ITMI20111216A1 - Dispositivo elettronico di potenza ad elevata dissipazione di calore e stabilita? - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La soluzione in accordo con una o più forme di realizzazione della presente invenzione riguarda il settore dell’elettronica. Più specificamente, tale soluzione riguarda dispositivi elettronici per applicazioni di potenza (ad esempio, controllo di motori ed alimentatori), o dispositivi di potenza.

Ciascun dispositivo di potenza tipicamente comprende una piastrina (chip) di materiale semiconduttore, sulla quale sono integrati uno o più componenti di potenza (ad esempio, transistori di potenza - come transistori di potenza di tipo MOS a struttura verticale), ed un contenitore (package) nel quale la piastrina viene incapsulata per proteggerla e per consentire l’accesso a suoi terminali.

Come à ̈ noto, i componenti di potenza, essendo interessati da tensioni elevate e/o correnti elevate (dell’ordine di 50-1.500V e 0,1-8A, rispettivamente), sono soggetti a notevole riscaldamento durante il loro funzionamento. Per questo motivo, il dispositivo di potenza necessita di un contenitore che, per garantire adeguate proprietà di dissipazione del calore (così da evitare alla piastrina fenomeni di surriscaldamento che potrebbero provocare malfunzionamenti o rotture), sia dotato di uno o più dissipatori di calore (heat sink) per dissipare all’esterno il calore prodotto dalla piastrina durante il suo funzionamento.

Un esempio di tale contenitore à ̈ rappresentato dal contenitore di tipo “DSC†(“Dual Side Cool†), il quale à ̈ provvisto di due distinti dissipatori. In particolare, ciascun dispositivo di potenza con contenitore DSC (o dispositivo di potenza DSC) comprende un dissipatore inferiore che si estende tra una regione conduttiva della piastrina (ad esempio, un terminale di drain del transistore di potenza) ed una superficie di montaggio del contenitore che, nell’impiego, à ̈ tipicamente rivolta verso un supporto (come una scheda a circuito stampato - o PCB) su cui il dispositivo di potenza à ̈ montato, ed un dissipatore superiore che si estende tra un’altra regione conduttiva della piastrina (ad esempio, un terminale di source del transistore di potenza) ed una superficie libera del contenitore (solitamente opposta alla superficie di montaggio).

I dispositivi di potenza sono tipicamente impiegati in circuiti a commutazione, ad esempio per convertire una tensione continua in una tensione alternata. Un circuito a commutazione molto diffuso à ̈ implementato mediante una configurazione a ponte intero, che in generale comprende due coppie di transistori di potenza in configurazione a semi-ponte per pilotare un carico in maniera differenziale; in particolare, i transitori di potenza di ciascuna coppia sono disposti in serie, ovvero sono connessi tra un terminale di riferimento, o massa, ed un terminale di alimentazione (con un terminale comune che solitamente definisce un corrispondente terminale di uscita), mentre le due coppie di transistori di potenza sono poste in parallelo tra loro (ovvero condividono i terminali di massa e di alimentazione), con il carico connesso tra i rispettivi terminali di uscita.

La Richiedente ha recentemente sviluppato un dispositivo di potenza DSC comprendente un unico contenitore all’interno sono alloggiati due transistori di potenza (ciascuno integrato su una rispettiva piastrina) in configurazione a semiponte (dispositivi di potenza DSC a doppia isola), ovvero un transistore di potenza superiore del semi-ponte (o transistore superiore) ed un transistore di potenza inferiore del semi-ponte (o transistore inferiore). In generale, nel dispositivo di potenza DSC a doppia isola i transistori di potenza sono in configurazione reciprocamente invertita, ovvero il terminale di drain di uno dei due transistori di potenza (ad esempio, del transistore inferiore) à ̈ connesso insieme al terminale di source dell’altro transistore di potenza (ad esempio, del transistore superiore) al dissipatore inferiore (che solitamente funge anche da piedino di accesso al terminale di uscita), mentre i restanti terminali di source e drain, rispettivamente, sono connessi a corrispondenti, reciprocamente isolati, dissipatori di calore superiori.

In questo modo, rispetto alle soluzioni tradizionali in cui ciascun dispositivo di potenza comprende un contenitore nel quale à ̈ alloggiato un unico transistore di potenza, si ottengono dimensioni ridotte del semi-ponte, e quindi una maggiore compattezza e semplicità realizzativa del corrispondente circuito a commutazione.

