DE69500046T2

DE69500046T2 - Baugruppe mit verbesserten thermischen Charakteristiken

Info

Publication number: DE69500046T2
Application number: DE69500046T
Authority: DE
Inventors: Uwe Effelsberg
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Agilent Technologies Deutschland GmbH
Priority date: 1995-02-18
Filing date: 1995-02-18
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2015-02-19
Also published as: JPH08250822A; EP0727928A1; EP0727928B1; DE69500046D1; ES2092413T3; US5900649A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft elektronische Anordnungen, insbesondere die Verminderung von Wärmeleitung zwischen Elementen, die auf einem wärmeleitfähigen Trägermaterial montiert sind.

BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK

In der Halbleiterelektronik sowie in anderen Elektronikbereichen ist es üblich, viele Elemente auf ein wärmeleitendes Trägermaterial zu montieren. In einigen Bereichen können manche Elemente temperaturempfindlich sein, andere Elemente weisen eine schwankende Energiedissipation auf. Einzelne Photosensoren oder Photosensorenfelder können beispielsweise zusammen mit verschiedenen wärmeerzeugenden Elementen, wie Verstärkern und Mikroprozessoren, auf ein keramisches Trägermaterial montiert sein. Beispiele von Photosensorenfeldern umfassen auch Photodiodenzeilen und Felder mit ladungsgekoppelten Elementen (CCD-Felder). Die meisten lichtempfindlichen Elemente sind auch temperaturempfindlich. Temperaturänderungen wirken sich auf die Genauigkeit aus. Bei ladungsgekoppelten Elementen beispielsweise steigt der Dunkelstrom, eine thermisch erzeugte Rauschquelle, mit der Temperatur. Bei Photodioden steigt die Diodendurchlässigkeit erheblich mit der Temperatur. Zusätzlich ändert sich die Quantenausbeute mit der Temperatur und ist eine Funktion der Wellenlänge. Im allgemeinen steigen bei Feldern mit lichtempfindlichen Elementen die Temperaturprobleme, wenn die Temperaturänderungen auf der Feldoberfläche nicht gleichmäßig sind. Zusätzlich verschärfen sich die Probleme, wenn die Sensortemperatur eine Funktion des gemessenen Signals ist.
Ein konventionelles Verfahren für einen teilweisen Ausgleich der Temperatureffekte ist die Verwendung einer Wärmesenke (siehe z. B. WO-A- 9106126). In WO-A-9106126 wird eine Wärmesenke direkt an die Rückseite eines ladungsgekoppelten Elementfeldes angebracht, und die Kombination wird an eine Leiterplatte angebracht. Wärmesenken können die gleichmäßige Verteilung der Temperatur auf einer Oberfläche verbessern und die Temperatur dicht an der Umgebungstemperatur halten. Wärmesenken erhöhen jedoch auch Größe und Gewicht einer Baugruppe. Außerdem erfordert eine Wärmesenke unter Umständen, wie in WO-A-9106126 dargestellt, spezielle Montageanordnungen, damit Interferenzen mit optischen Sensoren ausgeschlossen werden.
Ein anderes Verfahren zur teilweisen Kompensation der Temperatureffekte ist das Anbringen von Temperatursensoren, wie beispielsweise in EP-B-0 148 703. In EP- B-0 148 703 werden temperaturempfindliche Elemente dazu eingesetzt, ein Spannungsausgangssignal direkt zu kompensieren. Das Anbringen von Temperatursensoren kann elektronische Effekte ungleichmäßiger Temperatur kompensieren. Die Temperatur kann jedoch auch mechanische Effekte (Veränderungen der Größe) bewirken, und die Temperatursensoren können die Temperatur nicht senken oder gleichmäßig verteilen. Die Temperatursensoren bilden möglicherweise eine zusätzliche Wärmequelle.
Ein weiteres Verfahren zur Kompensation der Temperatureffekte ist die aktive Stabilisierung der Temperatur, beispielsweise mit einem Peltier-Element, das in Kontakt mit dem temperaturempfindlichen Element steht. Solche Elemente sind jedoch teuer und erhöhen üblicherweise die Größe, das Gewicht und die Komplexität des ganzen Systems.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Bei einem System, in dem mindesten zwei Elemente auf ein gemeinsames wärmeleitendes Trägermaterial montiert sind, besteht das oberste Ziel der Erfindung darin, die thermischen Effekte von mindestens einem der Elemente auf mindestens ein anderes Element zu verringern. Thermische Effekte schließen die übertragene Wärmemenge und die Gleichmäßigkeit der übertragenen Wärme ein. Ein weiteres Ziel besteht darin, thermische Effekte auf unkomplizierte und kostengünstige Weise zu reduzieren. In einem Beispiel für eine Ausführungsart der Erfindung wird die Wärmeübertragung von einem Operationsverstärker zu einer Photodiodenzeile in direkter Nähe teilweise unterbunden. Zusätzlich wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Temperatursensorzurweiteren Kompensation der Wärmeübertragung vom Operationsverstärker auf die Photodiodenzeile verwendet.
Wie in den Ansprüchen der Erfindung dargelegt, wird die Wärmeleitfähigkeit zwischen einem Element mit schwankender Temperatur und einem temperaturempfindlichen Element verringert. Die Wärmeleitfähigkeit wird durch eine Öffnung im Trägermaterial zwischen dem Element mit schwankender Temperatur und dem temperaturempfindlichen Element reduziert. Diese Öffnung im Trägermaterial verlängert die Strecke der Wärmeleitung zwischen den beiden Elementen, wobei die Nettowärmeleitfähigkeit des Trägermaterials zwischen den Elementen gesenkt wird. Als Ergebnis der längeren thermischen Strecken weist die Wärme, die an dem temperaturempfindlichen Element ankommt, eine kleinere Amplitude auf (vor dem Eintreffen bei dem temperaturempfindlichen Element wird mehr Wärme abgegeben), und die Temperaturverteilung der Wärme, die an dem temperaturempfindlichen Element ankommt, ist gleichmäßiger. Zusätzlich weist die Öffnung eine geringe Komplexität und niedrige Kosten auf.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Abbildung 1 ist die Draufsicht einer elektronischen Baugruppe, bei der zwei Elemente auf ein wärmeleitendes Trägermaterial montiert sind.
Abbildung 2 ist die Draufsicht der elektronischen Baugruppe in Abbildung 1 mit verbesserten thermischen Eigenschaften gemäß der Erfindung.
Abbildung 3ist die Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsart einer Öffnung in einem Trägermaterial zur Verbesserung der thermischen Eigenschaften.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSARTEN

