Brevet FR2553578A1 — publié le 19850419

La présente invention concerne un dispositif pour un composant électronique fonctionnant à basses températures, avec un boîtier dans lequel est logé le composant et un radiateur relié au boîtier et fonctionnant par effet Joule-Thomson. De nombreuses applications exigent descomposantsélectroniques miniature, qui ne présentent leurs caractéristiques électriques optimales qu'à des températures inférieures à la température ambiante. Tel est par exemple le cas des détecteurs à semiconducteurs en tellurure de mercure-cadmium ou tellurure de plomb-étain, qui ne présentent 10 leur photosensibilité optimale qu'à 80 K environ Pour de tels composants à semiconducteurs, on utilise souvent des boîtiers sous vide à double paroi, avec une fenêtre transparente au rayonnement au-dessus du composant à semiconducteurs Des boîtiers non évacués sont utilisables quand de faibles temps de refroidissement et des durées de service très courtes sont nécessaires Le radiateur nécessaire pour le refroidissement du composant électronique fonctionne avantageusement selon le principe de Joule-Thomson et présente une forme cylindrique ou conique, des angles au sommet différents étant possibles. Un gaz approprié, tel qu'air, argon ou azote, se refroidit par 20 effet Joule-Thomson quand il s'échappe sous haute pression par un orifice de buse et se détend Le gaz se refroidissant par détente est avantageusement dirigé vers l'orifice de la buse par un capillaire judicieusement disposé, et dans lequel le gaz guidé subit ainsi un prérefroidissement Le capillaire est avantageusement constitué 25 par un serpentin disposé sur un support cylindrique ou conique. Un contact intime doit exister entre ledit serpentin et la paroi adjacente du boîtier contenant le composant électrique, afin que le retour du gaz détendu s'effectue également suivant un trajet en spirale avec production d'un échange de chaleur effectif entre le gaz refroidi refluant et le gaz d'alimentation sous haute pression. Le trajet en spirale du gaz refluant ne peut toutefois être obtenu que si une bonne étanchéité est assurée entre le serpentin et la paroi extérieure adjacente du boîtier contenant le composant électronique. Un bon contact thermique avec le boîtier contenant le composant électronique ne peut toutefois pas être évité dans ce cas, de sorte que le prérefroidissement du gaz d'alimentation et le profil optimal de la température le long du capillaire sont perturbés Le refroidissement du composant électronique est par suite ralenti de façon gênante. L'invention a pour objet un dispositif constitué par un boîtier pour le composant électronique et un radiateur, et dans lequel le prérefroidissement du gaz d'alimentation est amélioré et par suite le temps de refroidissement du composant peut être réduit Selon une 10 caractéristique essentielle de l'invention, une superisolation est disposée entre le radiateur et la paroi adjacente du boîte et, par ses faibles conduction et capacité thermiques et la résistance thermique élevée, assure l'isolation thermique entre l'enceinte du gaz détendu et le boîtier. Ce dispositif est avantageusement utilisé pour des composants à semiconducteurs sensibles au rayonnement, et en particulier des détecteurs d'infrarouge Ces détecteurs sont refroidis à 80 K environ. La superisolation est constituée par un film disposé en une ou plusieurs couches entre le radiateur et la paroi du boîtier Il est par exemple 20 possible d'utiliser un film comportant jusqu'à 10 couches, avec une épaisseur comprise entre 2 et 20 pm Le film peut être réalisé dans une matière plastique ou un métal mauvais conducteur de la chaleur, et est avantageusement obtenu par bobinage d'un ruban ou à partir d'anneaux individuels superposés Un polyimide ou de l'aluminium oxydé 25 par exemple ont donné-d'excellents résultats comme matériau du film. Les diverses couches du film de la superisolation sont simplement superposées et maintenues en position par la pression prédéterminée d'application du radiateur sur la paroi du boîtier. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront 30 mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation et du dessin annexé sur lequel: la figure 1 représente le schéma de principe du dispositif selon l'invention; et la figure 2 représente une forme de réalisation particulière pour un composant détecteur d'infrarouge, à faibles temps de refroidisse- ment et durée de service. La figure 1 représente le radiateur 1, constitué par un support conique sur la paroi extérieure duquel est enroulé un serpentin 19 dans lequel circule le réfrigérant gazeux, air, argon ou azote par exemple Ce gaz est appliqué sous haute pression à l'orifice d'entrée 9 du serpentin de refroidissement et s'échappe par l'orifice 14 de la buse, au-dessous du composant 7 électronique à refroidir. Le composant électronique 7 est logé dans un boîtier 2 qui peut être évacué ou, dans le cas de composants à courte durée de service, rempli d'air ou d'un autre gaz Lorsque le composant électronique 7 est un composant à semiconducteurs sensible au rayonnement, et en particulier un détecteur d'infrarouge, le boîtier 2 comporte au-dessus du composant une fenêtre 4 transparente au rayonnement et réalisée en germanium par exemple Le boîtier 2 pré15 sente un évidement conique 12, correspondant au cône du raidateur 1 et destiné au logement de ce dernier Le radiateur est introduit dans cet évidement avec une pression d'application définie, de sorte que