Einleitung

Optische Miniaturgehäuse bieten eine robuste hermetische Abdichtung zum Schutz kleiner Bildsensorkomponenten, darunter CMOS-, CCD-, IR- und Röntgendetektoren. Optische Gehäuse, wie z. B. Transistor Outline (TO)-Gehäuse, werden häufig für Bilderfassungsanwendungen eingesetzt. Für die High-End-Bilderfassung können mikrothermoelektrische Kühler (TECs) in optische Baugruppen, sogenannte Optical Thermoelectric Assemblies (TEAs), integriert werden. Dies gewährleistet eine tiefe Kühlung auf Temperaturen, die weit unter der Umgebungstemperatur liegen, um das thermische Rauschen zu minimieren und das maximale Lichtspektrum zu erfassen. Um eine präzise Temperaturregelung zu erreichen, sind für die Kühlung von Bildsensoren hochentwickelte mehrstufige Mikro-TECs erforderlich.

Herausforderungen bin der Anwendung

Optische Miniatur-TEAs werden für zahlreiche Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in der Wärmebildtechnik, in Hochleistungskameras, Gasdetektoren, Spektrometer, Grenzsicherung, Digitalmikroskope, Messtechnik und Verteidigungsanwendungen, um nur einige zu nennen. Für diese Art von Anwendungen stellen optische TEA-Designs mehrere Herausforderungen für Entwickler dar. Diese umfassen Wärmemanagement, Größenbeschränkungen, optomechanische Stabilität, Fertigungskonsistenz und Kostenoptimierung.

Mechanische Spannungen und Vibrationen können die Ausrichtung und Stabilität von optischen Miniatur-TEAs erheblich beeinflussen, was wiederum Auswirkungen auf die Ausrichtung und Stabilität der optischen Komponenten haben kann. Die Entwickler müssen optimale BondingVerfahren auswählen und sicherstellen, dass während der Fertigungsphase robuste Prozesskontrollen eingerichtet werden, um eine starke Klebehaftung zwischen den Komponenten bei der Montage mit insgesamt engen Toleranzen zu gewährleisten.

Optische Miniaturgehäuse, die die Hauptkomponenten optischer TEAs sind, werden in der Regel aus Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Kovar, hergestellt. Dadurch wird die Wärmeableitung begrenzt, was die Leistung und Zuverlässigkeit des Bildsensors beeinträchtigen kann.

Um sicherzustellen, dass die tiefe Kühltemperatur das thermische Rauschen minimiert, müssen die Konstrukteure aktive Bauelemente, wie z. B. Mikro-TECs, einsetzen, diese die Anforderungen hinsichtlich Größe und Sauberkeit erfüllen. Die Formfaktoren werden immer kleiner, was präzisere Montagemethoden erfordert, um kleinere thermoelektrische Elemente auf engstem Raum unterzubringen. TECs halten strengen Reinigungsmethoden und aggressiven Lösungsmitteln stand und stellen sicher, dass keine Degradationen auftreten, die die Zuverlässigkeit beeinträchtigen könnten.

Mehrstufige TECs können im Vergleich zu einstufigen TECs höhere Temperaturdifferenzen zwischen der Heiß- und Kaltseite erreichen und bieten somit umfangreichere Kühl- oder Heizmöglichkeiten. Bei der Auslegung des mehrstufigen TEC muss sorgfältig darauf geachtet werden, die Anforderungen an die Kühlleistung mit der Temperaturdifferenz in Einklang zu bringen, um die höchstmögliche Leistungszahl (COP) zu erreichen.

Die am häufigsten in optischen Gehäusen verwendeten thermoelektrischen Kühler sind mehrstufige Mikro-TECs

Mehrstufige TECs

Ein mehrstufiger thermoelektrischer Mikrokühler oder ein thermoelektrisches Kaskadenmodul besteht aus mehreren einstufigen thermoelektrischen TECs, die elektrisch und thermisch in Reihe geschaltet sind. Jede Stufe des TEC verfügt über einen eigenen Satz von thermoelektrischen Elementen, wobei die Stufen kaskadiert angeordnet sind. Mehrstufige TECs sind anwendungsspezifisch konfigurierbar und liefern eine höhere Temperaturdifferenz gegenüber einstufigen thermoelektrischen Kühlern. Durch die Kaskadierung der Stufen kann die Temperaturdifferenz mit jeder Stufe vergrößert werden, so dass kältere Temperaturen erreicht werden können. Mehrstufige thermoelektrische Bauelemente können je nach Konfiguration und Bauart Kühlleistungen von einigen Milliwatt bis zu mehreren Watt liefern.

