(57)【要約】【課題】マウント台を厚くすること無く強度を増して噴出する冷却ガスの圧力による変形を抑えるとともに冷却を妨げない構造にした赤外線検知装置を提供する。【解決手段】高圧ガスの噴出により冷却して使用する素子モジュール４１を搭載する平板のマウント台４３であって、一方の面に素子モジュール４１が搭載され他方の面に高圧ガスを受けるマウント台４３を備えた赤外線検知装置において、ガス受け面に垂直に取り付けられ、ガス受け面を仕切り、仕切られた領域間に高圧ガスを通過可能にする穴４７が設けられ、かつ素子モジュール４１の基板材料と熱膨張率が近い材料からなる平立て板４５、４６を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ガスの噴出により冷却して使用する素子モジュールを搭載する平板のマウント台であって、一方の面に素子モジュールが搭載され他方の面に高圧ガスを受けるマウント台を備えた赤外線検知装置において、
前記ガス受け面に垂直に取り付けられ、該ガス受け面を仕切り、該仕切られた領域間に高圧ガスを通過可能にする穴が設けられ、かつ前記素子モジュールの基板材料と熱膨張率が近い材料からなる平立て板を、
備えたことを特徴とする赤外線検知装置。
【請求項２】
前記素子モジュールは接続層を介して接続された第１素子モジュールと第２素子モジュールの二段型のハイブリット素子モジュールであり、前記マウント台の材料の熱膨張率は前記マウント台と非接触な第１素子モジュールの基板材料の熱膨張率に近い、
請求項１に記載の赤外線検知装置。
【請求項３】
前記素子モジュールを搭載した前記平板と前記平立て板とが異なる材料であり、該平立て板が該平板の材料より熱伝導率が高い、
請求項１または２に記載の赤外線検知装置。
【請求項４】
前記素子モジュールを搭載した前記平板と前記平立て板とが異なる材料であり、該平立て板が該平板よりヤング率高い、
請求項１または２に記載の赤外線検知装置。
【請求項５】
前記平立て板が前記ガス受け面を縦方向と横方向に仕切るよう形成されている、
請求項１乃至４の何れか1項に記載の赤外線検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は赤外線検知装置に関し、特に高圧ガス冷却により極低温に冷却して使用する冷却型半導体素子モジュールを搭載するマウント台を備えた赤外線検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、赤外線検知装置には、冷却して使用する半導体検知素子を実装貼り付けするマウント台が設けられている。半導体検知素子は窒素やアルゴン等の高圧液化ガスがマウント台に向けてノズルから吹き出す際に生ずる冷却効果（ジュール・トムソン効果）を利用して冷却される。
【０００３】
工業、医療の分野などで、非接触で地表、物体あるいは人体の温度を知ることが求められている。赤外線センサは、物体から放射されている赤外線を検知して、温度を測ることが出来る有効な手段である。高感度である量子型赤外線センサは性能を上げるため冷却して使用される。圧縮されたガスを吹き付ける冷却方法は小型で極低温を得られることから有効な手段であるが、低温化を進めるには吹きつけガスの高圧化とガスを受ける台の熱伝導の向上が望まれる。
【０００４】
図１は赤外線検知装置における真空容器内で高圧ガスにより赤外線検知素子を冷却する状態を示す真空容器の断面図である。図1に示すように、特許文献１に記載の赤外線検知装置における赤外線検知素子１１は、一般の半導体素子と同様に取り扱い易いようにパッケージングされるが、冷却を必要とするため一般の半導体素子とは違い真空容器１２内の専用のマウント台(ステム)１３に実装される。真空容器１２内は赤外線検知素子１１を凍りつかせないように真空にしてある。ステム１３を外部から冷媒で冷却して赤外線検知素子１１の冷却は行われる。この際運用の利便性から高圧の冷却ガス１４を噴出して赤外線検知素子１１を冷却する。なお、赤外線は窓１５を透過して入射する。
【特許文献１】特開２００２−２４３５４１号公報（明細書の［請求項１］、［請求項２］、段落番号［００２４］、［００３２］〜［００４０］および図面の図３〜５、８、９参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図２は冷却ガス噴出による素子歪みを説明する素子搭載部の断面図である。図2に示すように、特許文献１に記載の赤外線検知装置において、低温化を進めるには噴出させる冷却ガス１４の圧力を高くすることが必要であると共に、冷却ガス１４と赤外線検知素子（チップ）１１間の熱伝導を高めることが必要である。しかし、ガス圧力を高くすると噴出ガスを受ける面が歪み易くなるという問題がある。
【０００６】
