特許 6509828 低放射率を有するフレキシブルプリント回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6509828

(24)【登録日】2019年4月12日

(45)【発行日】2019年5月8日

(54)【発明の名称】低放射率を有するフレキシブルプリント回路

(51)【国際特許分類】

   H05K 1/02 20060101AFI20190422BHJP

   G01J 1/02 20060101ALI20190422BHJP

   H05K 3/28 20060101ALI20190422BHJP

   G01J 5/06 20060101ALN20190422BHJP

【ＦＩ】

   H05K1/02 F

   G01J1/02 C

   H05K3/28 C

   !G01J5/06

【請求項の数】7

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-520026(P2016-520026)

(86)(22)【出願日】2014年9月29日

(65)【公表番号】特表2016-541107(P2016-541107A)

(43)【公表日】2016年12月28日

(86)【国際出願番号】FR2014052448

(87)【国際公開番号】WO2015049448

(87)【国際公開日】20150409

【審査請求日】2017年7月7日

(31)【優先権主張番号】13/02295

(32)【優先日】2013年10月2日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】512056094

【氏名又は名称】ソシエテ、フランセーズ、ド、デテクトゥル、ザンフラルージュ、ソフラディル

【氏名又は名称原語表記】ＳＯＣＩＥＴＥ ＦＲＡＮＣＡＩＳＥ ＤＥ ＤＥＴＥＣＴＥＵＲＳ ＩＮＦＲＡＲＯＵＧＥＳ ＳＯＦＲＡＤＩＲ

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100152205

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 昌司

(72)【発明者】

【氏名】ダビド、ロベール

(72)【発明者】

【氏名】イブ、ロワイエ

【審査官】 原田 貴志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２６６８４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１４８５７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２４０４８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｋ １／０２

Ｈ０５Ｋ ３／２８

Ｇ０１Ｊ １／０２

Ｇ０１Ｊ ５／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１及び第２の端（４８ａ、４８ｂ）と、
前記第１及び第２の端との間に延在し、導電性トラック（５２）を備えるフレキシブル中央部（５０）であって、前記導電性トラック（５２）はポリマー材料で被覆され、前記第１及び第２の端を電気的に接続する、フレキシブル中央部（５０）と、を備え、
前記フレキシブル中央部は、前記ポリマー材料及び前記導電性トラックの放射率よりも小さい放射率を有する材料からなる熱シールド（５４）で、少なくとも部分的に被覆され、
前記熱シールド（５４）は、５０から２００ｎｍの範囲の厚さを有し、
前記熱シールド（５４）の材料は導電性であることを特徴とするフレキシブルプリント回路。

【請求項2】

前記熱シールド（５４）の材料は、０．０５よりも小さな放射率を有する、請求項１に記載のフレキシブルプリント回路。

【請求項3】

前記フレキシブル中央部（５０）は、各々が熱シールド（５４ａ、５４ｂ）で被覆された２つの主要な表面（５０ａ、５０ｂ）を備える、請求項１又は２に記載のフレキシブルプリント回路。

【請求項4】

前記熱シールド（５４）の材料は、金、銀、銅、及びタングステンの中から選択される、請求項１から３のいずれかに記載のフレキシブルプリント回路。

【請求項5】

前記導電性トラック（５２）の１つと前記熱シールド（５４）との間に電気相互接続ビア（５６）を備える、請求項１から４のいずれかに記載のフレキシブルプリント回路。

【請求項6】

高温源、低温源、及び請求項１から５いずれかに記載のフレキシブルプリント回路を備える赤外線検出器であって、
前記第１の端は前記低温源に熱的に接続され、前記第２の端は前記高温源に熱的に接続され、前記フレキシブル中央部に温度勾配をもたらす、赤外線検出器。

【請求項7】

前記フレキシブルプリント回路は、真空クライオスタット容器の中に配置される、請求項６に記載の赤外線検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、低放射率を有するフレキシブルプリント回路及び、その冷却型赤外線検出器における使用に関する。

【背景技術】

【0002】

赤外線光検出器は赤外線光子を吸収し、それらを電気信号に変換する。それは通常、フォトダイオード、量子井戸、あるいは量子ドットのような感光性素子の配列を含む。感光性素子を形成する検出材料は、例えば、テルリウム、水銀、及びカドミウムの合金（HgCgTe）である。

【0003】

赤外線（０．７μｍから１４μｍで推移する波長）においては、周囲温度で後述の動作を行う際に、検出対象となる光子は、検出材料の温度雑音に相当するエネルギーを有する。従って、検出器はそれ自体を惑わせないように、５０Ｋ から２００Ｋの範囲の温度に冷却される。検出ブロックは、使用温度に応じて、液体窒素、液体ヘリウム、あるいは冷却装置を含むクライオスタット（cryostat）に熱的に結合されている。