in Abbildung 1 ist eine elektronische Baugruppe dargestellt, die ein erstes elektronisches Element 100 und ein zweites elektronisches Element 102 umfaßt, wobei beide Elemente auf einem gemeinsamen wärmeleitenden Trägermaterial 104 montiert sind. Zur Anschauung wird angenommen, daß das Element 102 eine schwankende Energiedissipation aufweist und Element 100 temperaturempfindlich ist. Die Pfeile 106 und 106 zeigen die Wärmeströmung durch das Trägermaterial 104 von Element 102 zu Element 100 an. Die Pfeile 106 zeigen auch die kürzeste gerade Strecke zwischen den Elementen an. Element 100 ist als langes schmales Element dargestellt, um die Ungleichmäßigkeit der Wärmeübertragung zu illustrieren. Es ist zu beachten, daß die Länge der durch die Pfeile 106 dargestellten Wärmeleitstrecken (die kürzesten Strecken zwischen den nebeneinanderliegenden Eiementkanten 110 und 112) wesentlich kürzer sind als die durch die Pfeile 108 dargestellten Wärmeleitstrecken (von Kante 112 zu Kante 114 an der gegenüberliegenden Seite des Elements 100). Daraus resultiert, daß es eine beträchtliche Ungleichmäßigkeit in der Erwärmung des Elements 100 gibt.
Abbildung 2 zeigt die Baugruppe von Abbildung 1 mit einer beispielhaften Ausführungsart der Erfindung. In der Baugruppe der Abbildung 2 geht an drei Seiten des Elements 102 eine Öffnung 200 (ein langer schmaler Spalt in der beispielhaften Ausführungsart) ganz durch das Trägermaterial 104 hindurch. Die Pfeile 202 und 204 zeigen die Wärmeleitstrecken. Die kürzesten Wärmeleitstrecken 202 in Abbildung 2 sind wesentlich länger als die kürzesten Wärmeleitstrecken 106 in Abbildung 1. Daraus resultiert, daß bei den Strecken 202 (Abbildung 2) mehr Wärme durch Wärmestrahlung und Konvektion abgegeben wird als bei den Strecken 106 (Abbildung 1), so daß weniger Wärme beim Element 100 ankommt. Zusätzlich liegt das Verhältnis der Strecken 202 und 204 (Abbildung 2) näher bei 1 als das Verhältnis der Strecken 106 und 108 (Abbildung 1). Deshalb ist die Verteilung der Wärme, die bei Element 100 ankommt, im System der Abbildung 2 gleichmäßiger als im System der Abbildung 1.
Es ist zu beachten, daß die Öffnung 200 im Verhältnis zu Wärmesenken, Peltier- Elementen und Temperatursensoren thermische Vorteile bei geringer Komplexität und niedrigen Kosten bietet. Außerdem kann die Öffnung 200 auch in Verbindung mit anderen Verfahren zur Verbesserung der gesamten Baugruppe eingesetzt werden. Wenn die Verfahren kombiniert werden, reduziert die Öffnung 200 die gesamte Wärmeübertragung und senkt so die für das Wärmefühlersystem erforderliche Kompensation oder ermöglicht den Einsatz einer kleineren Wärmesenke oder eines kleineren Peltier-Elements.
Die Öffnung 200 in Abbildung 2 kann mechanisch (beispielsweise durch Sägen), chemisch (durch Ätzen) oder durch Schneiden (Laser) nach Herstellung des Trägermaterials 104 erzeugt werden. Alternativ dazu kann das Trägermaterial 104 mit einer Öffnung hergestellt werden. Bei keramischen Trägermaterialien sollten die Ecken abgerundet werden, um Risse zu vermeiden. Normalerweise ist nicht wichtig, an welcher Stelle sich die Öffnung befindet, solange die Länge der kürzesten thermischen Strecke zwischen den Elementen erhöht wird. Die Öffnung kann sich beispielsweise um Element 100 statt um Element 102 befinden. In manchen Systemen kann es jedoch von Vorteil sein, eine Wärmequelle so weit wie möglich von einem temperaturempfindlichen Element zu isolieren, so daß die Öffnung nahe der Wärmequelle plaziert werden sollte. Abgesehen von den runden Ecken ist die Form der Öffnung unwichtig. Es können eine einzige, einfache gerade Linie, zwei Linien in V- oder L-Form, drei Linien in U-Form (wie abgebildet), gebogene Linien oder sogar eine geschlängelte Linie gebildet werden, um die Länge der thermischen Strecken zu erhöhen, was wiederum die Wärmeübertragung verringert und die Gleichmäßigkeit in der Verteilung der Restwärme verbessert. Das allgemeine Ziel besteht wieder darin, die kürzesten thermischen Strecken zwischen einem Element mit schwankender Temperatur und einem anderen temperaturempfindlichen Element zu verlängern, wobei es zur Erreichung des Ziels viele Alternativen für Form und Lage der Öffnung gibt.
