专利名称：用于红外光探测的雪崩光电二极管的二次封装装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电子器件，具体是用于红外光探测的雪崩光电二极管(简称APD，下同)的二次封装装置。
背景技术：
目前APD的封装都是针对芯片的，即针对芯片的信号输入与输出。
目前为了降低APD器件的噪声，改善单光子探测器的性能，都采用了制冷技术，使单光子探测器工作于低温环境，以获得最大的探测效率。
要使APD工作在零下的低温环境中，现在通常是用金属基座固定，然后将APD器件置于真空密封防湿的小室内用帕尔贴效应或用液氮致冷。例如(1)发表在2003年第5期《Electronics and Communications in Japan》杂志上的“Single-photon detector for long-distance quantum cryptography”一文中是将APD器件置于真空室中，采用液氮致冷。
(2)发表在2004年5月，Volume 84，Number 18《Applied Physics Letters》杂志上的“Gated-mode single-photon detection at 1550 nm by discharge pulse counting”一文中是将APD器件置于真空室中，采用热电致冷，水冷散热。
以上的现有技术的共同点都是将APD器件置于真空密封防湿的小室内用帕尔贴效应或用液氮致冷。液氮致冷结构复杂、成本昂贵，不利于实际应用，而且近来研究发现，APD器件工作温度太低，探测效率反而下降，这里存在一个最佳工作温度，在此温度条件下探测效率最大。
现有技术采用真空密封，但真空密封需要真空容器、产生真空、检测真空和控制真空的器件和技术，体积庞大，结构复杂，成本昂贵。整个被致冷对象的体积和热容较大，热惰性也较大，增大了致冷负荷，同时降低了致冷效率，在最后一级产生大量的热，使得需要较大的致冷功率才能达到最佳工作温度。而为了散发这些热，又使用了电风扇，如瑞士Idquantique公司2004年报道，或使用水冷，如日本茨城县综合技术研究所在2001年第10期的《信学计报》报道，使得整个系统结构更为复杂。在红外光探测中，APD工作于恒定最佳工作温度环境，要求被致冷对象具有较小的体积和热惰性，对负荷变化反应灵敏，便于温度的灵敏控制。而在真空密封中，被致冷对象的热容和热惰性较大，这为器件温度的灵敏控制增加了困难。而且，恒定的温度控制还需要真空密封有很好的绝热性能，真空材料不是最好的绝热材料，这就严重限制了密封材料的选择。安装尾纤后的APD外形不规范，但要与电控及信号处理系统适配，这极大地增大了真空密封的工艺难度。这一切，都不利于单光子探测器的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于红外光探测的雪崩光电二极管的二次封装装置，此装置可在常温常压下进行填充式清洁干燥气密封装，无需真空材料，有较小的致冷体积和热容，可消除潮气的影响，只需较小的功率便可达到最佳工作温差。有较小的热惰性，便于灵敏的温度控制。结构也更简单合理，封装后的外形简单规范，与电控及信号处理系统适配。
本发明的结构如图1-7所示，底座1的底部开有一梯级凹槽1-1，底座1的上端开有一贯穿底座左右端面的凹槽1-2，凹槽1-2与梯级凹槽1-1相通。
梯级凹槽1-1的底部放置辅助散热片4，辅助散热片4的下部在梯级凹槽1-1内，上部在凹槽1-2内。辅助散热片的作用是在雪崩光电二极管器件和半导体制冷片之间起辅助导热作用。
辅助散热片4开有一与雪崩光电二极管器件的连接法兰配合的凹槽4-1，辅助散热片凹槽4-1的两端是分别与光纤耦合器、雪崩光电二极管配合的半圆柱型槽。