【0004】

図１は、検出ブロック１０とクライオスタット２０を備える赤外線検出器の従来例を概略的に示している。

【0005】

赤外線検出器は、フォトダイオードの配列を含むHgCgTe基板で形成される検出回路１２を備える。検出回路１２は、シリコン基板で形成される読出回路１４に結合されている。回路１４は、検出回路のフォトダイオードによって生成された信号の読出及び増幅を可能としている。

【0006】

検出回路１２は、一般的に読出回路１４上にハイブリッド形成され、一体的な組立品を形成し、これら二つの回路間の電気的な接続を容易にしている。これを向上するため、検出回路１２の前面は、インジウムのミクロスフェア（microspheres）１６によって、読出回路１４の前面に接続されている。赤外線は、図１において矢印１８で表されており、検出回路１２の背面からフォトダイオードに達している。

【0007】

検出ブロック１０は、回路１２、１４及びミクロスフェア１６で形成され、クライオスタット２０に設置されている。後者は、タイトパッケージ（tight package）２２、低温源２４、及び低温源と検出ブロックとの間の熱交換を可能とする低温フィンガ（cold finger）２６を備えている。

【0008】

パッケージ２２は、その内部に設置された検出ブロック１０を有するタイトボリューム（tight volume）を規定する。赤外線１８を透過する窓２２’が設けられており、検出回路１２の上方に、かつ、それに対して平行に設置されている。

【0009】

低温フィンガ２６は、その下部端で低温源２４に熱的に接触している。その上部端では、低温フィンガ２６に対して垂直に配置された低温面２８あるいは低温テーブルに到達している。この低温面は、検出ブロック１０にとって機械的な支持として用いられている。低温面は、例えばアルミナのような、良好な熱導体である材料で作られている。

【0010】

従って、検出ブロック１０は、低温フィンガ２６及び低温面２８を介して低温源２４に熱的に接続されている。

【0011】

検出器には、さらに冷却シールド３０が設けられており、冷却シールド３０は、開口３０’によって貫通されており、ダイアフラムとして振る舞う。開口３０’は、入射した赤外線１８を検出回路１２が観測する角度を決定する。冷却シールド３０は、クライオスタットの高温壁で発生する寄生放射（parasitic radiation）や、有用な放射１８の望ましくない反射を吸収する。冷却シールドは、機械的及び熱的な振る舞いの意味で低温面２８が該当する。

【0012】

いわゆる近接電子基板（proximity electronic board）４０が、クライオスタット２０の外部に配置されている。この基板は、検出回路１２の駆動に必要となる信号を生成し、アナログ−デジタル変換器によって検出器で発生した信号をデジタル化する。

【0013】

読出回路１４と近接基板４０との間の電気的接続は、読出回路上の接触パッド４２、はんだ線４４、次いでアルミナからなる低温テーブル２８内の金属トラック、そして最終的にフレキシブルプリント回路４６によって実現される。フレキシブルプリント回路４６は、一方では、第１の電気コネクタ４８ａによって低温テーブル２８に固定され、他方では、第２の電気コネクタ４８ｂによって、パッケージ２２の壁に、及び電子基板４０に固定されている。

【0014】

赤外線検出器の温度は、その性能、特に暗電流に直接的な影響を及ぼす。高い検出性能には、焦点面の温度、すなわち、検出回路の温度が一定に保たれなければならい。

【0015】

熱損失を限定するために、パッケージ２２によって境界を定められたクライオスタット容器内に真空が生成される。これにより、検出回路に対するクライオスタットの高温部分からの対流による熱交換が存在しなくなる。

【0016】

しかしながら、図１の検出器においては、伝導及び放射による熱交換を制限することは提供されていない。このような熱の流れは、検出器の性能及びクライオスタットの効率に悪影響を及ぼす。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0017】

赤外線検出器における熱損失を制限し、その冷却を最適化する要求が知られている。

【課題を解決するための手段】

【0018】

この要求は、減少された放射率を有するフレキシブルプリント回路を赤外線検出器に提供することによって充足される傾向にある。このようなプリント回路は、第１及び第２の端と、この第１及び第２の端間に延在するフレキシブル中央部を備える。中央部は、ポリマー材料で被覆された導電性トラックを備え、第１及び第２の端を電気的に接続する。さらに、ポリマー材料及び導電性トラックよりも低い放射率を有する材料からなる熱シールドで少なくとも部分的に被覆されさている。