Ad ogni modo, i dispositivi di potenza DSC a doppia isola, comprendendo al loro interno due transistori di potenza, sono maggiormente interessati da problematiche di surriscaldamento.

A tale proposito, l’impiego di dissipatori di calore ausiliari (ad esempio, esterni ad un corpo isolante del contenitore) per aumentare la dissipazione del calore dalla piastrina potrebbe comportare alcuni inconvenienti. In particolare, adottare (come suggerirebbe lo stato della tecnica) due dissipatori di calore esterni fissati ciascuno su un rispettivo dissipatore di calore superiore (al fine di evitare corto circuiti tra i terminali dei transistori di potenza connessi a tali dissipatori di calore superiori), comporterebbe notevoli squilibri nella dissipazione del calore nei transistori di potenza (dovute, ad esempio, ad inevitabili asimmetrie costruttive e/o disallineamenti nel posizionamento di tali dissipatori di calore esterni).

In termini generali, la soluzione in accordo con una o più forme di realizzazione della presente invenzione si basa sull’idea di utilizzare un unico dissipatore di calore esterno avente porzioni dissipative identiche elettricamente isolate.

In particolare, uno o più aspetti della soluzione in accordo con specifiche forme di realizzazione dell’invenzione sono indicati nelle rivendicazioni indipendenti, con caratteristiche vantaggiose della stessa soluzione che sono indicate nelle rivendicazioni dipendenti, il cui testo à ̈ incorporato nella presente alla lettera per riferimento (con qualsiasi caratteristica vantaggiosa fornita con riferimento ad uno specifico aspetto della soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione che si applica mutatis mutandis ad ogni altro suo aspetto).

Più specificamente, un aspetto della soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione propone un sistema (ad esempio, un sistema di potenza comprendente un dispositivo di potenza ed un dissipatore di calore ad esso esterno). Il sistema comprende un corpo isolante per inglobare almeno una piastrina di materiale semiconduttore in cui à ̈ integrato almeno un componente elettronico (ad esempio, due transistori di potenza), il corpo isolante avendo una superficie di montaggio per il montaggio del sistema su una scheda (ad esempio, una scheda a circuito stampato o PCB), un primo dissipatore di calore connesso ad un terminale di conduzione dell’almeno un componente elettronico ed un secondo dissipatore di calore connesso ad un ulteriore terminale di conduzione dell’almeno un componente isolato dal terminale di conduzione; il primo dissipatore di calore ed il secondo dissipatore di calore si affacciano su una superficie libera del corpo isolante opposta alla superficie di montaggio per dissipare il calore prodotto dalla piastrina verso l’esterno del sistema. Nella soluzione in accordo con una o più forme di realizzazione della presente invenzione, il sistema ulteriormente comprende un dissipatore di calore esterno estendentesi al di sopra della superficie libera, il dissipatore di calore esterno comprendendo una prima porzione dissipativa ed una seconda porzione dissipativa per contattare il primo dissipatore di calore ed il secondo dissipatore di calore sulla superficie libera, rispettivamente, ed una porzione isolante per isolare elettricamente la prima porzione dissipativa dalla seconda porzione dissipativa; la prima porzione dissipativa e la seconda porzione dissipativa sono simmetriche rispetto alla porzione isolante.

Un ulteriore aspetto della soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione fornisce un circuito elettronico comprendente uno o più di tali sistemi.

Un diverso aspetto della soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione fornisce un corrispondente metodo di produzione del sistema.

La soluzione in accordo con una o più forme di realizzazione dell'invenzione, come pure ulteriori caratteristiche ed i relativi vantaggi, sarà meglio compresa con riferimento alla seguente descrizione dettagliata, data puramente a titolo indicativo e non limitativo, da leggersi congiuntamente alle figure allegate (in cui, per semplicità, elementi corrispondenti sono indicati con riferimenti uguali o simili e la loro spiegazione non à ̈ ripetuta, ed il nome di ogni entità à ̈ in generale usato per indicare sia il suo tipo sia suoi attributi – come valore, contenuto e rappresentazione). A tale riguardo, à ̈ espressamente inteso che le figure non sono necessariamente in scala (con alcuni particolari che possono essere esagerati e/o semplificati) e che, a meno di indicazione contraria, esse sono semplicemente utilizzate per illustrare concettualmente le strutture e le procedure descritte. In particolare:

FIGG.1A-1B mostrano rappresentazioni schematiche prospettiche di un dispositivo elettronico che può essere utilizzato nella soluzione in accordo con una o più forme di realizzazione della presente invenzione;

FIG.2 mostra una rappresentazione schematica prospettica di un sistema in accordo con i principi della presente invenzione;

FIGG.3A-3E mostrano rappresentazioni schematiche prospettiche di corrispondenti implementazioni esemplificative del sistema di FIG.2;

FIG.4 mostra un esemplificativo circuito elettronico che può essere implementato mediante la soluzione in accordo con una o più forme di realizzazione dell’invenzione, e

FIGG.5-6 mostrano rappresentazioni schematiche prospettiche di possibili implementazioni di parte del circuito elettronico di FIG.4.