また熱伝導向上のために赤外線検知素子１１下のステム１３を薄くしても、噴出する冷却ガス１４を受ける面が歪み易くなる。いずれの場合でも低温化を進めると赤外線検知素子１１下のステム１３が歪み易くなる。ステム１３が歪むとその上に貼られた赤外線検知素子１１も歪むことになり、赤外線検知素子１１に流れる暗電流の増加や赤外線検知素子１１の耐圧性の劣化等の赤外線検知素子１１の劣化を招くという問題がある。
【０００７】
図３は２段構造のハイブリッド型素子における信頼性の低下を説明するハイブリッド型素子の断面図であり、（Ａ）は歪み発生前のハイブリッド型素子の断面図であり、（Ｂ）は歪み発生後のハイブリッド型素子の断面図である。バンプ接続型によるハイブリッド型素子３０では更にバンプ３２の接続の信頼性が低下し、最悪の場合にはバンプ３２の接続が切れてしまうという問題がある。
【０００８】
図３の（Ａ）に示すように、２段構造のハイブリッド型素子３０では、各素子３１、３３の基板材料が異なり熱膨張率が異なると熱歪みが発生し、図３の（Ｂ）に示すように、ハイブリッド型素子３０を変形させハイブリッド型素子３０の特性劣化を招くという問題がある。
【０００９】
またマウント台１３の熱伝導が低いと冷却に時間がかかり、更に低いと十分な低温度が得られないという問題がある。
マウント台１３の熱伝導が高くて冷却能力が高くても、マウント台１３の強度が低いと変形して赤外線検知素子１１に歪みを与えるという問題がある。
【００１０】
本発明は、上述した問題を解決することを目的とし、マウント台を厚くすること無く強度を増して噴出する冷却ガスの圧力による変形を抑えるとともに冷却を妨げない構造にした赤外線検知装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の赤外線検知装置は、高圧ガスの噴出により冷却して使用する素子モジュールを搭載する平板のマウント台であって、一方の面に素子モジュールが搭載され他方の面に高圧ガスを受けるマウント台を備えた赤外線検知装置において、前記ガス受け面に垂直に取り付けられ、該ガス受け面を仕切り、該仕切られた領域間に高圧ガスを通過可能にする穴が設けられ、かつ前記素子モジュールの基板材料と熱膨張率が近い材料からなる平立て板を、備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項２に記載の発明は、上記赤外線検知装置において、前記素子モジュールは接続層を介して接続された第１素子モジュールと第２素子モジュールの二段型のハイブリット素子モジュールであり、前記マウント台の材料の熱膨張率は前記マウント台と非接触な第１素子モジュールの基板材料の熱膨張率に近いことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３に記載の発明は、上記赤外線検知装置において、前記素子モジュールを搭載した前記平板と前記平立て板とが異なる材料であり、該平立て板が該平板の材料より熱伝導率が高いことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項４に記載の発明は、上記赤外線検知装置において、前記素子モジュールを搭載した前記平板と前記平立て板とが異なる材料であり、該平立て板が該平板よりヤング率高いことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項５に記載の発明は、上記赤外線検知装置において、前記平立て板が前記ガス受け面を縦方向と横方向に仕切るよう形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
上記請求項１に記載の発明によれば、ステムの冷却用高圧ガスが当たる面と赤外線検知素子接続面との間の距離を大きくすること無く、赤外線検知素子を冷却する温度の低温化が実現出来、更に冷却用ガスの噴出圧力による変形を無くせるので、赤外線検知素子に歪みが発生せず、赤外線検知素子の特性の劣化を起こすことがなくなる。
【００１７】
また、上記請求項２に記載の発明によれば、ハイブリッド素子モジュールを構成する素子間の熱歪み応力を低減出来る。
また、上記請求項３に記載の発明によれば、更に、素子への熱歪みを抑えられると共に熱伝導の劣化を抑えられる。
【００１８】
また、上記請求項４に記載の発明によれば、ガス噴出圧力に対するマウント台の変形を抑えられるので、素子モジュールへの応力が抑えられ、素子モジュールの歪みの発生を防止できる。
また、上記請求項５に記載の発明によれば、ガス噴出圧力に対するマウント台の変形を強固に抑えるので素子モジュールの歪みの発生を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図４は本発明の赤外線検知装置におけるマウント台の平立て板を示す図であり、（Ａ）はマウント台の側面図であり、（Ｂ）はマウント台の斜視図である。
【００２０】
