JP5608922B2 - 電子部品の温度制御 - Google Patents

Description

本発明は電子部品の温度制御に関する。特に、排他的ではないが、本発明は、光電子部品における熱放散を最適化する温度制御に関する。

近年、環境保護及びコストのために、低消費電力と低熱放散を有する光学部品モジュールに対する関心が高っている。このようなモジュールの１つの利用は、エルビウムドープファイバー増幅器（EDFA）の設計にある。そこでは、ポンプモジュールが消費電力と熱放散に最も大きい寄与因子のうちの１つである。

熱は、通常、熱電冷却器（TEC）を使用して、このようなモジュールから除去される。TECは、ペルチェ効果を使用し電気エネルギーを消費して、温度勾配（冷たい側から熱い側に）に対して装置の一方の側から他の側へ熱を移送させる半導体アクティブヒートポンプ装置である。冷たい側から熱を離して移動させる場合のポンプの有効性は、供給される電流と熱を熱い側から旨く除去できる方法とに依存する。熱輸送は、熱い側と冷たい側との間の温度差（△T）にも依存する。△Tが大きい場合、効果的に冷却を行うには、より多くの電流を供給する必要がある。

EDFA設計で使用されるような光モジュールの場合、熱は通常、チップが搭載される担体からモジュールが納められているケースまたはパッケージへ移送される。ケースの温度は通常、使用中、チップの温度より常に高く、従って、TECは、熱輸送を行う必要がある。TECへの電流は、チップが所望の目標温度に維持されるように、通常、フィードバックループによって制御される。TECの消費電力を最適化するためには、ケース温度とチップ・オン・キャリア（CoC：Chip on Carrier）温度間の温度差△Tがあまりに大きくならないようにすることが望ましい。

低いTEC消費電力を達成する１つの方法は、目標CoC温度を高い値（例えば40℃）に設定することである。これによって、高いケース温度に対しても△Tが小さいことが保証され、従って、設計は、このような高いケース温度に対しても低い消費電力と熱放散とを達成する。この方法の不利な点は、チップ故障率（FIT率）を非常に増加させることである。チップ故障率は、チップ温度に依存する。たとえば、40℃でのFIT率は、25℃の２倍である。

この問題を克服する１つの方法は、パッケージのケース温度が非常に高くなる場合、アルゴリズムを使用して、目標のCoC温度を調節することである。これを実現する１つの方法が米国特許第7512162号に記載されている。

しかし、これは設計し実施するのが難しい。したがって、複雑な設計を必要とせずに、FIT率に対する最小限の影響で、低いTEC消費電力を達成することが望ましい。

本発明の目的は、上記問題に対処、或いは少なくとも軽減することである。

本発明の一態様によれば、電子デバイスとヒートシンクを含む電子組立品が、提供される。ヒートポンプは、前記デバイスと前記ヒートシンクとに対して熱的に接続され、前記デバイスから前記ヒートシンクに熱を移送するように構成される。第１の温度応答性の電気素子は前記デバイスに熱的に結合され、そして、第２の温度応答性の電気素子は前記ヒートシンクに結合される。前記第１の素子は、温度の変化とともに第１の方向に変化する特性を有し、そして、前記第２の素子は同じ特性を有するが、しかし、その特性は、温度の変化とともに反対方向に変化する。制御システムは、組み合わせられた前記第１および第２の電気素子の結合特性をモニターし、前記ヒートポンプに供給される電流を制御することによって前記結合特性をほぼ一定値に維持するように構成される。その結果、前記デバイスの温度は前記ヒートシンクの温度に応じて、動的に変わる。

前記第２の電気部品の特性は閾値温度（例えば、25℃）より低い温度でほぼ一定であってよく、その結果、前記閾値温度より低いヒートシンク温度では、前記制御システムは、前記デバイスをほぼ一定の目標温度に維持するように動作する。そして、前記第２の電気部品の特性は、前記閾値温度より高い温度では温度の変化とともに変化してよく、その結果、前記閾値温度より高いヒートシンク温度では、前記制御システムは、前記デバイスの前記目標温度を前記ヒートシンク温度に合わせて上昇させるように動作する。これによって、前記デバイスの温度は、「通常」の周囲温度では、ほぼ一定に維持が可能となる。しかし、より高い温度では、熱管理のために消費電力が大きくならないように制御しながら、前記デバイスの温度を上方にドリフトさせることができる。

