚四氟乙烯(導(dǎo)熱系數(shù)為0.22w/m.k)，能在+250℃～-180℃下長期工作。還在封裝體外表面包了一層酚醛泡沫(導(dǎo)熱系數(shù)為0.021w/m.k)。
由于APD和溫度傳感器引線必須穿出腔體，我們將APD引線接口設(shè)計(jì)成插孔的形式，將其嵌在為減少內(nèi)腔空間而設(shè)計(jì)的組件中。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本裝置不采用真空密封，而是可在常溫常壓下進(jìn)行填充式清潔干燥氣密封裝，無需真空材料，但保持了真空密封的優(yōu)點(diǎn)，消除潮氣的影響；2、具有較小的被致冷體積的良好設(shè)計(jì)，則只需要較小的致冷功率就可達(dá)到最佳工作溫度，致冷效率高；3、密封性能和保溫性能好。熱惰性小，便于溫度的靈敏控制；4、半導(dǎo)體制冷片末級(jí)產(chǎn)生的熱量小，散熱系統(tǒng)簡單；5、封裝后的外形結(jié)構(gòu)簡單規(guī)范，與電控及信號(hào)處理系統(tǒng)適配，利于實(shí)際使用。


圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中底座1的縱截面剖視圖；圖3是圖1中輔助散熱片4的縱截面剖視圖；圖4是圖1中法蘭盤配合件5的縱截面剖視圖；圖5是圖1中上蓋6的縱截面剖視圖；圖6是圖1中半導(dǎo)體制冷片7的縱截面剖視圖；圖7是安裝到圖1所示裝置中的耦合了尾纖的APD器件外形圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)如圖1-7所示，底座1的底部開有一梯級(jí)凹槽1-1，底座1的上端開有一貫穿底座左右端面的凹槽1-2，凹槽1-2與梯級(jí)凹槽1-1相通。
梯級(jí)凹槽1-1的底部放置輔助散熱片4，輔助散熱片4的下部在梯級(jí)凹槽1-1內(nèi)，上部在凹槽1-2內(nèi)。輔助散熱片的作用是在雪崩光電二極管器件和半導(dǎo)體制冷片之間起輔助導(dǎo)熱作用。
輔助散熱片4開有一與雪崩光電二極管器件的連接法蘭配合的凹槽4-1，輔助散熱片凹槽4-1的兩端是分別與光纖耦合器、雪崩光電二極管配合的半圓柱型槽。
半導(dǎo)體制冷片7緊貼著輔助散熱片4放置在梯級(jí)凹槽1-1內(nèi)，半導(dǎo)體制冷片7的旁邊是制冷片引線填充件2；半導(dǎo)體制冷片7起熱電致冷作用，制冷片引線填充件2的作用是覆蓋半導(dǎo)體制冷片引線，并將這一端面的半導(dǎo)體制冷片冷端和熱端隔絕。
上蓋6的頂部開設(shè)與底部凹槽1-2對(duì)應(yīng)的貫穿左右端面的上蓋凹槽6-1，法蘭盤配合件5套在耦合了尾纖的雪崩光電二極管器件上，法蘭盤配合件5開有一與雪崩光電二極管器件的連接法蘭配合的凹槽5-1。
尾纖跳線填充組件3的下部嵌入凹槽1-2內(nèi)，尾纖跳線填充組件3的上部嵌入上蓋凹槽6-1內(nèi)。
底部凹槽1-2兩邊各開有一小凹槽1-3，上蓋凹槽6-1兩邊各有一小楔6-2，小凹槽1-3和小楔6-2的位置對(duì)應(yīng)。
封裝裝置對(duì)雪崩光電二極管器件進(jìn)行封裝后，已耦合了尾纖的雪崩光電二極管器件裝入底部凹槽1-2內(nèi)并與輔助散熱片4緊緊配合在一起，緊貼著雪崩光電二極管器件管腳這一端放置保護(hù)雪崩光電二極管管腳組件8，雪崩光電二極管器件的兩個(gè)管腳分別從保護(hù)雪崩光電二極管管腳組件8中的兩個(gè)小孔穿過，外接引線插孔組件9緊貼著保護(hù)雪崩光電二極管管腳組件8；保護(hù)雪崩光電二極管管腳組件8和外接引線插孔組件9都處于底部凹槽1-2內(nèi)。本例中，各構(gòu)件主要采用聚四氟乙烯材料。還在裝置外面包了一層酚醛泡沫。
本例使用二級(jí)半導(dǎo)體制冷片，由于所需的制冷功率小，末級(jí)產(chǎn)生的熱量相對(duì)也小，在常溫下，散熱系統(tǒng)采用自然對(duì)流散熱，就可以控制到-40℃，使用的雪崩光電二極管管子型號(hào)可以是ETX-40，其最低工作溫度是-40℃，完全可以滿足要求。