図４に示すように、高圧ガスを受けるマウント台である平板４３の歪みを低減するには構造的に平板４３の厚みを増して補強することが不可欠である。しかし、全体の厚みを増したのでは熱伝導の低下を招くため、本発明では部分的に厚みを増して補強する。厚みを増す領域は出来るだけ小さくすることが重要であることから、高圧ガスを吹き付ける面４４に対して垂直方向に小さな接触面積で厚みを増し、吹きつけ面４４に対して平立て板４５、４６を垂直に立てる構造が有効である。垂直補強板４５、４６により高圧ガスの流れが妨げられると冷却が均一に進まなくなるため、平立て板４５、４６には高圧ガスを全面に流すための穴４７を設ける。
【００２１】
図３に示す２段型のハイブリッド素子ではマウント台の材料の熱膨張率は、マウント台に接していない方のハイブリッド素子３１の熱膨張率と同じにする。これは、マウント台に接している方のハイブリッド素子３３は、マウント台の熱膨張の影響を受け難いので、マウント台に接していない方のハイブリッド素子３１の熱膨張率をマウント台の材料の熱膨張率に合わせればよいからである。
【００２２】
更に平板４４の材料は素子４１、４３の材料の膨張率と同じ或いは近い膨張率を有する材料を用い、補強板４５、４６の材料を平板４４の材料とは変えて熱容量が小さな材料を用いる。これは、平板の冷却効果を出し、平板の熱伝導を上げるには、補強板４５、４６の材料熱伝導率が高いほうがよいからである。
【００２３】
また平板４４の材料は素子４１、４３の材料のヤング率と同じ或いは近い材料を用い、補強板４５、４６の材料を平板４４とは変えて、ガス噴出圧力に対する変形が小さい材料にすることにより平板４４の変形を抑える。これは、ヤング率が高いと平板４４の撓みを抑えられるからである。
上述した補強板４５、４６は、補強板４５のみまたは補強板４６のみの構造にしてもよい。また、図４に示す補強板４５、４６に代えて穴の開いた同心円の円筒で仕切った構造であって穴により仕切られた領域は互いに高圧ガスが通過できる構造にしてもよい。
【００２４】
図５は従来技術によるマウント台の斜視図であり、 図６の（Ａ）は本発明による平立て板を取り除いたマウント台の斜視図であり、図６の（Ｂ）は本発明による平立て板を示す図である。
【００２５】
本発明は図５に示す従来技術のマウント台に図６の（Ｂ）に示す平立て板６０を組み込んだものである。赤外線検知素子は図の裏側に貼り付けられるので図示されていない。また、リング状の薄板６１内部に冷却用のガスが吹き付けられる。
【００２６】
図７は計算機シミュレーションによって図５に示す従来技術のマウント台と図６（Ｂ）に示す平立て板を備えた本発明によるマウント台の特性比較表を示す図である。
図７はこの２種類のマウント台の構造について材料をＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏの組成を有する合金であるコバールとした時の計算機シミュレーションによる性能比較を行った結果を示す。熱容量の増加は１割の増加であるが、撓みは３／４に抑えられている。
【００２７】
本実施形態では、材料は全てコバールとしたが、他の形態として、赤外線検知素子が接触する部分材料と補強板の材料を異なる構成にしてもよい。赤外線検知素子が接触する部分の材料は赤外線検知素子の材料の膨張係数が近いものを用い、補強板は熱伝導率が高い材料或いは強度が高い材料を用いることにより、更なる強度の向上が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】赤外線検知装置における真空容器内で高圧ガスにより赤外線検知素子を冷却する状態を示す真空容器の断面図である。
【図２】冷却ガス噴出による素子歪みを説明する素子搭載部の断面図である。
【図３】２段構造のハイブリッド型素子における信頼性の低下を説明するハイブリッド型素子の断面図であり、（Ａ）は歪み発生前のハイブリッド型素子の断面図であり、（Ｂ）は歪み発生後のハイブリッド型素子の断面図である。
【図４】本発明の赤外線検知装置におけるマウント台の平立て板を示す図であり、（Ａ）はマウント台の側面図であり、（Ｂ）はマウント台の斜視図である。
【図５】従来技術によるマウント台の斜視図である。
【図６】（Ａ）は本発明による平立て板を取り除いたマウント台の斜視図であり、（Ｂ）は本発明による平立て板を示す図である。
【図７】計算機シミュレーションによって図５に示す従来技術のマウント台と図６（Ｂ）に示す平立て板を備えた本発明によるマウント台の特性比較表を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
４１    素子モジュール
４３    マウント台（平板）
４５、４６    平立板（補強板）
４７    穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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