前記ヒートシンクは、前記組立品を囲む環境の周囲温度にあってよく、前記組立品のケースに熱的に接続されている、または一体になっていてよい。前記ヒートポンプは、熱電冷却器であってよい。

前記電気素子はサーミスタであってよく、組み合わせられた前記２つの素子の結合特性は、直列に接続された２つのサーミスタの合計の電気抵抗であってよい。前記サーミスタのうちの１つは負温度係数（NTC）サーミスタであってよく、そして、他方は、正温度係数（PCT）サーミスタであってよい。一の実施形態において、前記NTCサーミスタは、前記デバイスに熱的に接続され、そして、前記PTCサーミスタは、前記ヒートシンクに熱的に接続される。前記サーミスタの合計抵抗は、約10kΩに維持してよい。

前記デバイスはチップを含んでよく、そのチップは担体上に搭載されてよい。前記チップの温度は、前記担体の温度をモニターし制御することによってモニターし制御してよい。

前記組立品は、光電子部品、たとえば、EDFAの一部を形成してよい。前記チップは、レーザーダイオードを含んでよい。

本発明の別の態様によれば、電子デバイスの温度を制御する方法が提供される。電流が、ヒートポンプに供給され、熱が前記デバイスからヒートシンクに移送される。２つの温度応答性電気素子の結合特性が、モニターされる。前記電気素子のうちの１つは前記デバイスに熱的に結合され、そして、他方は前記ヒートシンクに熱的に結合される。これら前記電気素子は、直列に接続され、温度の変化とともに互いに反対方向に変化する特性を有する。前記結合特性は、前記熱電冷却器に供給される前記電流を制御することによって、ほぼ一定の値に維持される。その結果、前記デバイスの温度は、前記ヒートシンクの温度の結果として、動的に変化する。

このように、本発明は、少なくとも好適な実施形態において、前記デバイス温度と前記ヒートシンク温度の間の直接的関係を可能にする。この関係は、前記デバイスを所与の温度に維持するのに必要な冷却力に対して大きな影響を与える。

光電子デバイスの略図である。 NTCサーミスタとPTCサーミスタの直列の合計抵抗を図解している。 例示的なPTCサーミスタについて、抵抗と温度の関係を示しているグラフである。 担体温度とケース温度間の能動的関係を示している。 ケース温度の変化に伴うPTC抵抗、NTC抵抗、合計抵抗、及び担体温度の挙動を示している。

これから、本発明の幾つかの好適な実施形態が、単に例証として、そして、添付の図面を参照して説明される。

図１は、光電子部品10の略図である。電子部品10は、ケース13内の担体12に搭載されるチップ11（たとえばレーザーダイオード）のような電子デバイスを含む。前記レーザーダイオード11は、出力の光ファイバー（図示せず）に接続される。熱電冷却器（TEC）14は、担体12と、そして、ケース13に搭載される、またはケースと一体化になっているヒートシンクとに接続され、（相対的に冷たい）担体12から（相対的に熱い）ケース13へ熱を移送する。

負温度係数（NTC）サーミスタ15は、担体12に熱的に結合される。NTCサーミスタ15の抵抗を測定してよく、測定された値は、担体12の温度をモニターするのに使用してよい。フィードバックループ（図示せず）によって、TEC14に供給される電流が制御され、担体上のチップ11（CoC）が選択された目標温度に維持されるように、NTCサーミスタ15の抵抗が目標値に維持されるように保証される。

動的な温度制御を行うために、正温度係数（PTC）サーミスタ16が、ケース13に熱的に接合され、担体12に搭載されたNTCサーミスタ15に直列に接続される。図２に図示されるように、次に、合計サーミスタ抵抗17（すなわち、NTCとPTCサーミスタ15、16の合計の抵抗）を測定してよい。