Con riferimento a FIGG.1A-1B, esse mostrano rappresentazioni schematiche prospettiche di un esemplificativo dispositivo elettronico 100 che può essere utilizzato nella soluzione in accordo con una o più forme di realizzazione della presente invenzione; più in particolare, FIGG.1A-1B mostrano lo stesso dispositivo elettronico 100 ribaltato e non, rispettivamente, rispetto ad un suo (tipico, nell’impiego) verso di montaggio.

Nell’esemplificativa ma non limitativa forma di realizzazione descritta, il dispositivo elettronico 100 à ̈ un dispositivo elettronico per applicazioni di potenza (ad esempio, per controllo di motori ed alimentatori) o dispositivo di potenza (ad esempio, con tensioni di funzionamento comprese tra 5,5V e 850V). Più in particolare, tale dispositivo di potenza 100 comprende una piastrina di materiale semiconduttore (non visibile) sulla quale sono integrati due transistori di potenza a struttura verticale identici (ad esempio, di tipo MOS) in configurazione a semi-ponte (ovvero, in cui un transistore di potenza superiore del semi-ponte ed un transistore di potenza inferiore del semi-ponte sono connessi in serie a definire un terminale comune).

Il dispositivo di potenza 100 comprende un contenitore 105; quest’ultimo comprende un corpo elettricamente isolante 110 (ad esempio, in materiale plastico), a forma genericamente di parallelepipedo, che ingloba la piastrina per proteggerla ed allo stesso tempo per consentire l’accesso a suoi terminali (ad esempio, terminali di drain, terminali di source e terminali di gate del transistore inferiore e del transistore superiore). Tale contenitore 105 à ̈ di tipo DSC (“Dual Side Cool†), ovvero comprende elementi di dissipazione di calore per dissipare il calore prodotto dalla piastrina sia verso una superficie di montaggio 115m del contenitore 105 (che, nell’impiego, à ̈ tipicamente rivolta verso una scheda a circuito stampato o PCB, non mostrata), che verso una superficie libera 115f del contenitore 105 (opposta alla superficie di montaggio).

Da un punto di vista implementativo (di cui, per brevità di esposizione, verranno discussi genericamente soltanto alcuni aspetti ritenuti necessari ai fini della presente descrizione), nel dispositivo di potenza 100 i transistori di potenza superiore ed inferiore sono in configurazione reciprocamente invertita; in particolare, nell’esemplificativa, non limitativa, configurazione considerata, il terminale di drain del transistore inferiore ed il terminale di source del transistore superiore sono rivolti entrambi verso la superficie di montaggio 115m e sono connessi insieme (formando il terminale comune) ad un dissipatore di calore inferiore DISLOW, di cui in FIG.1A à ̈ visibile soltanto una piazzola elettricamente conduttiva esposta LCOM. Invece, il terminale di source del transistore inferiore ed il terminale di drain del transistore superiore sono rivolti entrambi verso la superficie libera 115f e sono connessi ciascuno ad un corrispondente dissipatore di calore superiore DISUP,L,DISUP,H, di cui in FIG.1B sono visibili soltanto le relative piazzole esposte 120Le 120H(che sono opportunamente distanziate tra loro di una opportuna distanza).

Il contenitore 105 comprende una pluralità di piedini (sei, nella esemplificativa forma di realizzazione illustrata) LgL,LsL1,LsL2,LgH,LdH,LCOM, i quali sono connessi a rispettivi terminali del transistore inferiore e del transistore superiore e sono adatti a consentire il montaggio del dispositivo di potenza 100 sulla PCB mediante tecnologia a montaggio superficiale.