【0019】

好適な実施形態では、熱絶縁層の材料は導電体である。以下の金属、すなわち、金、銀、銅、及びタングステンの中から、有利に選択される。

【0020】

本発明は、さらに、このようなフレキシブルプリント回路を備える赤外線検出器を目指す。フレキシブルプリント回路の第１の端は検出器の低温源に熱的に接続されており、第２の端は高温源に熱的に接続されている。これにより、フレキシブル中央部における熱勾配が生じる。

【0021】

さらなる特徴及び利点は、以下に示す添付の図面に対応する特定の実施形態の非限定的な記述によって、より明確となる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、上述した先行技術による赤外線検出器を示す。

【図2】図２は、本発明に係る熱絶縁層が設けられたフレキシブルプリント回路の概略的な上面図である。

【図3】図３は、図２におけるフレキシブルプリント回路のＡ−Ａ軸に沿った断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１のフレキシブルプリント回路４６は、現在、フレキシブルプリント回路基板（ｆｌｅｘ−ＰＣＢ）と呼ばれており、主に、一般的にはポリイミドといった、ポリマー材料のフィルムで形成されている。フレキシブルプリント回路４６は、ポリイミドフィルムの中に埋め込まれた金属トラックを備える。このような金属トラックは、フレキシブルプリント回路の端に設けられた２つのコネクタを電気的に接続する。

【0024】

プリント回路は、その一端が低温テーブル（クライオスタットの内部）に取り付けられ、他端が（外部と熱交換する）クライオスタット壁に取り付けられているので、温度差を受ける。さらに、回路トラックを形成する金属（アルミニウム、銅）は、一般的に良好な熱導体である。従って、金属トラックは、一方の電気コネクタから他方の電気コネクタに対して、特に、クライオスタット壁から検出器の低温テーブルに対して熱を伝導する。しかしながら、このような伝導性の熱移動は、熱損失のわずかな部分にしか達しない。

【0025】

熱損失の主要な部分は、フレキシブルプリント回路の放射現象によって引き起こされる。実際、フレキシブルプリント回路の表面は、他の全ての物体のように、どのような温度であっても電磁放射を発する。このような電磁放射は、回路が高温であるほど、より強いものとなる。これは、熱放射とも呼ばれている。

【0026】

温度に加えて、フレキシブルプリント回路によって放射される電力は、その表面を形成する材料の放射率に依存する。εで表される材料の放射率は、表面によって受け取られた入射フローのエネルギーに対する、表面から放射されたエネルギーの比率として定義される。従って、材料の放射率が高いほど、放射エネルギーは顕著となる。

【0027】

従来のポリイミドに基づくフレックス回路の場合、放射率係数は高く、およそ０．７に等しい。従って、クライオスタット内部のフレックス回路によって放射された熱は著しい。

【0028】

このような放射性の熱損失を解消するため、ポリイミド及び金属トラックよりも低い放射率を有する材料で形成された熱絶縁層、あるいは熱シールドでフレキシブルプリント回路の一部を少なくとも部分的に被覆することが提供される。これにより、熱シールドを備えない従来のフレックス回路と比較して、クライオスタット容器内のフレックス回路によって放射される熱エネルギーが減少される。

【0029】

図２及び３は、それぞれ、低い放射率を有するフレキシブルプリント回路４６’の上面及び横断面図を示す。

【0030】

細長い形状のプリント回路４６’は、プリント回路の両端に位置する２つの電気コネクタ４８ａ及び４８ｂと、フレキシブル中央部５０とを備え、フレキシブル中央部５０は、例えば、２つのコネクタ４８ａと４８ｂとの間に延在する長方形である。「フレキシブル中央部」とは、２０ｍｍより小さい曲率の半径で曲げることが可能な１つ又は複数の積層された材料を示す。

【0031】

プリント回路４６’は、少なくともその中央部５０内に、例えばポリイミドといったポリマーフィルム５１、及びポリマー材料で被覆された金属電気トラック５２を備える。トラック５２は、２つのコネクタコネクタ４８ａ及び４８ｂを電気的に接続する。

【0032】

電気コネクタ４８ａ及び４８ｂは、剛性でもよいし、ポリマーフィルム５１のようにフレキシブルでもよい。電気コネクタ４８ａ及び４８ｂは、検出器の部材の上に組み立てられるための機械的な固定部材をさらに備えてもよい。くさび又は補強材のような目的で金属部品が提供されてもよい。

【0033】

一例として、図２及び図３のコネクタ４８ｂは、プリント回路の中に形成された穴のアセンブリを備え、当該穴はポリマーフィルム５１に形成された穴に重ね合わさる。コネクタ４８ａは、よりシンプルにボンディングパッドを備える。

【0034】

プリント回路４６’は、少なくとも中央部５０の一部を被覆する熱シールド５４も備えている。シールド５４は、ポリマー及び電気トラック５２よりも低い放射率係数を有する材料で作られている。好ましくは、シールド５４の放射率係数は、０．０５以下である。