合計サーミスタ抵抗17がモニターされ、そして、システムは一定の合計抵抗17、たとえば10kΩを維持するように働かされる。担体温度が低い（例えばおよそ25℃以下）場合、NTCサーミスタ15の抵抗が大きく、合計抵抗の大半を占める。ケース温度が増加するに従い、PTCサーミスタ16の抵抗が増加する。合計抵抗17を10kΩに一定に保持するために、NTCサーミスタ15の抵抗を減らして、PTCサーミスタ抵抗の増加を相殺する必要がある。したがって、NTCサーミスタ15の抵抗の目標値は減らされ、その結果、フィードバックループによって得られる予定のより高い目標の担体温度となる。担体温度がより高くなると、CoC温度とケース温度間の△Tは減少し、これによって、担体12上のチップ11を冷却するのに必要な電力が減少する。

図３は、合計抵抗17を10kΩに維持し、そして温度が25℃より高くなると効果を発揮し始めるようになっているシステムにおけるPTCサーミスタ16について、抵抗と温度との間の適切な関係31を図示している。PTC抵抗は小さく、25℃より低い温度で一定であり、そして、低いケース温度（約40℃未満）での抵抗の増加は小さい点に留意すべきである。

このように、ケース温度が25℃から増加するとき、PTCサーミスタ16の抵抗31の初期増加は非常に小さい。したがって、NTCサーミスタ15の抵抗は、合計抵抗17を一定にしておくために大幅に減らす必要はなく、CoC温度に対する影響は小さい。約40℃より高いケース温度では、PTCサーミスタ16の抵抗31が大きく増加する。その結果、NTCサーミスタ15の抵抗の対応する減少が必要になる。

このシステムでは、結果として、担体12の温度とケース13の温度とは動的にリンクされる。図３に示す特性を有するPTCサーミスタ16を使用するシステムでは、結果として、図４に示すように、担体温度とケース温度と間の直接的関係41となる。

図５は、PTC抵抗51、NTC抵抗52、合計抵抗53、及び担体温度54の各々が、上述のシステムではケース温度の関数としてどのように変化するかを示している。

ケース温度が上がると、CoC目標温度とケース温度の間のこの動的なリンクのために、CoC温度とケース温度間の△Tが、あまりに大きくならないようになる。このことは、ひいては、TECに必要な電力が制限される。もっとも、チップ温度は、必要以上に高温に維持する必要はない。

チップ（レーザー）温度とケース温度（通常、組立品がその一部であるモジュールの周囲温度）間のこの能動的関係を作り出すことは、必要な冷却力に対して大きな影響を与える。レーザーの温度をモジュール周囲温度に合うように調整すると、その結果、冷却力を大幅に縮小することができる。たとえば、ケース温度が70 ℃に上昇した場合に、レーザー担体温度を25℃から40℃に上げると、冷却力が半分になる。他の利点は、周囲温度がその高所にある期間、レーザー温度がより高い温度に維持されるだけであるということである。したがって、それ以外の時は、レーザー温度を下げてよい。これによって、レーザーダイオードチップのFIT率が減少する。

上記の実施形態からの変形形態がなお本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。たとえば、10kΩという設定の合計の抵抗を変えてよい。さらに、PTCサーミスタ16はケース13の基部に熱的に接合されるように示されているが、温度がケース温度にリンクされている任意の場所を使用してよいことはいうまでもない。さらに、システムは、NTCサーミスタを担体に結合し、PTCサーミスタをケースに結合して、説明してきたが、サーミスタ間の配置は逆にしてもよい。実際、本発明は、抵抗-温度検出器（RTD）のような逆の温度変化特性を有する素子の任意の一組によって実施してよい。

Claims (13)