Eine spezielle Ausführungsart der Erfindung wird für Spektrometerbaugruppen in analytisch-chemischen Instrumenten verwendet. Chemische Analysegeräte, die auf dem Prinzip der Flüssigchromatographie oder der Kapillarelektrophorese basieren, umfassen üblicherweise einzelne Photosensoren oder ein lichtempfindliches Feld innerhalb eines Spektrometers. Ein chemisches Gemisch, das sich mit der Zeit verändert&sub1; tritt aus einer chemischen Trennvorrichtung aus. Die Strahlung einer Breitbandstrahlungsquelle trifft auf das chemische Gemisch. Das Breitbandlicht wird durch ein wellenlängendispersives Element-üblicherweise ein Beugungsgitter-getrennt, und das Spektrometer mißt die Strahlungsanteile, die von den aus der chemischen Trennvorrichtung austretenden chemischen Substanzen absorbiert werden. In Spektrometern mit einzelnen Photosensoren wird das Gitter üblicherweise gedreht, so daß immer ein schmales Wellenlängenband auf einen Photosensor auftrifft. Bei Spektrometern mit Photosensorenfeldern werden alle relevanten Wellenlängen gleichzeitig erfaßt.
Die in der analytischen Chemie eingesetzten Spektrometer erfordern üblicherweise Linearität über einen großen dynamischen Bereich hinweg. In der automatisierten chemischen Produktion beispielsweise können Standardproben hochkonzentriert sein und im wesentlichen das gesamte Licht spezifischer Wellenlängen absorbieren. Im Gegensatz dazu kann bei Diagnoseapplikationen eine Probe nur eine winzige Spur der betreffenden Substanz enthalten, so daß sehr wenig Licht der betreffenden Wellenlängen absorbiert wird. Infolgedessen ist der dynamische Bereich groß, und das System erfordert den Nachweis sehr kleiner Änderungen durch große Signale.
Üblicherweise wird eine zu jedem Photosensor gehörende Eigenkapazität im Dunkeln geladen, und jeder Photosensor entlädt bei Lichteinfall die zugehörige Kapazität. Die Temperatur hat einen Einfluß auf die Strom menge, die selbst dann fließt, wenn kein Licht auftrifft (Dunkelstrom), die Entladungsrate (Quantenausbeute) sowie das von der angeschlossenen Elektronik, wie Verstärker und Analog-Digital-Konverter, erzeugte Rauschen und Versatz. Zusätzlich beeinflußt die Temperatur aufgrund der Größenänderungen die Genauigkeit der Lage der einzelnen Photodioden in Diodenfeldern relativ zu den durch das Beugungsgitter gegebenen Lagen der Wellenlängen.
Abbildung 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für Spektrometersensoren. Eine Photodiodenzeile 300 und eine Operationsverstärkerschaltung 302 (zur Verstärkung der Signale aus der Photodiodenzeile) werden beide auf ein gemeinsames keramisches Trägermaterial 304 montiert. Der Verstärker sollte, um das von anderen Teilen des Systems empfangene elektromagnetische Rauschen zu minimieren, eine niedrige Eingangsimpedanz aufweisen und in der Nähe der Sensorenausgänge plaziert werden (die oft eine hohen Ausgangsimpedanz aufweisen). Die Photodiodenzeile 300 in der spezifischen Ausführung ist relativ lang und schmal (ca. 27 mm lang und 4 mm breit). Aufgrund dieser langen schmalen Form ist die Gleichmäßigkeit der Wärmeübertragung problematisch. Zusätzlich liegt die Zeit für die Änderung des gemessenen optischen Signals sowie die Wärmeübertragungszeit (vom Verstärkerstromkreis zur Sensorenbaugruppe) im Bereich von mehreren Sekunden. Der Nettoeffekt der elektronischen Auswirkung der thermischen Rückkopplung kann eine positive oder eine negative Rückkopplung sein, in beiden Fällen erzeugt die Rückkopplung jedoch ein Rauschen, das proportional zum Signal ist. Das diffuse Rauschen kann durch Mittlung über die Zeit reduziert werden, aber das Rauschen, das proportional zum Signal ist, kann durch Mittlung nicht verringert werden. Ein Temperatursensor kann jedoch für die teilweise Kompensation der thermischen Rückkopplung verwendet werden.