In particolare, il piedino LCOM, di forma genericamente rettangolare, si estende su circa un terzo della superficie di montaggio 115m, ed à ̈ connesso (all’interno del contenitore 105) al terminale comune; il piedino LCOM, quindi, funge sia da piedino di accesso al terminale comune che da superficie di dissipazione di calore. Invece, i piedini LgLed LsL1,LsL2, ed i piedini LgHed LdH, genericamente distribuiti uniformemente lungo un bordo della superficie di montaggio 115m opposto al piedino LCOM, comprendono ciascuno una piazzola elettricamente conduttiva a forma sostanzialmente quadrata che si estende a metà sulla superficie di montaggio 115m ed a metà su una superficie laterale del corpo isolante 110 ad essa adiacente, e sono elettricamente connessi, all’interno del contenitore 105, al terminale di gate ed al terminale di source del transistore inferiore, ed al terminale di gate ed al terminale di drain del transistore superiore, rispettivamente.

Il corpo isolante 110 espone anche estremità libere di traversine (tie-bar) 125 elettricamente conduttive (ad esempio, in materiale metallico), le quali sono usate per sostenere il piedino LCOMdurante la realizzazione del contenitore 105 e sono tranciate dopo lo stampaggio del corpo isolante 110; le traversine 125 sono disposte a coppie sulle altre superfici laterali del corpo isolante 110 dove non si trovano i piedini LgL,LsL1,LsL2,LgH,LdH,LCOM. I piedini LgL,LsL1,LsL2,LgH,LdH,LCOMe le traversine 125 sono opportunamente distanziati tra loro in modo da ottenere una adeguata distanza superficiale (creepage) lungo il corpo isolante 110. Ad esempio, le distanze superficiali sono uguali a 1 mm tra il piedino LgLed il piedino LsL2, 2,7 mm tra il piedino LgLed il piedino LgH, 2,7 mm tra il piedino LgHed il piedino LdH, e 2 mm tra i piedini LsL1, LsL2, LdH, LgL, LgHed il piedino LCOM(e le traversine 125), con il piedino LsL1ed il piedino LsL2che sono distanziati tra loro di 0,5 mm (anche se tali valori sono puramente indicativi ed in nessun modo limitativi).

Passando a FIG.2, essa mostra una rappresentazione schematica prospettica di un sistema 200 in accordo con i principi della presente invenzione.

Il sistema 200 comprende il dispositivo di potenza 100 e, in aggiunta, un dissipatore di calore esterno 230 fissato sulle piazzole 120Le 120H(non visibili in figura in quanto coperte completamente dal dissipatore di calore 230) ed estendentesi in una porzione di volume sovrastante la superficie libera 115f.

Il dissipatore di calore 230 à ̈ fissato alle piazzole 120Le 120Htramite un elemento di fissaggio (non visibile in figura), come un nastro termico, una pasta termica o una resina epossidica (in ogni caso, in generale, non mediante saldatura, la quale potrebbe determinare un fissaggio non omogeneo - a causa, ad esempio, di bolle d’aria intrappolate nel materiale di apporto impiegato - e quindi minore conducibilità termica tra il dissipatore di calore 230 e le piazzole 120Le 120H).

Il dissipatore di calore 230 à ̈ illustrato come elemento a struttura volutamente non definita, ad indicare che, sebbene nel seguito della presente descrizione si faccia esplicito riferimento a specifiche configurazioni vantaggiose, i principi della presente invenzione possono essere applicati sostanzialmente a qualsiasi tipo di dissipatore di calore. Inoltre, sebbene nel seguito si faccia esplicito riferimento al dissipatore di calore esterno montato sul dispositivo di potenza 100 (ovvero, un dispositivo di potenza DSC a doppia isola), ciò non à ̈ da intendersi in maniera limitativa, dal momento che esso può essere montato su qualunque dispositivo elettronico. Inoltre, si sottolinea che la soluzione descritta può essere applicata anche ad un sistema contenitore/dissipatore atto ad essere immesso sul mercato privo della piastrina, la quale potrà poi essere collocata all’interno del contenitore in un secondo momento dall’acquirente.

In accordo con i principi della presente invenzione, il dissipatore di calore 230 comprende una porzione isolante 235 (ad esempio, in vetro, porcellana, materiali ceramici – ad esempio, a base di nitruro di boro, il quale possiede elevate proprietà di isolamento elettrico ed elevate proprietà di conduzione del calore) lungo un suo asse di simmetria, che definisce una porzione dissipativa 230SX(in materiale conduttivo) del dissipatore di calore 230 ed un’altra porzione dissipativa 230DXanaloga alla porzione dissipativa 230SXe simmetrica rispetto ad essa; in altre parole, le porzioni dissipative 230SXe 230DXsono tra loro simmetriche rispetto alla porzione isolante 235.