1. 電子組立品であって、
   電子デバイスと、
   ヒートシンクと、
   前記デバイスと前記ヒートシンクとに対して熱的に接続され、前記デバイスから前記ヒートシンクに熱を移送するように構成されるヒートポンプと、
   前記デバイスに熱的に結合され、温度の変化とともに第１の方向に変化する電気抵抗を有する第１のサーミスタと、
   前記ヒートシンクに熱的に結合され、前記第１の方向とは反対の第２の方向に温度によって変化する電気抵抗を有する第２のサーミスタと、
   直列につながれた前記第１および第２のサーミスタの合計電気抵抗をモニターし、前記ヒートポンプに供給される電流を制御することによって前記合計電気抵抗を一定値に維持するように構成され、前記デバイスの温度が前記ヒートシンクの温度に応じて動的に変化するようにする制御システムと、
   を含み、
   前記第２のサーミスタの前記電気抵抗は、閾値温度より低い温度において一定であり、その結果、前記制御システムが、前記閾値温度より低いヒートシンク温度において、前記デバイスを一定の目標温度に維持するように動作させ、
   前記第２のサーミスタの前記電気抵抗は、さらに、前記閾値温度より高い温度では温度の変化とともに変化し、その結果、前記制御システムが、前記閾値温度より高いヒートシンク温度において、前記デバイスの目標温度を、前記ヒートシンク温度に合うように上昇させるように動作させる、電子組立品。
2. 前記閾値温度が、２５℃である、請求項１に記載の電子組立品。
3. 前記ヒートシンクが前記組立品を囲む環境の周囲温度にある、請求項１又は２に記載の電子組立品。
4. 前記電子デバイスがケースに設けられ、前記ヒートシンクが前記ケースに熱的に接続されている、または一体になっている、請求項１乃至３の何れか１項に記載の電子組立品。
5. 前記ヒートポンプが、熱電冷却器である、請求項１乃至４の何れか１項に記載の電子組立品。
6. 前記第１及び第２のサーミスタのうちの１つがＮＴＣサーミスタであり、もう１つがＰＴＣサーミスタである、請求項１乃至５の何れか１項に記載の電子組立品。
7. 前記ＮＴＣサーミスタが、前記デバイスに熱的に接続され、そして、前記ＰＴＣサーミスタが前記ヒートシンクに熱的に接続されている、請求項６に記載の電子組立品。
8. 前記サーミスタの合計抵抗が10kΩに維持されるように構成される、請求項１乃至７の何れか１項に記載の電子組立品。
9. 前記デバイスがチップを含む、請求項１乃至８の何れか１項に記載の電子組立品。
10. 前記チップが担体に搭載され、そして、前記チップの温度が、前記担体の温度をモニターし制御することによって、モニターし制御される、請求項９に記載の電子組立品。
11. 前記チップが、レーザーダイオードを含む、請求項９又は１０に記載の電子組立品。
12. 請求項１１に記載の電子組立品を有するエルビウムドープファイバー増幅器。
13. 電子デバイスの温度を制御する方法であって、
    ヒートポンプに電流を供給し、前記デバイスからヒートシンクに熱を移送することと、
    前記デバイスに熱的に結合される第１のサーミスタと、前記ヒートシンクに熱的に結合される第２のサーミスタとの合計電気抵抗をモニターすることと、
    記制御システムにより、前記熱電冷却器に供給される前記電流を制御することによって前記合計電気抵抗を一定値に維持することと、
    を含み、
    前記第１および第２のサーミスタが、直列に接続され、温度の変化とともに互いに反対方向に変化する電気抵抗を有し、
    前記第２のサーミスタの前記電気抵抗は、閾値温度より低い温度において一定であり、その結果、前記制御システムが、前記閾値温度より低いヒートシンク温度において、前記デバイスを一定の目標温度に維持するように動作させ、
    前記第２のサーミスタの前記電気抵抗は、さらに、前記閾値温度より高い温度では温度の変化とともに変化し、その結果、前記制御システムが、前記閾値温度より高いヒートシンク温度において、前記デバイスの目標温度を、前記ヒートシンク温度に合うように上昇させるように動作させる、方法。

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