In der Regel wird für einfache Bildsensoranwendungen kein TEC benötigt.. Mit zunehmender Bedeutung der Bildauflösung für Hochleistungsanwendungen werden mehrstufige Mikro-TECs jedoch immer wichtiger.

Die Auswahl von mehrstufigen Mikro-TECs für optische Gehäuse basiert auf mehreren Schlüsselfaktoren.

Optimiertes TEC-Design: Die Anforderungen der Anwendung müssen im gewünschten Betriebspunkt genau bekannt sein. Der Geometriefaktor, die Anzahl der Elemente und die Anzahl der Stufen müssen so optimiert werden, dass sie die Anforderungen hinsichtlich der Wärmeabfuhr vom Bildsensor und der passiven Wärmeverluste erfüllen. Die Wärmewiderstände der heißen und der kalten Seite müssen berücksichtigt werden, da sie die Temperaturdifferenz über den thermoelektrischen Kühler verringern. Der Stromverbrauch ist vor allem bei Anwendungen, die einen tragbaren Betrieb mit Batterien erfordern, ein wichtiger Faktor. Die folgenden Angaben sind Näherungswerte für Micro-TEC-Kühltemperaturen, die sich je nach Stufenzahl erreichen lassen:
 

• 1-stufiger Mikro-TEC bis hinunter auf -20 °C unter Umgebungstemperatur
• 2-stufiger Mikro-TEC bis hinunter auf -40 °C unter Umgebungstemperatur
• 3-stufiger Mikro-TEC bis hinunter auf -60 °C unter Umgebungstemperatur
• 4-stufiger Mikro-TEC bis hinunter auf -80 °C unter Umgebungstemperatur

Gehäusedesign: Häufig wird das kostengünstigste Gehäuse mit dem kleinsten Formfaktor gewählt. Allerdings ist das Gehäuse der wichtigste Mechanismus zur Wärmeableitung und weist möglicherweise nicht die beste Wärmeleitfähigkeit auf. Mit zunehmender Verkleinerung des Formfaktors des Gehäuses steigt die Wärmestromdichte, sodass eine schlechte Wärmeableitung zu thermischem Durchgehen führen kann. Dies kann vermieden werden, indem das Gehäuse und die Wärmeleitfähigkeit des Materials so ausgelegt werden, dass die gesamte Wärme berücksichtigt wird, die vom TEC, dem Bildsensor und parasitären Wärmeverlusten abgeführt werden muss.

Schnittstelle zwischen TEC und Gehäuse: Die Verlötbarkeit des TEC mit dem optischen Gehäuse ist von entscheidender Bedeutung, um eine ordnungsgemäße Wärmeabfuhr vom TEC zu gewährleisten. Eine schlechte Lötmittelhaftung führt zu Lötmittelaustritt, was den Wärmewiderstand auf der heißen Seite erhöht. Für die Oberflächen der Keramiksubstrate des TEC müssen geeignete Beschichtungsmaterialien in Kombination mit einer optimalen Lötkonstruktion spezifiziert werden, um eine dünne Haftschicht mit minimalen Lötporen zu gewährleisten. Dadurch wird der Wirkungsgrad des TEC maximiert.

Parasitäre Verluste: Passive Wärmeverluste können durch einen thermischen Kurzschluss zwischen der Heiß- und der Kaltseite des TEC entstehen. Die meisten Gehäuse sind hermetisch in einem Vakuum oder Gas eingeschlossen, so dass die Wärmeverluste durch passive Wärme in der Umgebung minimiert werden. Allerdings sind die Zuleitungen zum TEC, zum Bildsensor und zum NTC-Thermistor auf dem kalten Substrat des TEC anfällig für Wärmeübertragung durch die Anschlussdrähte. Dies führt dazu, dass der TEC mehr Strom verbraucht, um die gleiche Kühlleistung zu erzielen. Idealerweise sollte der TEC so ausgelegt werden, dass er mit einem geringeren Strom arbeitet, da dadurch die Dicke der Anschlussdrähte verringert und die Wärmeübertragung von den Anschlussdrähten reduziert werden kann.

Formfaktor: Die Größe und der Formfaktor von mehrstufigen Mikro-TECs sind vor allem in TO39-Gehäusen mit begrenztem Platzangebot von Bedeutung. Mikro-TECs mit kleineren Grundflächen bis zu 2,0 mm x 4,0 mm ermöglichen eine einfachere Integration in optische Gehäuse, ohne die Leistung anderer Bauelemente zu beeinträchtigen. Die Höhe ist von besonderer Bedeutung, da der Bildsensor an der Oberseite angebracht ist, was zu engen Toleranzen führt.