半导体制冷片7紧贴着辅助散热片4放置在梯级凹槽1-1内，半导体制冷片7的旁边是制冷片引线填充件2；半导体制冷片7起热电致冷作用，制冷片引线填充件2的作用是覆盖半导体制冷片引线，并将这一端面的半导体制冷片7冷端和热端隔绝。
上盖6的顶部开设与底部凹槽1-2对应的贯穿左右端面的上盖凹槽6-1，法兰盘配合件5套在耦合了尾纤的雪崩光电二极管器件上，法兰盘配合件5开有一与雪崩光电二极管器件的连接法兰配合的凹槽5-1。
为了加强密封性能，尾纤跳线填充组件3的下部嵌入凹槽1-2内，尾纤跳线填充组件3的上部嵌入上盖凹槽6-1内。
为了更好地阻止装置上下部份之间的相互移动。底部凹槽1-2两边各开有一小凹槽1-3，上盖凹槽6-1两边各有一小楔6-2，小凹槽1-3和小楔6-2的位置对应。
本发明的基本原理如下本发明的二次封装装置不是采用真空密封，而是可在常温常压下进行填充式清洁干燥气密封装，最大限度地减少装置内部的空气量，减少致冷对象的体积和热容，所需的致冷功率较小，并且装置内部的潮气总量低于真空密封装置内的潮气总量，防潮的实际效果比真空密封好。
(1)最小致冷功率半导体帕尔贴效应就是利用直流电流引起半导体材料中的热量输运，冷端吸热，热端放热。由于APD的体积和发热量较小，最适合采用半导体帕尔贴效应致冷。我们设计的基本要求是最小致冷功率的获得，尽可能地减小致冷对象的体积和热容。
半导体冷端的帕尔贴热为QP＝πabI＝αabITα为温差电动势率假定无热损失，因温差导热流入冷端的热量为
QK＝K(Th-Tc)＝KΔTK-----电偶上的热导，w/k电臂上的焦耳热效应为QJ＝I2R若热在电流为I的导体上达到平衡，则传导给冷接点的纯热流可用一维傅立叶方程来表示Qhc=12QJ+QK=12I2R+KΔT]]>由传导传给冷接点的总热量影响了帕尔帖制冷，因此把它减掉就得到了单个热电偶的纯产冷量，即Q0=QP-Qhc=αabTCI-12I2R-KΔT]]>热端放出的热量为Qh=QP+12QJ-QK=Q0+N1]]>消耗的电功率w＝UI＝I2R+αΔTI设物体温度升高ΔT时吸收的热量为ΔQ，物质的热容定义为C=limΔT→0ΔQΔT=∂Q∂T]]>对于一定的物质而言，热容量与质量成正比。
若被致冷对象的体积减少，则质量减少。质量减少，则其热容减少，制冷片冷端负荷减少，制冷量变小，所需的制冷功率就减少，这时制冷片冷端温度降低或制冷温差增大，制冷系统的效率得到提高。制冷功率较小，则流经半导体制冷片的工作电流也较小，由此产生的热量也较小，只需要比较简单的散热系统就可以满足要求。可见，尽可能地减小被致冷对象的体积和热容，使得所需的致冷功率较小，散热系统也简单，更利于实际应用。
(2)灵敏的温度控制在红外单光子探测中，APD的雪崩电压随着温度的降低而减小，当温度过低时，雪崩电压会低于贯穿电压，吸收区不存在耗尽层，因此，没有光生空穴进入倍增区，倍增因子为零。另一方面，被捕获载流子的辐射寿命随着温度的降低而增加，温度过低时，后脉冲效应非常严重。
所以APD的工作温度不是越低越好，而是存在一个最佳工作温度，在此温度条件下探测效率最大。所以应用中，应使得APD工作在恒定的最佳温度，以获得最大的探测效率。
要使APD工作在恒定的最佳工作温度，首先，致冷对象的体积要小，体积小，则热容小，热惰性也小，对负荷变化反应灵敏，便于温度的灵敏控制。其次，封装体的保温性能必须要好。由于我们将绝热与致冷分开考虑和设计，采用填充式干燥气密封装，使得我们能采用很好的绝热材料来限制被致冷的APD器件，使得通过热辐射和热交换散发的热量尽可能低。。
(3)保持了真空密封的优点，消除潮气的影响。
当半导体制冷片冷端温度达到足够冷时，空气中的水蒸汽就会在其表面凝结，这会对APD造成致命的损害。致冷体积越大，空气中所含的水汽就越多，水汽越多，水凝的几率越大。所以要尽可能减小致冷对象的体积。