Il dissipatore di calore 230 à ̈ montato sulla superficie libera 115f in modo che le porzioni dissipative 230SXe 230DXsiano connesse elettricamente alle piazzole 120Le 120H, rispettivamente, ed allineate in ugual modo a quest’ultime (e quindi ai transistori inferiore e superiore). In tale maniera, risultando la porzione isolante 235 in una posizione centrale (sulla porzione della superficie libera 115f) tra la piazzola 120Le la piazzola 120H, vengono evitatati cortocircuiti tra il terminale di drain del transistore inferiore ed il terminale di source del transistore superiore. Inoltre, in tal modo, i transistori superiore ed inferiore sperimentano una medesima conducibilità termica, in quanto associati ad identiche e simmetriche porzioni dissipative 230SXe 230DX. In altre parole, le porzioni dissipative 230SXe 230DXsono tra loro elettricamente indipendenti (in quanto isolate tra loro dalla porzione isolante 235) ma strutturalmente e termicamente interconnesse (in quanto facenti parte di un unico componente, termicamente non isolato tra le sue porzioni dissipative 230SXe 230DX, ovvero il dissipatore di calore 230).

Pertanto, la soluzione descritta consente di impiegare un unico dissipatore di calore esterno (anziché due distinti dissipatori di calore, facilmente soggetti a fenomeni di disallineamento reciproco che possono causare asimmetrie non trascurabili nella dissipazione del calore e problematiche di stabilità del sistema), evitando cortocircuiti tra i terminali dei transistori di potenza.

Passando a FIG.3A-3E, esse mostrano rappresentazioni schematiche prospettiche di corrispondenti implementazioni esemplificative del sistema precedente (nel seguito, elementi simili saranno denotati utilizzando medesimi riferimenti numerici e contraddistinti mediante i pedici a, b, c, d, e rispettivamente). Nel sistema 300a, illustrato in FIG.3A, il dissipatore di calore 330a comprende una base 340a (di forma genericamente quadrata) fissata alle piazzole 120L,120H(e su parte del corpo isolante 110), ed un elemento di stabilizzazione 345a ripiegato sulla PCB (non mostrata). Più in particolare, tale elemento di stabilizzazione 345a comprende una porzione sporgente 340sa, parallela alla superficie libera 115f, che si estende da un bordo della base 340a oltre un contorno del corpo isolante 110 (ad esempio, per una distanza di sicurezza sufficiente ad evitare cortocircuiti tra l’elemento di stabilizzazione 345a ed i piedini LsL1,LsL2,LdH,LgL,LgH), una porzione di montaggio (linguetta) 350a, parallela alla superficie libera 115f, che contatta la PCB ad una distanza dal contenitore 205 (sulla PCB) pari a tale distanza di sicurezza, ed una porzione intermedia 355a, trasversale alla superficie libera 115f, che si estende verticalmente da un’estremità della porzione sporgente 340saverso la linguetta 350a.

In prossimità degli altri tre bordi della base 340a (ove non à ̈ presente l’elemento di stabilizzazione 345a), corrispondenti alette 360a1,360a2,360a3si estendono sostanzialmente trasversali alla superficie libera 115f (in allontanamento dal corpo isolante 110, verso l’alto nelle figure) per trasferire il calore all’esterno del dispositivo di potenza 100. Ciascuna aletta 360a1,360a2,360a3comprende, in successione dalla base 340a, una porzione prossimale 365a1,365a2,365a3, una porzione distale 370a1,370a2,370a3ed una porzione terminale 375a1,375a2,375a3. In maggiore dettaglio, la porzione prossimale 365a1,365a2,365a3si estende dalla base 340a trasversalmente alla superficie libera 115f, la porzione distale 370a1,370a2,370a3à ̈ ripiegata verso l’esterno in modo da essere parallela alla superficie libera 115f, e la porzione terminale 375a1,375a2,375a3à ̈ ripiegata in modo da essere parallela alla porzione prossimale 365a1,365a2,365a3(quindi trasversale alla superficie libera 115f) e da estendersi verso il corpo isolante 110 (ossia, in basso nelle figure).