Ausgasung: Die Kontrolle der Ausgasung ist bei Wärmemanagementlösungen für bildgebende Systeme von entscheidender Bedeutung, um eine Verschmutzung der optischen Linse und eine Verringerung der Bildauflösung zu vermeiden. Die Auswirkungen der Ausgasung auf das Bildgebungssystem können durch die Auswahl von nicht ausgasenden Materialien, die Anwendung geeigneter Oberflächenbehandlungen oder -beschichtungen, die Berücksichtigung von Designaspekten und die Durchführung gründlicher Tests minimiert werden. Dadurch wird eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit gewährleistet.

Nachdem die wichtigsten Entwurfsvariablen festgelegt wurden, wird der TEC durch einen Temperaturregelkreis gesteuert, der den dem TEC zugeführten Strom so anpasst, dass der Bildsensor auf der gewünschten Regeltemperatur gehalten wird. Weitere zu berücksichtigende Variablen sind die Substratmaterialien und die Lötkonstruktion des TEC. Zwar existieren Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit und Löthaftung, die die Leistung, Wärmeausbreitung und Zuverlässigkeit erhöhen, doch müssen diese gegen die Kostenziele der Endanwendung abgewogen werden.

Serie MSX

Die MSX-Serie verwendet fortschrittliche keramische Materialien, firmeneigene Automatisierung und thermoelektrische Materialien der neuesten Generation, um die Kühlkapazität um bis zu 10 % zu erhöhen und eine hohe Prozessreproduzierbarkeit zu gewährleisten.

Die mehrstufigen Serie MSX bieten auf der Kaltseite Mikro-Footprints von bis hinunter zu 2,0 x 4,0 mm mit Dicken von bis zu:

• 3,3 mm für 2 Stufen
• 3,8 mm für 3 Stufen
• 4,9 mm für 4 Stufen

Die Packungsdichte der thermoelektrischen Elemente ermöglicht eine hohe Wärmepumpleistung von bis zu 5 Watt bei geringeren Betriebsströmen gegenüber herkömmlichen mehrstufigen Kühlern. Die mehrstufigen thermoelektrischen Mikrokühler in Halbleiterbauweise bieten eine zuverlässige Temperaturstabilisierung von Raumtemperatur bis hinunter zu 180 Kelvin ohne Ausgasung und sind daher langlebig und wartungsfrei.

Erweiterte Prozessautomatisierung

Laird Thermal Systems entwickelt und fertigt in den USA und hat im eigenen Haus in fortschrittliche Automatisierungsanlagen investiert, um mehrstufige thermoelektrische Mikrokühler in optische Miniatur-TEAs zu integrieren. Dies erspart den Kunden die Mühe, TECs in ihre optischen Gehäuse zu integrieren, wodurch die Montagezeit und -kosten reduziert und die Reproduzierbarkeit verbessert werden. Weitere Vorteile für OEMs und ihre Entwickler sind:

Vereinfachte Integration - Entwickler können die Kühllösung problemlos in ihr bestehendes Bildgebungssystem integrieren, ohne dass wesentliche Änderungen oder Anpassungen erforderlich sind. Dies vereinfacht den Designprozess und verkürzt die Zeit bis zur Markteinführung.

Qualitätssicherung – Die Kombination von firmeneigenen optischen thermoelektrischen Montagemöglichkeiten mit minimaler Lötporenbildung stellt sicher, dass die Kunden qualitativ hochwertige Bauelemente mit konstanter und reproduzierbarer Leistung erhalten.

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OEMs müssen sich nicht mehr mit Investitionen in Werkzeuge und Prozessausrüstung, der Senkung von Entwicklungskosten oder der Einhaltung von Produktionsplänen befassen.

Optisches TEA-Gehäuse
TO-Gehäuse mit abgenommener und aufgesetzter Kappe, einschließlich Bildsensor und thermoelektrischem Kühler der Serie MSX

Fazit

Mehrstufige thermoelektrische Mikrokühler bieten zahlreiche Vorteile für fortschrittliche Bilderfassungsanwendungen. Thermoelektrische Mikrokühler ermöglichen eine präzise, örtlich begrenzte Wärmeregelung in mikroskaligen Umgebungen, eine schnelle Kühlung auf sehr niedrige Temperaturen, einen hohen thermischen Wirkungsgrad, einen Festkörperbetrieb, einen geringen Stromverbrauch und können entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Anwendung leicht nach oben oder unten skaliert werden. Die Integration von mikrothermoelektrischen Kühlern in optische TEAs bietet zusätzliche Vorteile wie einfache Integration, platzsparendes Design, optimierte thermische Leistung, Qualitätssicherung, Kosteneffizienz und eine verbesserte Produktleistung.

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