本二次封装装置而是采用气密填充封装，最大限度地减少了装置内部的空气量，使装置内部的潮气总量低于真空密封装置内的潮气量，防潮的实际效果比真空密封好。
(4)封装的外形适合装配。
二次封装后的外形简单规范，与电控及信号处理系统适配，利于实际使用。
根据以上的基本原理，我们设计了和安装尾纤后APD外形相适配的一系列组件，进行填充式清洁干燥气密封装，以尽可能地减少致冷对象的体积和热容，并与电控及信号处理系统适配。在我们的设计中，放置APD及其组件后的剩余体积小于100mm3。如此小的体积，致冷的热容也小，制冷量也小，使得所需的致冷功率也小，同时如此小的体积也几乎消除了潮气的影响。
假如在20℃时对APD进行填充封装，则100mm3空气中含水汽的质量为m＝v·av是剩余空间体积，a是20℃的大气绝对湿度a=2.167eT]]>千克/米3，e是20℃时的饱和水汽压23.38百帕。所以100mm3空气中含水汽的质量为1.73×10-5g。我们还采取了防潮措施，以吸收残留空气中的水汽，水汽质量再进一步大大减小。密封的效果几乎等同于真空密封，内腔水凝的几率也就几乎为零。
由于我们将绝热和致冷分开考虑，使得我们能采用很好的密封材料。封装体材料选用有“塑料王”之称的聚四氟乙烯(导热系数为0.22w/m.k)，能在+250℃～-180℃下长期工作。还在封装体外表面包了一层酚醛泡沫(导热系数为0.021w/m.k)。
由于APD和温度传感器引线必须穿出腔体，我们将APD引线接口设计成插孔的形式，将其嵌在为减少内腔空间而设计的组件中。
本发明与现有技术相比具有如下优点1、本装置不采用真空密封，而是可在常温常压下进行填充式清洁干燥气密封装，无需真空材料，但保持了真空密封的优点，消除潮气的影响；2、具有较小的被致冷体积的良好设计，则只需要较小的致冷功率就可达到最佳工作温度，致冷效率高；3、密封性能和保温性能好。热惰性小，便于温度的灵敏控制；4、半导体制冷片末级产生的热量小，散热系统简单；5、封装后的外形结构简单规范，与电控及信号处理系统适配，利于实际使用。
图1是本发明结构示意图；图2是图1中底座1的纵截面剖视图；图3是图1中辅助散热片4的纵截面剖视图；图4是图1中法兰盘配合件5的纵截面剖视图；图5是图1中上盖6的纵截面剖视图；图6是图1中半导体制冷片7的纵截面剖视图；图7是安装到图1所示装置中的耦合了尾纤的APD器件外形图。
具体实施例方式
本发明的结构如图1-7所示，底座1的底部开有一梯级凹槽1-1，底座1的上端开有一贯穿底座左右端面的凹槽1-2，凹槽1-2与梯级凹槽1-1相通。
梯级凹槽1-1的底部放置辅助散热片4，辅助散热片4的下部在梯级凹槽1-1内，上部在凹槽1-2内。辅助散热片的作用是在雪崩光电二极管器件和半导体制冷片之间起辅助导热作用。
辅助散热片4开有一与雪崩光电二极管器件的连接法兰配合的凹槽4-1，辅助散热片凹槽4-1的两端是分别与光纤耦合器、雪崩光电二极管配合的半圆柱型槽。
半导体制冷片7紧贴着辅助散热片4放置在梯级凹槽1-1内，半导体制冷片7的旁边是制冷片引线填充件2；半导体制冷片7起热电致冷作用，制冷片引线填充件2的作用是覆盖半导体制冷片引线，并将这一端面的半导体制冷片冷端和热端隔绝。
上盖6的顶部开设与底部凹槽1-2对应的贯穿左右端面的上盖凹槽6-1，法兰盘配合件5套在耦合了尾纤的雪崩光电二极管器件上，法兰盘配合件5开有一与雪崩光电二极管器件的连接法兰配合的凹槽5-1。
尾纤跳线填充组件3的下部嵌入凹槽1-2内，尾纤跳线填充组件3的上部嵌入上盖凹槽6-1内。
底部凹槽1-2两边各开有一小凹槽1-3，上盖凹槽6-1两边各有一小楔6-2，小凹槽1-3和小楔6-2的位置对应。
