Лекция 3

Тема 3. Конструкция фп и фпу, охлаждаемых микрокриогенными системами.

В настоящее время в мировой технике используются два принципиально различных варианта конструкции.

Первый вариант - вакуумная конструкция, где полупроводниковый фоточувствительный элемент помещается на держатель при давлении окружающего газа ниже 110^-2 Па (рис 1а). Эта конструкция широко использовалась в фотоприемниках, выпускаемых в Англии (АРЛ, Mullard), во Франции (Sat, Thomson), в США и Голландии («Филипс»). В СССР вакуумные конструкции использовались в работах НИИ «Исход» (НИИ-160), отчасти в НИИ «Альтаир» и до начала 70-х г.г. ГОИ им. Вавилова С.И.

Второй вариант - «газонаполненный», правильнее «полувакуумный». В нем фоточувствительный элемент находится при давлении выше 1 Па в атмосфере контролируемого состава. Эта конструкция использовалась в Германии в системах «Киль» и с небольшими переделками в авиационных теплопеленгаторах «Ястреб» разработки ЦКБ КМЗ. Аналогичные конструкции были внедрены на заводе «Сапфир» в ОКР «Роща».

Основу конструкции (рис 1б) составляет тонкостенный держатель (4), в полость которого помещен микроохладитель, на торце которого помещается узел фоточувствительного элемента (2). Для обеспечения необходимых (малых, порядка 1 Вт) теплопритоков, держатель помещается в полость сосуда Дьюара (3) с двумя окнами, прозрачными в заданном диапазоне длин волн. Для фотодиодов из InSb это лейкосапфир (Al₂O₃). Сосуд Дьюара соединяется через переходные металлические детали с держателем с помощью пайки мягкими припоями, обычно ПОС61 (два кольцевых спая). Электрические соединения, вывода, трассируемые внутри фотодиода, выводятся наружу через стеклоизоляторы (слезки).

Этот вариант конструкции в конце 60-х г.г. был доработан в НИИПФ и реализован в ОКР «Светлана-5, 5А», «Ромашка», «Сириус-10». После 10-15-летнего перерыва на его основе создана конструкция ФД для ФПУ ФУЛ-132.

Одновременно параллельно велись работы в ГОИ им. Вавилова С.И. Они были реализованы в совместных с МЗ «Сапфир» ОКР: «Кедр М», «Лена», «Люкс», «Лаванда». Имея много общего, эти два варианта, - условно ГОИ и «Орион», - имеют следующие отличия:

Вариант ГОИ	Вариант «Орион»
1. Стекловвод «высокий», вварка на генераторе в.ч. (рис.2)	1. «Таблеточный» стекловывод, вварка в нейтральной атмосфере.
2. Вывода в цоколе собраны компактно  50 мм для 70 выводов.	2. Широкая зона, где расположены на цоколе вывода  60 мм.
3. Широкий металлический поясок на сосуде Дьюара (рис.3) (ножевой спай).	3. Узкий поясок коварного кольца на сосуде Дьюара (рис.5) (рантовый спай).
4. Используется общий стекловывод в виде «рубашки» (рис.4).	4. Используется «спеченый» кабель, закрепленный на металлической трубе держателя (рис.6) или свободные никелевые вывода, припаянные к промежуточным керамическим металлизированным полукольцам (рис.7).

Наиболее распространенными можно считать следующие варианты конструкции фотодиода:

1. Первый вариант ФУЛ-132 «с широкими керамическими» кольцами. Этот вариант, разработанный совместно с НПО «Орион» и МЗ «Сапфир», прошел полный цикл испытаний на фотодиодах №№4220, 4427, 4502, 4269 с положительными результатами. В 1988-89г.г. была подтверждена оптимальность этого варианта конструкции с двумя ограничениями: их реализация требовала как высокой техники исполнения со стороны исполнителя, так и непрерывного цикла производства. Кроме того, время выхода на рабочий режим у этих фотодиодов в составе ФПУ приближалось к 4-м минутам вместо 3-х по ТУ.

2. Вариант конструкции, где выводы в виде кабеля из металлизированной полиамидной диэлектрической пленки ПИ40 6190.037.108 ТУ закреплялись на керамических или титановых кольцах. Методом фотолитографии на пленке были выделены полосы шириной 0,3 мм, к которым припаивались тонкие выводы, присоединявшиеся к стекловыводам цоколя держателя и металлизированному растру фоточувствительного элемента. В разных модификациях эта конструкция описана в отчетах «Берилл», «Гемма» (Л.5, Л.6).

3. Вариант конструкции, проработанный в 1991-92 г.г., в котором предусмотрен групповой вывод - «стеклорубашка», аналогичная используемой в изделиях ФР165 («Лена», «Люкс», 12РI и др., например, ФИАЮ.432.261.005. Два таких образца ПГ71567Т и ПГ55385Н были изготовлены и подвергнуты типовым испытаниям в 1995г. (ФД №№ 4322 и 7817).

Вторым основным узлом фотодиода является держатель ЖИАЮ 432261.040. В окончательно принятом варианте его сборка не создает особых трудностей. После контроля сопротивления изоляции (межпроводникового сопротивления) на кольце ЖИАЮ 713152.005 и на выводе ЖИАЮ 433688.003 их спаивают припоем ПОС-61. Необходим контроль за общей длиной спаянного вывода ЖИАЮ 433688.004 - 84,6 мм, а также центричности расположения торцов коваровых выводов ( 22 мм ЖИАЮ 433688.003) и отсутствия повреждений коваровых выводов в месте выхода их из стекла.

