ITTO990930A1 - Procedimento e dispositivo per il condizionamento termico di componenti elettronici. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Procedimento e dispositivo per il condizionamento termico di componenti elettronici"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione affronta il problema del condizionamento termico dei componenti elettronici ed è stata sviluppata con particolare attenzione alla possibile applicazione al controllo in temperatura dei moduli laser a semiconduttore.

In questo campo di applicazione è importante garantire la stabilità delle condizioni operative. Questo vale in particolare per i sistemi di trasmissione a multiplazione di lunghezza d'onda (WDM, acronimo di Wavelength Division Multiplexing) e soprattutto per i sistemi ad elevata densità (DWDM), dove è necessario controllare la temperatura del laser in modo accurato in quanto la frequenza di emissione dipende direttamente dalla temperatura del componente, con un coefficiente di proporzionalità dell'ordine di circa - 10 GHz/°C. Poiché nei sistemi più recenti si utilizzano spaziature tra i canali assai ridotte, ad esempio dell'ordine di 50 GHz, è necessario assicurare la stabilità in temperatura in un campo di valori inferiore ad 1°C.

Per conseguire la necessaria stabilizzazione di temperatura, sono stati messi a punto circuiti che utilizzano come sensore un resistore sensibile alla temperatura (ad esempio un termistore NTC) e come elemento di controllo o condizionamento della temperatura una cella termoelettrica (cella Peltier) . Questi circuiti consentono di stabilizzare la temperatura del sensore entro un campo di 0,5°C senza particolari accorgimenti circuitali.

Il circuito di controllo regola la corrente nella cella Peltier in modo da mantenere la lettura del sensore uguale ad una lettura di riferimento. Tuttavia, poiché la posizione del sensore di temperatura non coincide esattamente con quella del diodo laser (nel seguito indicato semplicemente come "laser") , si può determinare una differenza di temperatura fra il laser ed il sensore, che dipende dalla struttura dell'involucro (package) in cui si trova il componente. Di conseguenza, la temperatura effettiva del laser può variare notevolmente, in particolare al variare della temperatura esterna, nonostante il corretto funzionamento del controllo di temperatura. Ferma restando la temperatura del sensore per effetto del circuito di controllo, si possono avere, in dipendenza dalla particolare struttura dell'involucro, sia condizioni in cui la temperatura effettiva del laser cresce all'aumentare della temperatura dell'involucro, sia condizioni -le più frequenti nei componenti commerciali - in cui la temperatura del laser diminuisce all'aumentare della temperatura esterna.

Una situazione dì questo tipo è schematicamente rappresentata nella figura 1 dei disegni annessi, dove sono rappresentate tre linee verticali parallele, ciascuna corrispondente ad un'ideale scala delle temperature. Procedendo da sinistra verso destra, si tratta di tre scale di possibili valori di temperatura corrispondenti, rispettivamente, all'involucro, al sensore di temperatura (termistore) ed al laser: si può così vedere che, anche se la temperatura del sensore viene mantenuta costante, le variazioni di temperatura in corrispondenza dell'involucro determinano corrispondenti variazioni della temperatura del laser e dunque una variazione delle condizioni operative del laser stesso.

Nel lavoro di A. Adachi, S. Kaneko, J. Yamashita e K. Kasahara "Low-frequency-drift laser - diode module for a wide temperature range using two thermistors", pubblicato alle pagine 109 e 110 del OFC/IOOC'93 Technical Digest, è descritta una soluzione (presa come modello per il preambolo delle rivendicazioni 1 e 7) in cui sulla piastra di base portante il laser vengono disposti due termistori, l'uno situato in prossimità del laser e l'altro ad una certa distanza dal primo termistore. Le diverse temperature rilevate in corrispondenza dei due termistori vengono utilizzate per realizzare una sorta di stima od interpolazione della differenza di temperatura esistente fra il primo termistore ed il laser.

Anche senza esprimersi in merito alla reale efficacia di una soluzione di questo tipo, è immediato apprezzare il fatto che la stessa comporta di necessità l'esigenza di prevedere il secondo termistore già a livello di realizzazione dell'involucro comprendente il laser. Questa soluzione non è quindi applicabile ai componenti commerciali, che vengono forniti già sigillati nel rispettivo involucro, dunque quando non è più possibile intervenire sulla piastra di base del componente stesso.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di superare il suddetto inconveniente con una soluzione attuabile anche su componenti commerciali (dunque già racchiusi nel loro involucro), senza necessità di intervenire all'interno dell'involucro e, in ogni caso, conseguendo un controllo di temperatura molto preciso.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un procedimento avente le caratteristiche richiamate in modo specifico nelle rivendicazioni che seguono.