封装装置对雪崩光电二极管器件进行封装后，已耦合了尾纤的雪崩光电二极管器件装入底部凹槽1-2内并与辅助散热片4紧紧配合在一起，紧贴着雪崩光电二极管器件管脚这一端放置保护雪崩光电二极管管脚组件8，雪崩光电二极管器件的两个管脚分别从保护雪崩光电二极管管脚组件8中的两个小孔穿过，外接引线插孔组件9紧贴着保护雪崩光电二极管管脚组件8；保护雪崩光电二极管管脚组件8和外接引线插孔组件9都处于底部凹槽1-2内。本例中，各构件主要采用聚四氟乙烯材料。还在装置外面包了一层酚醛泡沫。
本例使用二级半导体制冷片，由于所需的制冷功率小，末级产生的热量相对也小，在常温下，散热系统采用自然对流散热，就可以控制到-40℃，使用的雪崩光电二极管管子型号可以是ETX-40，其最低工作温度是-40℃，完全可以满足要求。
权利要求
1.一种用于红外光探测的雪崩光电二极管的二次封装装置，其特征在于底座(1)的底部开有一梯级凹槽(1-1)，底座(1)的上端开有一贯穿底座左右端面的凹槽(1-2)，凹槽(1-2)与梯级凹槽(1-1)相通；梯级凹槽(1-1)的底部放置辅助散热片(4)，辅助散热片(4)的下部在梯级凹槽(1-1)内，上部在凹槽(1-2)内；辅助散热片(4)开有一与雪崩光电二极管器件的连接法兰配合的凹槽(4-1)，辅助散热片凹槽(4-1)的两端是分别与光纤耦合器、雪崩光电二极管配合的半圆柱型槽；半导体制冷片(7)紧贴着辅助散热片(4)放置在梯级凹槽(1-1)内，半导体制冷片(7)的旁边是制冷片引线填充件(2)；上盖(6)的顶部开设与底部凹槽(1-2)对应的贯穿左右端面的上盖凹槽(6-1)，法兰盘配合件(5)套在耦合了尾纤的雪崩光电二极管器件上，法兰盘配合件(5)开有一与雪崩光电二极管器件的连接法兰配合的凹槽(5-1)。
2.根据权利要求1所述的封装装置，其特征在于尾纤跳线填充组件(3)的下部嵌入凹槽(1-2)内，尾纤跳线填充组件(3)的上部嵌入上盖凹槽(6-1)内。
3.根据权利要求1或2所述的封装装置，其特征在于底部凹槽(1-2)两边各开有一小凹槽(1-3)，上盖凹槽(6-1)两边各有一小楔(6-2)，小凹槽(1-3)和小楔(6-2)的位置对应。
4.根据权利要求3所述的封装装置，其特征在于已耦合了尾纤的雪崩光电二极管器件装入底部凹槽(1-2)内并与辅助散热片(4)紧紧配合在一起，紧贴着雪崩光电二极管器件管脚这一端放置保护雪崩光电二极管管脚组件(8)，雪崩光电二极管器件的两个管脚分别从保护雪崩光电二极管管脚组件(8)中的两个小孔穿过，外接引线插孔组件(9)紧贴着保护雪崩光电二极管管脚组件(8)；保护雪崩光电二极管管脚组件(8)和外接引线插孔组件(9)都处于底部凹槽(1-2)内。
5.根据权利要求3所述的封装装置，其特征在于由聚四氟乙烯材料制成。
6.根据权利要求5所述的封装装置，其特征在于还在装置外表面包一层酚醛泡沫。
全文摘要
本发明涉及一种用于红外光探测的雪崩光电二极管(简称APD，下同)的二次封装装置，其底座的底部开有一梯级凹槽，底座的上端开有一贯穿底座左右端面的凹槽，凹槽与梯级凹槽相通；梯级凹槽的底部放置辅助散热片，辅助散热片的下部在梯级凹槽内，上部在凹槽内；辅助散热片开有一与APD器件的连接法兰配合的凹槽；辅助散热片旁依次设置半导体制冷片、制冷片引线填充件；上盖的顶部开设与底部凹槽对应的贯穿左右端面的上盖凹槽，法兰盘配合件套在耦合了尾纤的APD器件上，法兰盘配合件开有一与APD器件的连接法兰配合的凹槽。本发明可在常温常压下进行填充式清洁干燥气密封装，无需真空材料，有较小的致冷体积和热容，可消除潮气的影响，只需较小的功率便可达到最佳工作温差。
文档编号H01L23/00GK1700450SQ200510035059
公开日2005年11月23日 申请日期2005年6月9日 优先权日2005年6月9日
发明者廖常俊, 李日豪, 刘颂豪 申请人:华南师范大学