權(quán)利要求1.一種用于紅外光探測的雪崩光電二極管的二次封裝裝置，其特征在于底座(1)的底部開有一梯級(jí)凹槽(1-1)，底座(1)的上端開有一貫穿底座左右端面的凹槽(1-2)，凹槽(1-2)與梯級(jí)凹槽(1-1)相通；梯級(jí)凹槽(1-1)的底部放置輔助散熱片(4)，輔助散熱片(4)的下部在梯級(jí)凹槽(1-1)內(nèi)，上部在凹槽(1-2)內(nèi)；輔助散熱片(4)開有一與雪崩光電二極管器件的連接法蘭配合的凹槽(4-1)，輔助散熱片凹槽(4-1)的兩端是分別與光纖耦合器、雪崩光電二極管配合的半圓柱型槽；半導(dǎo)體制冷片(7)緊貼著輔助散熱片(4)放置在梯級(jí)凹槽(1-1)內(nèi)，半導(dǎo)體制冷片(7)的旁邊是制冷片引線填充件(2)；上蓋(6)的頂部開設(shè)與底部凹槽(1-2)對(duì)應(yīng)的貫穿左右端面的上蓋凹槽(6-1)，法蘭盤配合件(5)套在耦合了尾纖的雪崩光電二極管器件上，法蘭盤配合件(5)開有一與雪崩光電二極管器件的連接法蘭配合的凹槽(5-1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝裝置，其特征在于尾纖跳線填充組件(3)的下部嵌入凹槽(1-2)內(nèi)，尾纖跳線填充組件(3)的上部嵌入上蓋凹槽(6-1)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的封裝裝置，其特征在于底部凹槽(1-2)兩邊各開有一小凹槽(1-3)，上蓋凹槽(6-1)兩邊各有一小楔(6-2)，小凹槽(1-3)和小楔(6-2)的位置對(duì)應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的封裝裝置，其特征在于已耦合了尾纖的雪崩光電二極管器件裝入底部凹槽(1-2)內(nèi)并與輔助散熱片(4)緊緊配合在一起，緊貼著雪崩光電二極管器件管腳這一端放置保護(hù)雪崩光電二極管管腳組件(8)，雪崩光電二極管器件的兩個(gè)管腳分別從保護(hù)雪崩光電二極管管腳組件(8)中的兩個(gè)小孔穿過，外接引線插孔組件(9)緊貼著保護(hù)雪崩光電二極管管腳組件(8)；保護(hù)雪崩光電二極管管腳組件(8)和外接引線插孔組件(9)都處于底部凹槽(1-2)內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的封裝裝置，其特征在于還在裝置外表面包有一層酚醛泡沫。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于紅外光探測的雪崩光電二極管(簡稱APD，下同)的二次封裝裝置，其底座的底部開有一梯級(jí)凹槽，底座的上端開有一貫穿底座左右端面的凹槽，凹槽與梯級(jí)凹槽相通；梯級(jí)凹槽的底部放置輔助散熱片，輔助散熱片的下部在梯級(jí)凹槽內(nèi)，上部在凹槽內(nèi)；輔助散熱片開有一與APD器件的連接法蘭配合的凹槽；輔助散熱片旁依次設(shè)置半導(dǎo)體制冷片、制冷片引線填充件；上蓋的頂部開設(shè)與底部凹槽對(duì)應(yīng)的貫穿左右端面的上蓋凹槽，法蘭盤配合件套在耦合了尾纖的APD器件上，法蘭盤配合件開有一與APD器件的連接法蘭配合的凹槽。本實(shí)用新型可在常溫常壓下進(jìn)行填充式清潔干燥氣密封裝，無需真空材料，有較小的致冷體積和熱容，可消除潮氣的影響，只需較小的功率便可達(dá)到最佳工作溫差。
文檔編號(hào)H01L31/102GK2867589SQ20052005946
公開日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者李日豪, 廖?？? 劉頌豪 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)