le gaz qui s'échappe doit s'écouler entre la paroi 13 du boîtier, dans la zone de l'évidement 12, et le serpentin 19 et assure ainsi le 20 prérefroidissement du gaz d'alimentation dans le serpentin Entre le radiateur 1 et la paroi 13 du boîtier est disposée selon l'invention la superisolation 30, par exemple constituée par le bobinage lâche en plusieurs couches d'un film de polyimide ou d'un métal oxydé superficiellement et présentant une faible conduction thermique et une très faible capacité thermique L'ajustement du radiateur 1 dans l'évidement 12 du boîtier fixe la superisolation 30, de sorte que le gaz détendu refluant doit circuler entre la superisolation du serpentin. L'utilisation de la superisolation évite presque totalement une diminution de l'action de refroidissement par la capacité et la conduction thermiques du boîtier 2, car le contact thermique entre le réfrigérant et la paroi du boîtier est réduit à l'extrême. La figure 2 représente un boîtier pour détecteur d'infrarouge qui doit être refroidi en quelques secondes et dont la durée de service ne dépasse pas quelques minutes Une évacuation du boîtier est 35 inutile pour de tels dispositifs. Le radiateur 1 porte de nouveau le serpentin 19 avec son orifice d'entrée 9 et son orifice de sortie 14 en regard du support 11 du composant à semiconducteurs 7 Le support 11 ferme simultanément l'évidement conique 13, servant de logement au radiateur 1, par rap5 port à l'intérieur du boîtier Ce dernier est constitué par plusieurs pièces: la pièce 2 présentant l'évidement conique 12, la pièce intermédiaire 5 et les connexions 6, réalisées par exemple sous forme de rubans et sortant du boîtier entre les pièces 2 et 5 Le boîtier est fermé par un couvercle 3 comportant une fenêtre 4 transparente au 10 rayonnement Le radiateur est appliqué à l'aide de la base 8 dans l'évidement 12 de la pièce 2 du boîtier, la superisolation 30 constituée par bobinage ou superposition de plusieurs couches étant disposée entre le serpentin 19 du radiateur et la paroi extérieure 13 de la pièce 2 du boîtier Pour obtenir une pression d'application 15 définie du radiateur sur le boîtier on utilise des ressorts tels que des ressorts Bellevilp 18, disposés entre la base 8 et le c 6 ne du radiateur: Toutes les pièces sont solidarisées avec étafihchéité à l'aide de vis 22 par exemple, passant dans des ouvertures 21 correspondantes des diverses pièces du boîtier L'étanchéité 20 entre les pièces du boîtier est assurée par les joints 15, 16 et 17 qui sont par exemple réalisés en caoutchouc ou en indium et logés dans des gorges correspondantes des pièces du boîtier. Les pièces 2 et 5 du boîtier sont avantageusement réalisées dans un matériau mauvais conducteur de la chaleur et à faible capa25 cité thermique, afin d'améliorer encore l'isolation par rapport au gaz prérefroidi refluant le long de la paroi extérieure du serpentin. La superpisolation assurant déjà une très bonne séparation thermique, les pièces 2 et 5 sont réalisables aussi dans un matériau à conduction thermique relativement bonne et capacité thermique 30 plus élevée. Le couvercle 3, comportant la fenêtre 4 transparente au rayonnement, est avantageusement réalisé dans un matériau bon conducteur de la chaleur et à capacité thermique élevée, afin d'éviter une condensation sur la fenêtre 4 transparente pendant la courte durée 35 de service prévue. Le boîtier représenté à la figure 2 a permis d'obtenir des temps de refroidissement inférieurs à 2 secondes Des boîtiers remplis d'air ou de gaz permettent des durées de service de quelques minutes. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'hommede l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1 Dispositif pour un composant électronique fonctionnant à basses températures, avec un boîtier dans lequel est logé le composant et un radiateur relié au boîtier et fonctionnant par effet Joule-Thomson, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'une superisolation ( 30) est disposée entre le radiateur ( 1) et la paroi ( 13) adjacente du boîtier et, par ses faibles conduction et capacité thermiques et la résistance thermique élevée, assure l'isolation thermique entre l'enceinte du gaz détendu et le boîtier 10 ( 2). 2 Dispositif selon revendication 1, caractérisé par son utilisation pour des composants à semiconducteurs sensibles au rayonnement tels que des détecteurs d'infrarouge. 3 Dispositif selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé 15 en ce que la superisolation ( 30) constituée par un film disposé en une ou plusieurs couches entre le radiateur ( 1) et la paroi ( 13) du boîtier. 4 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la superisolation est constituée par un film 20 comportant jusqu'à 10 couches. Dispositif selon une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le film présente une épaisseur comprise entre 2 et 20 pm. 6 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le film est réalisé en matière plastique ou 25 en métal mauvais conducteur de la chaleur. 7 Dispositif selon revendication 6, caractérisé en ce que le film est réalisé en polyimide en ou en aluminium oxydé. 8 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les diverses couches du film de la super30 isolation sont simplement superposées et maintenues en position par la pression prédéterminée d'application du radiateur. 9 Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le film multicouche est obtenu par bobinage d'un ruban ou par superposition d'anneaux.