In Abbildung 3 wird eine Öffnung 306 im Trägermaterial zur Reduzierung der vom Verstärkerstromkreis übertragenen Wärmemenge und zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der übertragenen Wärme eingesetzt. in der spezifischen Ausführungsart befindet sich die Öffnung in L-Form an zwei Seiten der Operationsverstärkerschaltung. Zusätzlich werden Wärmesenken und Temperatursensoren zur weiteren Reduzierung thermischer Effekte eingesetzt. Eine leitende Netzanschlußvorrichtung 301 führt auch Wärme aus dem Verstärkerbereich in einen Verbindungsflachstecker (nicht abgebildet) ab. Ein Temperatursensor 308 mißt die Temperatur in der Nähe des einen Endes der Photodiodenzeile. Der Verstärker 302 wird auch zur Verstärkung eines Signals vom Temperatursensor 308 verwendet. Signale von der Photodiodenzeile 300 und vom Temperatursensor 308 werden digitalisiert, und die digitalisierten Temperatursensorensignale werden zur numerischen Kompensation der digitalisierten Photodiodensignale verwendet. Schließlich unterstützt eine leitende Erdungsplatte (nicht abgebildet) über der Rückwand des Trägermaterials 304 die Verbesserung der Temperaturgleichmäßigkeit. Die Öffnung 306 im Trägermaterial setzt sich selbstverständlich in der Erdungsplatte fort. Es ist wichtig, wo sich der Temperatursensor 308 im Verhältnis zur Wärmequelle (Verstärker 302) befindet. Wenn der Temperatursensor zwischen der Wärmequelle und der Photodiodenzeile angeordnet ist, ändert sich die Temperatur des Sensors geringfügig früher als die Temperatur der Photodiodenzeile, und die Höhe der Temperaturänderung des Temperatursensors liegt etwas über der Höhe der Temperaturänderung der Photodiodenzeile. Das Gegenteil ist der Fall, wenn sich die Photodiodenzeile zwischen dem Temperatursensor und der Wärmequelle befindet. Wird der Temperatursensor an einem Ende der Photodiodenzeile plaziert, verbessert sich sowohl die Genauigkeit der Temperaturmessung (an der Photodiodenzeile) als auch die Rückkopplungszeit. In der in Abbildung 3 dargestellten Ausführungsart bilden im gemessenen Licht enthaltene Infrarotanteile eine zusätzliche Wärmequelle. Der Sensor befindet sich nahe dem Ende der Photodiodenzeile, das Licht im Bereich der infraroten Wellenlängen empfängt.
Eine Öffnung in einem Trägermaterial zur Wärmeisolierung ist auch nützlich in Spektrometern mit einzelnen Photosensoren. Üblicherweise werden zwei Photosensoren verwendet: ein Sensor, der das Licht mißt, das direkt von der Strahlungsquelle kommt, und ein zweiter Sensor, der das Licht mißt, das das chemische Gemisch durchlaufen hat. Wird Ausgangssignal des zweiten Sensors vom Ausgangssignal des ersten Sensors abgezogen, werden Schwankungen in der Intensität der Strahlungsquelle teilweise kompensiert. Die beiden Photosensoren sollten möglichst identisch sein. Die beiden Sensoren werden vorzugsweise aus demselben Materialstück geschnitten, um gleiche thermische Eigenschaften sicherzustellen. Zusätzlich ist es günstig, beide Sensoren auf ein gemeinsames Trägermaterial zu montieren, um eine identische thermische Umgebung sicherzustellen. Weiterhin ist es von Vorteil, angeschlossene Verstärker auf dem Trägermaterial mit den Sensoren zu montieren, damit die thermische Umgebung der Verstärker und Photosensoren identisch ist und die Auswirkungen des elektromagnetischen Rauschens verringert werden. Bei jedem schmalen Wellenlängenband können jedoch das Signal vom ersten Sensor zum ersten Verstärker und das Signal vom zweiten Sensor zum zweiten Verstärker identisch oder vollkommen unterschiedlich sein, was von der Lichtabsorption an dem bestimmten Wellenlängenband abhängt. Deshalb erzeugen die Verstärker manchmal in gleichem Maße und manchmal in ganz unterschiedlichem Maße Wärme. Die von einem der Photosensoren empfangene Wärme kann über einen relativ kurzen Zeitraum hinweg unterschiedlich von der Wärme sein, die der andere Photosensor von den Verstärkern empfängt. Deshalb ist es erforderlich, die Auswirkungen der Verstärkerwärme auf die Photosensoren zu verringern. Öffnungen im Trägermaterial reduzieren die Auswirkungen rascher Temperaturschwankungen proportional zu Signaländerungen, während durch das gemeinsame Trägermaterial nach wie vor eine gemeinsame thermische Umgebung für langfristige thermische Abstimmung gegeben ist.