L'invenzione riguarda anche il relativo dispositivo .

In sintesi, la soluzione secondo l'invenzione prevede di realizzare un circuito di controllo che mira ad eguagliare la lettura del sensore a quella di un riferimento reso variabile in funzione della temperatura esterna, misurata da un altro sensore posto di preferenza a contatto con l'involucro.

In generale, il fatto di riferirsi - anche nelle rivendicazioni che seguono - al condizionamento di temperatura di componenti elettronici, è diretto a tener conto del fatto che il possibile campo di impiego dell'invenzione non è in alcun modo limitato al raffreddamento tramite celle Peltier di un modulo laser, applicazione a cui si è fatto e si farà ancora riferimento a titolo di esempio.

In particolare, la soluzione secondo l'invenzione si presta ad essere utilizzata per un'azione di condizionamento termico (controllo di temperatura) diretta a raffreddare un componente che tende a riscaldarsi durante il funzionamento e/o a riscaldare un componente di cui - per i motivi più diversi - si vuol innalzare la temperatura (ad esempio per ottenere una temperatura di funzionamento fissa anche in presenza di una temperatura esterna più bassa). E' peraltro evidente che si può trattare, in molti casi, dello stesso componente, destinato ad essere alternativamente raffreddamento e riscaldato in presenza di condizioni ambientali e/o operative diverse. I mezzi di condizionamento termico del componente (qui schematizzati sotto forma di una cella Peltier, diretta in via principale a raffreddare il componente) possono essere pertanto realizzati e/o pilotati (secondo criteri del tutto noti) in modo da poter realizzare, in aggiunta o in alternativa al raffreddamento, il riscaldamento del componente.

Quest'ultimo può poi essere costituito da un componente di qualunque tipo o natura.

L'invenzione verrà ora descritta a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, nei quali:

la figura 1, rappresentativa degli inconvenienti intrinseci delle soluzioni secondo la tecnica nota, è già stata discussa in precedenza,

la figura 2 illustra, sotto forma di schema a blocchi, un esempio di realizzazione di un dispositivo secondo 1'invenzione,

la figura 3 illustra, con un formalismo sostanzialmente analogo a quello della figura 1, i criteri di funzionamento della soluzione secondo l'invenzione,

le figure 4a e 4b illustrano le caratteristiche di funzionamento di un dispositivo tradizionale per il condizionamento in temperatura di un componente elettronico quale un laser a semiconduttore, e

le figure 5a e 5b illustrano i risultati conseguibili con il dispositivo secondo 1'invenzione nel condizionamento in temperatura dello stesso componente elettronico considerato nelle figure 4a e 4b.

Nella schema della figura 2 il circuito secondo l'invenzione è indicato nel complesso con 100. Il riferimento numerico 1 indica invece un componente elettronico costituito, nell'esempio di attuazione illustrato, da un laser a semiconduttore, quale ad esempio un laser a retroazione distribuita (DFB). Il laser 1 è montato su una piastra di base 2 insieme ad un sensore di temperatura 3. Quest'ultimo è tipicamente costituito da un termistore montato sulla piastra 2 in prossimità del laser 1.

Il riferimento numerico 4 indica una cella termoelettrica (cella Peltier) fungente da mezzo di condizionamento termico del laser 1 nel verso del raffreddamento dello stesso. Il riferimento P indica infine l'involucro (package) che racchiude i vari elementi citati in precedenza.

L'insieme di parti descritto corrisponde in generale ad un componente disponibile commercialmente, sigillato all'interno dell'involucro P. Quest'ultimo può presentare configurazioni diverse, suscettibili di determinare un comportamento diverso nel rapporto fra la temperatura dell'involucro P e la temperatura del laser 1. In particolare può succedere che la temperatura del laser 1 diminuisca con l'aumentare della temperatura esterna (comportamento illustrato nella figura 1), ovvero che la temperatura del laser 1 aumenti con l'aumentare della temperatura esterna; tutto questo anche se la temperatura del sensore interno (sensore 3) rimane costante.

L'involucro P è poi provvisto di piedini, o pin, o di analoghi elementi di contatto che ne consentono il collegamento elettrico con gli altri elementi del circuito .