【0035】

図２及び図３の好ましい実施形態では、フレキシブル中央部５０は、２つの主要な表面５０ａ及び５０ｂを備え、より有利には表面５０ａ及び５０ｂは平行である（図３）。熱シールド５４は、これらの面の少なくとも一方を被覆する。好ましくは、表面５０ａ及び５０ｂの各々は、それぞれ熱絶縁層５４ａ及び５４ｂで完全に被覆される。

【0036】

シールド５４の（あるいは、シールド５４ａ及び５４ｂの）材料は、好ましくは導電性である。この材料は、有利には、最小放射率の材料である、金、銀、銅、及びタングステン（放射率はそれぞれ、０．０１８から０．０３５の間、０．０２から０．０３２の間、０．０３から０．０４の間）から選択される。

【0037】

金のような低放射率の金属のフレックス回路上への堆積は、金属は熱伝導が良いため、現在まで想定されていない。金属層の堆積は、伝導性の熱流を増加させる結果となり、これを回避することが望まれている。しかしながら、放射の減少は、伝導現象の増加よりもさらに顕著になることが観察されている。従って、一般的に熱損失は減少する。

【0038】

従って、困難にかかわらず、熱伝導は熱放射と比較して軽微な現象であるため、フレキシブルプリント回路上に、厚さが小さく且つ放射率が低い金属層を堆積することにより、赤外線検出器における熱損失を減少させることが可能である。

【0039】

伝導熱移動は、熱シールド５４の厚さに伴って増加する。図２及び３のプリント回路では、シールド５４の厚さは５０ｎｍから２００ｎｍの間で有利に選択される。このような厚さの範囲は、伝導と放射現象との間の良好なトレードオフを得ることを可能にする。

【0040】

さらに、熱シールドとしての導電性材料の利用は、検出器が設置された環境による電磁ノイズを減少することを可能にする。

【0041】

一例として、冷却された赤外線検出器が、地上又は空間の観測のために、人工衛星で現在使用されている。そのとき、これら赤外線検出器は、検出器の部品内で電荷を発生する、太陽放射を含む顕著な電磁ノイズにさらされる。導電性シールド５４は、このような電荷を取り除くことを可能とし、したがって、赤外線検出への電荷の影響を減少させる。これを達成するため、金属シールド５４と、電流を運ぶ金属トラック５２の１つとの間に少なくとも１つの相互接続ビア５６を、図２及び３のフレキシブルプリント回路に提供してもよい。

【0042】

フレキシブルプリント回路４６’は、先行技術のフレキシブルプリント回路のように容易に製造でき、使用できる。実際、その形成には、ＰＣＢ回路産業における標準的な方法が要求されるだけである。

【0043】

シールド５４は、好ましくは、フレキシブルプリント回路上に低放射率の金属を、例えば真空スパッタリングによって堆積することで形成される。変形例として、シールド５４は、単層の絶縁体、ＳＬＩ、又は複数のＳＬＩ（複層絶縁体（multiple layer insulation）、ＭＬＩ）のスタックで形成されてもよい。この場合、シールド５４は、例えば、接着剤によって、プリント回路のポリマー表面に接着されている。

【0044】

フレキシブルプリント回路４６’は、特に、検出器の検出回路とクライオスタット壁との間で、冷却された赤外線検出器のクライオスタットに統合されることが意図されている。クライオスタットの外壁は、近接基板を支持してもよい。検出器に向けられた信号及び検出器で生成された信号は、検出回路と近接基板との間で、フレキシブルプリント回路の電気トラックを通過する。

【0045】

この好適な低放射率フレックス回路の実施例では、コネクタ４８ａは低温テーブル又は赤外線検出器の読出回路に電気的及び機械的に接続されている。従って、プリント回路の一端は検出器の低温源に熱的に接続されている。低温源は、使用温度に応じて、液体窒素、液体ヘリウム、又は液体空気タンクである。低温源は、例えば、パルスガスチューブ（pulsed gas tube）のような冷凍機でもよい。従来、検出回路を支持している低温テーブルは、低温フィンガを介して低温源に熱的に接続されている。好ましくは、低温源の温度は約５０Ｋである。

【0046】

コネクタ４８ｂを支持する反対の端は、高温源、すなわち、いずれも周囲温度であるクライオスタットの外壁や近接基板に熱的に接続されている。この周囲温度は、検出回路の名目動作温度よりずっと高温である。この周囲温度は、例えば、３００Ｋに等しい。

【0047】

最後に、対流性の熱移動を解消するために、真空がクライオスタット内に生成される。

【図1】

【図2】

【図3】