Claims

1. Elektronische Anordnung mit einem ersten (100) und zweiten (102) Element, die auf ein wärmeleitendes Trägermaterial (104) montiert sind, wobei es zwischen dem ersten und zweiten Element eine kürzeste gerade Linie (106) gibt, das erste Element empfindlich auf Temperaturveränderungen reagiert und das zweite Element schwankende Temperaturen am ersten Element verursacht; und die Anordnung weiterhin eine Öffnung (200) durch das Trägermaterial umfaßt, wodurch die Wärmeleitung entlang der kürzesten geraden Linie unterbrochen und dadurch eine kürzeste Wärmeleitstrecke (202) zwischen dem ersten und zweiten Element hergestellt wird, die länger als die kürzeste gerade Linie ist.

2. Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei das erste Element (100) eine Photodiode ist.

3. Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei das erste Element (100) eine Photodiodenzeile (300) ist.

4. Anordnung gemäß Anspruch 3, der weiterhin folgendes umfaßt:

die Photodiodenzeile (300) mit einem ersten Ende und einen Temperatursensor, der sich nahe bei dem ersten Ende der Photodiodenzeile befindet.

5. Anordnung gemäß Anspruch 4, der weiterhin folgendes umfaßt:

das erste Ende der Photodiodenzeile, der für den Empfang infraroten Lichts ausgestattet ist.

6. Anordnung gemäß den Ansprüchen 2,3,4 oder 5, der in einem Spektrometer verwendet wird.

7. Verfahren zur Reduzierung der Wärmeleitung zwischen einem ersten (100) und zweiten (102) Element, die auf ein wärmeleitendes Trägermaterial (104) in einer Anordnung montiert sind, wobei das erste Element empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert, das zweite Element unterschiedliche Temperaturen am ersten Element verursacht, eine kürzeste gerade Linie (106) zwischen dem ersten und zweiten Element besteht und das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

durch das Trägermaterial wird eine Öffnung (200) gebildet; die Öffnung unterbricht die kürzeste gerade Linie, so daß eine kürzeste Wärmeleitstrecke (202) zwischen den ersten und zweiten Elementen länger als die kürzeste gerade Linie ist.