Alcuni di questi piedini (non esplicitamente illustrati nei disegni) corrispondono alle linee di pilotaggio o controllo del laser 1 ed alle varie funzioni di alimentazione dei componenti ad esso associati .

Sono poi previsti almeno due altri piedini corrispondenti alle linee indicate rispettivamente con 5 e 6.

La linea 5 è una linea su cui è presente il segnale di uscita del sensore 3. Questo segnale di uscita (essenzialmente un segnale indicativo della temperatura del sensore 3) viene inviato all'ingresso di un elemento a guadagno variabile 7, quale ad esempio un amplificatore, il cui segnale di uscita viene inviato all'ingresso invertente di un nodo di somma 8. All'ingresso non invertente del modo 8 viene portato invece un segnale di riferimento rifv generato secondo i criteri meglio illustrati nel seguito.

Il segnale di uscita del nodo 8, corrispondente ad un segnale di scarto o di errore indicativo della differenza fra il segnale di riferimento rifv ed il segnale di temperatura generato dal sensore 3 (scalato dal valore di guadagno dell'elemento 7), viene inviato all'ingresso di un circuito proporzionale/integrativo 9. Il segnale di uscita del circuito 9 viene utilizzato per pilotare un circuito di controllo 10 destinato a generare la corrente di alimentazione per la cella termoelettrica 4.

Anche l'insieme di elementi indicati con i riferimenti 5 a 10 corrisponde ad una soluzione di per sè nota nella tecnica: si tratta in pratica di un anello di retroazione la cui funzione è quella di mantenere costante ad un valore prefissato (determinato dal segnale di riferimento rifv applicato sull'ingresso non invertente del nodo 8) il livello di temperatura rilevato dal sensore 3.

Così come detto nella parte introduttiva della descrizione, essendo riferita al sensore 3 (la cui posizione, pur essendo prossima, non coincide con quella del laser 1) quest'azione di controllo in temperatura non è in grado di assicurare il mantenimento a livello costante della temperatura del laser 1 stesso. Le condizioni operative del laser 1 risultano quindi influenzate dalle variazioni della temperatura esterna, in particolare a livello di involucro P.

La soluzione secondo 1'invenzione prevede di associare al modulo laser un ulteriore sensore di temperatura 11 posizionato tipicamente sull'involucro P o - in ogni caso - in modo da risultare sensibile alla temperatura esterna.

Per un migliore funzionamento del circuito, il sensore esterno 11 deve fornire un'indicazione lineare della temperatura. Un sensore adatto può essere il sensore di temperatura LM 35 della National Semiconductors.

Di preferenza, il sensore 11 viene collocato sull'involucro P adottando una disposizione tale da favorire il conseguimento di condizioni di ridotta resistenza di scambio termico fra il sensore 11 e l'involucro P. Ad esempio è possibile bloccare il sensore 11 sull'involucro P tramite una staffa 11a, oppure ricorrere a soluzioni alternative quali ad esempio un collegamento adesivo. Tutto questo fermo restando il fatto che l'applicazione dell'ulteriore sensore 11 non richiede di effettuare alcun particolare intervento sull'involucro P stesso, il che rende l'invenzione applicabile a qualunque componente commerciale.

Il segnale di uscita del sensore 11, che è anch'esso un segnale di temperatura, viene inviato, tramite una linea 12, ad un ulteriore elemento a guadagno variabile 13, di solito analogo all'elemento 7. Il segnale fuoriuscente dall'elemento 13 viene portato ad uno degli ingressi di un ulteriore nodo di somma 14. Il nodo 14 presenta un altro ingresso su cui viene applicato un segnale di riferimento denominato rif. Il segnale di uscita del nodo 14 costituisce il segnale di riferimento rifv portato all'ingresso del nodo 8 dell'anello di controllo descritto in precedenza.

Il segnale di riferimento rif viene fissato così da determinare il livello effettivo di temperatura a cui si vuole mantenere il laser 1.

Il segnale proveniente dal sensore 11 (attraverso la linea 12 e l'elemento a guadagno variabile 13) viene applicato all'altro ingresso del nodo 14 (qui rappresentato come un ingresso non invertente, ma si potrebbe trattare di un ingresso invertente, ad esempio in funzione del segno del guadagno dell'elemento 13) così da indurre nel segnale di riferimento variabile rifv variazioni rappresentative delle variazioni di temperatura rilevate dal sensore 11. In questo modo il segnale di riferimento rifv applicato all'ingresso del nodo 8 varia facendo variare in modo corrispondente la temperatura a cui viene mantenuto il sensore 3 e mantenendo invece costante la temperatura del laser I. Tutto questo tenendo conto del fatto che il sensore 3 ed il laser 1 sono situati ad una certa distanza l'uno dall'altro.