В подготовленном для сборки с ф.ч.э. выводе ЖИАЮ 433688.004 торцы коваровых выводов должны быть хорошо облужены ПОС-ом и тщательно отмыты от загрязнений.

Коваровые проводники вывода ЖИАЮ 433688.004 перед запайкой должны быть накручены на выводы цоколя.

Наконечник держателя должен выступать не менее, чем на 1 мм над выводом в собранном держателе.

После сборки проверяется правильность трассировки общих выводов

(3 и 39) цоколя, а также 1 и 64 площадки ф.ч.э. (71, 35) цоколя.

При наклейке ф.ч.э. (ОС5.399.100) на держатель контролируется его центровка относительно  69 и то, чтобы торцы коваровых проводников вывода не были закрыты его краями при рассмотрении по оси Z.

Выводы с растра ОС5.399.100 должны быть согласованы с выводами цоколя согласно схеме ОС5.399.099.

Общая длина никелевого вывода соединяющего растр с «Выводом» ЖИАЮ433688.004, около 10 мм . Петля вывода поднята над плоскость растра до 0,5 мм и не должна быть выше плоскости диафрагмы. Не должно быть острых углов и изломов на границе облуженного никелевого провода, припаянного к стекловыводу.

Перед установкой теплоизолирующего баллона проверяется внешний вид элемента чувствительного ЖИАЮ432265.040 на соответствие требованиям чертежа, отсутствие обрывов выводов, а также сопротивление изоляции выводов относительно корпуса (цоколя) фотодиода и между любыми соседними выводами.

Дальнейшая сборка фотодиода - по действующей документации на ФУЛ-132.

При стыковке теплоизолирующего сосуда с собранной ножкой строго контролировать размер 97,6; обойма должна входить в цоколь до упора.

При стыковке теплоизолирующего баллона с собранной ножкой не допускается касания никелевых выводов с деталями фотодиода, их деформация (смятие).

После механической стыковки фотодиода с БПУ (технологической) производится измерение фонового тока при заданной в ТУ фоновой облученности каждого канала фотодиода. Учитывая имевшиеся разрывы обоймы ОС8.212.140 при испытаниях на вибропрочность по  66,4 необходимо дополнительно контролировать и фиксировать толщину ее плоской части (мембраны) и наличие радиуса закругления на _вн - 65,1.

Фотоприемник состоит из следующих основных сборочных единиц: держатель, элемент фоточувствительный, баллон, вывод

Основной несущей частью является держатель, в состав которого входит наконечник, труба и цоколь. Все эти детали герметично соединены между собой при помощи электронно- лучевой сварки.

На наконечнике держателя крепится при помощи эпоксиднополиамидного компаунда фоточувствительный элемент. Труба держателя изготавливается из нержавеющей стали 12х18НIОТ и имеет толщину стенки 0,2 мм. В цоколь ФП вварены гермовводы - входные контакты из сплава 29НК. Гермовводы расположены на цоколе по двум концентрическим окружностям. Электрический контакт между гермовводами цоколя и чувствительными элементами осуществляется с помощью вывода, представляющего собой стеклянный цилиндр в вваренными в него проволочными выводами  0,2 мм, которые с одной стороны распаиваются на гермовводы цоколя, а с другой соединяются с выводами фоточувствительного элемента. Вывод закрепляется на цоколе пайкой мягким припоем.

Элемент фоточувствительный - капсульного типа, состоящий из двух однорядных линеек фоточувствительных диодов с общей базой. Материал ф.ч.э. монокристаллический п - InSb. Кристалл с выделенными диодными линейками наклеивается на подложку - лейкосапфировый диск. На подложку в свою очередь наклеивается растр - лейкосапфировый диск с прямоугольным отверстием для установки ф.ч. кристалла и с нанесенным металлическим рисунком.

Металлические дорожки растра используются для распайки элементов линейки. Выводы ф.ч. элементов (диодов) распаиваются на центральные концы радиальных дорожек реестра. Сверху линейка ф.ч. элементов закрывается сапфировым диском через кольцевую сапфировую подставку. Диск покрыт слоем напыленного металла по всей площади кроме прорези, играющей роль диафрагмы, через которую проходит засветка ф.ч. элементов падающим излучением. Для формирования области спектральной чувствительности ФП, к диску с напыленной диафрагмой приклеивается оптический фильтр. С целью исключения боковых засветок элементов через торцевые поверхности элементов конструкции капсулы предусмотрена металлическая диафрагма, которая имеет форму чашки и наклеивается на фильтр. Для уменьшения бликов металлическая диафрагма имеет черное покрытие.

После приклейки капсулы с ф.ч.э. на наконечник держателя, осуществляется распайка с периферийных концов дорожек растра на проволочные вывода стеклянной рубашки (вывода).

С целью снижения теплопритоков, а также исключения возможности конденсации влаги на элементах конструкции ФП, к цоколю держателя через промежуточную деталь - обойму, герметично припаивается стеклянный сосуд Дьюара с входными окнами из лейкосапфира. Полость баллона откачена до давления 110^-6 мм.рт.ст. (133,322 мкПа), а его внутренние стенки посеребренны. Полость между баллоном и держателем фотоприемника заполняется осушенным азотом. Заполнение осуществляется через штенгель (трубку), расположенный в обойме баллона.

Собранный ФП комплектуется МТО и помещается в посадочное место блока предусилителей.