Queste modalità di funzionamento sono rappresentate in modo schematico nella figura 3, la cui impostazione ricalca l'impostazione della figura 1 già descritta in precedenza.

Di preferenza il segnale di uscita del sensore II, prelevato su una linea 15, viene anche inviato verso un modulo di allarme termico 16. Quest'ultimo è suscettibile di rilevare la condizione in cui la temperatura rilevata dal sensore 11 ha raggiunto un livello di soglia corrispondente ad un livello di temperatura oltre il quale non si può più contare su un funzionamento affidabile del laser 1. In tali condizioni, il modulo 16 può intervenire così da mettere in atto le misure ritenute necessarie (disattivazione del laser 1 e/o emissione di un segnale di avviso verso l'esterno).

L'operazione di taratura del dispositivo 100 può essere condotta facendo funzionare inizialmente il circuito in modo convenzionale, ossia con il sensore di temperatura esterno (sensore 11) disinserito.

In tali condizioni si può verificare che, ad esempio, facendo variare la temperatura esterna all'involucro P in un campo compreso fra 10°C e 60°C, la temperatura del termistore 3 rimane costante (ad esempio entro 0,1°C), mentre la frequenza di emissione del laser 1 varia ad esempio di circa 15 GHz, il che corrisponde ad una variazione della temperatura reale del laser di 1,5°C.

I diagrammi delle figure 4a e 4b illustrano le condizioni di funzionamento rilevabili in un circuito del tipo rappresentato nella figura 2 fatto operare in modo tradizionale, ossia con il sensore esterno 11 scollegato, dunque ininfluente sul comportamento del circuito stesso.

I dati riportati si riferiscono ad un laser DFB commerciale montato su una scheda sottoposta a cicli termici fra 10°C e 60°C, in entrambi le direzioni, con la velocità di un l°C/min utilizzando una camera termica. Le figure illustrano, in funzione della temperatura ambiente (scala delle ascisse di entrambi i diagrammi), le variazioni della temperatura e quindi della resistenza del termistore 3 (scale delle ordinate riportate rispettivamente a destra ed a sinistra del diagramma 4a), nonché la frequenza del segnale ottico emesso dal laser 1 (scala delle ordinate del diagramma 4b) rilevata tramite un misuratore di lunghezza d'onda (wavemeter) .

Le variazioni della frequenza del segnale ottico sono evidenti.

Conoscendo la differenza fra la temperatura del sensore interno 3 e la temperatura effettiva del componente da controllare (il laser 1) occorre quindi impostare un valore di riferimento rifv tale da compensare tale differenza.

Questo modo di procedere consente di calcolare (e di regolare) con sufficiente precisione il guadagno dell'elemento 13: questo valore può però essere ulteriormente ottimizzato per via sperimentale osservando la deriva residua della frequenza di emissione del laser 1.

I diagrammi delle figure 5a e 5b illustrano i risultati sperimentali conseguiti con il circuito rappresentato nella figura 2 nelle stesse condizioni di prova adottate per ottenere i diagrammi delle figure 4a e 4b. In questo caso, il circuito della figura 2 è stato fatto funzionare con il sensore 11 collegato in modo da poter intervenire nel funzionamento del circuito stesso secondo i criteri descritti in precedenza.

Anche in questo caso le figure illustrano, in funzione della temperatura ambiente (scala delle ascisse di entrambi i diagrammi), le variazioni della temperatura e quindi della resistenza del termistore 3 (scale delle ordinate riportate rispettivamente a destra ed a sinistra del diagramma 5a), nonché la frequenza del segnale ottico emesso dal laser 1 (scala delle ordinate del diagramma 5b) rilevata tramite un misuratore di lunghezza d'onda.

L'effetto di stabilizzazione della lunghezza d'onda di emissione (la deriva massima riscontrata è dell'ordine di 800 MHz) è del tutto evidente.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione .

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il condizionamento termico di un componente elettronico (1) disposto all'interno di un involucro (P), comprendente le operazioni di: - provvedere mezzi (4) per il condizionamento termico di detto componente (1), - associare al componente (1) un primo sensore termico (3) situato in prossimità del componente (.1) stesso all'interno di detto involucro (P) nonché un secondo sensore termico (11), detti primo (3) e secondo (11) sensore termico essendo suscettibili di rilevare, rispettivamente, una prima ed una seconda temperatura, e controllare (8 a 10) detti mezzi di condizionamento termico (4) in funzione dì detta prima e di detta seconda temperatura, caratterizzato dal fatto che comprende le operazioni di: - generare, a partire da detto primo sensore (3), un primo segnale di temperatura (5), - associare detto secondo sensore (11) a detto involucro in modo da generare, a partire da detto secondo sensore (11), un secondo segnale di temperatura indicativo della temperatura esterna, e controllare (8 a 10) detti mezzi di condizionamento termico (4) a partire da detto primo segnale di temperatura (5) così da mantenere la temperatura di detto primo sensore (3) ad un livello identificato da un segnale di riferimento (rifv), modificando detto segnale di riferimento (rifv) in funzione di detto secondo segnale di temperatura.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione di montare detto secondo sensore (11) su detto involucro (P).
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione di montare detto secondo sensore (11) su detto involucro (P) in condizioni di ridotta resistenza di scambio termico fra l'involucro (P) ed il secondo sensore (11).
4. 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione di controllare detti mezzi di condizionamento termico (4) con un anello di retroazione in cui il segnale di retroazione è determinato a partire da detto primo segnale di temperatura (5) e detti mezzi di condizionamento termico (4) vengono pilotati (9, 10) in funzione dello scarto rilevato (8) fra detto segnale di retroazione e detto segnale di riferimento (rifv).
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto segnale di riferimento (rifv) viene generato come variazione imposta ad un valore dato (rif) a partire da detto secondo segnale di temperatura (12).
6. 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione di confrontare detto secondo segnale di temperatura (15) con una soglia data (16) in vista di generare un segnale indicativo del raggiungimento di un livello di temperatura limite da parte di detta temperatura esterna.
7. 7. Dispositivo per il condizionamento termico di un componente elettronico (1) disposto all'interno di un involucro (P), il dispositivo comprendendo: - mezzi (4) per il condizionamento termico di detto componente (1), un primo sensore termico (3), situato in prossimità del componente (1) all'interno di detto involucro (P), nonché un secondo sensore termico (11); detti primo (3) e secondo (11) sensore termico essendo suscettibili di rilevare, rispettivamente, una prima ed una seconda temperatura, e - mezzi di controllo (8 a 10) per controllare detti mezzi di condizionamento termico (4) in funzione di detta prima e di detta seconda temperatura, caratterizzato dal fatto che: detti primo (3) e secondo (11) sensore generano, rispettivamente, un primo (5) ed un secondo (12) segnale di temperatura, - detto secondo sensore (11) è associato a detto involucro, per cui detto secondo segnale di temperatura (12) è indicativo della temperatura esterna, e detti mezzi di controllo (8 a 10) sono configurati così da controllare detti mezzi di condizionamento termico (4) a partire da detto primo segnale di temperatura (5) così da mantenere la temperatura di detto primo sensore (3) ad un livello identificato da un segnale di riferimento (rif) modificando detto segnale di riferimento (rifv) in funzione di detto secondo segnale di temperatura.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto secondo sensore (11) è montato su detto involucro (P).
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto secondo sensore (11) è montato su detto involucro (P) in condizioni di ridotta resistenza di scambio termico fra l'involucro (P) ed il secondo sensore (11).
10. 10. Dispositivo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di controllo comprendono un anello di retroazione in cui il segnale di retroazione è determinato a partire da detto primo segnale di temperatura (5) e detti mezzi di condizionamento termico (4) vengono pilotati (9, 10) in funzione dello scarto rilevato (8) fra detto segnale di retroazione e detto segnale di riferimento (rifv).
11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 7 o la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che comprende un modo (14) dove detto segnale di riferimento (rifv) viene generato come variazione imposta ad un valore dato (rif) a partire da detto secondo segnale di temperatura (12).
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che fra detto secondo sensore (11) e detto nodo (14) è interposto un elemento a guadagno variabile (13) agente su detto secondo segnale di temperatura.
13. 13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7 a 12, caratterizzato dal fatto che comprende un modulo (16) per confrontare detto secondo segnale di temperatura (15) con una soglia data (16) in vista di generare un segnale indicativo del raggiungimento di un livello di temperatura limite da parte di detta temperatura esterna.