La porzione isolante 335a del dissipatore di calore 330a definisce le due porzioni dissipative 330SXae 330DXariferite al transistore inferiore ed al transistore superiore, rispettivamente. Più in dettaglio, tale porzione isolante 335a attraversa la base 340a, l’elemento di stabilizzazione 345a e l’aletta affacciata a quest’ultimo (ovvero, l’aletta 360a2) in modo da ottenere porzioni dissipative 330SXae 330DXasimmetriche ed elettricamente (ma non meccanicamente e termicamente) isolate, con gli stessi vantaggi sopra discussi.

In aggiunta, l’elemento di stabilizzazione 345a garantisce una buona stabilità meccanica del dissipatore di calore 330a (che può essere ulteriormente migliorata mediante l’impiego di nastri biadesivi tra la linguetta 350a e la PCB) e consente di scaricarne almeno in parte il peso direttamente sulla PCB; in questo modo, si riduce la pressione esercitata dal dissipatore 330a sul corpo isolante 110, evitando quindi deterioramenti, o rotture, dei contatti tra i piedini LgL,LsL1,LsL2,LgH,LdHe le piste conduttive della PCB.

Inoltre, l’elemento di stabilizzazione 345a contribuisce a dissipare il calore sia all’ambiente esterno per convezione, sia alla PCB per conduzione, per cui il sistema 300a, oltre ad essere meccanicamente ed elettricamente più affidabile, possiede elevate proprietà di dissipazione del calore.

Nel sistema 300b, mostrato in FIG.3B, il dissipatore di calore 330b comprende alette 360b1,360b2,360b3in cui la porzione prossimale 365b1,365b2,365b3, la porzione distale 370b1,370b2,370b3e la porzione terminale 375b1,375b2,375b3sono ottenute a partire dalla porzione prossimale 365a1,365a2,365a3, dalla porzione distale 370a1,370a2,370a3e dalla porzione terminale 375a1,375a2,375a3, rispettivamente, praticando su ciascuna di esse una o più (due, nell’esempio illustrato) aperture 380; nell’esemplificativa forma di realizzazione illustrata, tali aperture 380 sono tra loro equidistanti ed hanno una forma sostanzialmente rettangolare (anche se ciò non à ̈ da intendersi in maniera limitativa per la presente invenzione).

Tale implementazione à ̈ particolarmente vantaggiosa nel caso in cui sia necessario ottenere maggiore scambio termico attraverso convezione piuttosto che attraverso conduzione (ad esempio, in applicazioni in cui il dispositivo di potenza rimane operativo per lunghi periodi di tempo, ad esempio dell’ordine delle ore o dei giorni); infatti, l’aumento del perimetro del dissipatore di calore 330b, dovuto alle aperture 380, consente una maggiore circolazione di aria tra le alette 360b1,360b2,360b3rispetto alle alette 360a1,360a2,360a3.

Nel sistema 300c, mostrato in FIG.3C, il dissipatore di calore 330c à ̈ sostanzialmente analogo al precedente. Rispetto a quest’ultimo, il dissipatore di calore 330c comprende due ulteriori elementi di stabilizzazione 345c1,345c2identici rivolti verso facce laterali opposte del corpo isolante 110. Come visibile in figura, tali elementi di stabilizzazione 345c1e 345c2sono strutturalmente analoghi all’elemento di stabilizzazione 345a (ma possono avere dimensioni diverse rispetto a quest’ultimo), ovvero comprendono la porzione sporgente 340sc1,340sc2, la porzione intermedia 355c1,355c2e la linguetta 350c1,350c2. La porzione sporgente 340sc1,340sc2di ciascun elemento di stabilizzazione 345c1,345c2à ̈ connessa ortogonalmente alla porzione sporgente 340sa, mentre le linguette 350c1,350c2sono reciprocamente simmetriche rispetto a quest’ultima.

Grazie agli elementi di stabilizzazione 345c1e 345c2, il dissipatore di calore 330c permette di ottenere migliorate stabilità e robustezza rispetto alle soluzioni precedenti.

Si noti che sebbene il sistema 300c sia stato descritto come variante del sistema 300b, ciò non esclude che gli elementi di stabilizzazione 345c1e 345c2possano essere realizzati anche nel sistema 300a.

Nel sistema 300d, mostrato in FIG.3D, il dissipatore di calore 330d comprende una base 340d di forma sostanzialmente ottagonale, ed una pluralità (quattro nella forma di realizzazione mostrata in figura) di alette 360d1,360d2,360d3,360d4analoghe alle alette piene 360a1,360a2,360a3che si estendono ciascuna su un corrispondente lato lungo un perimetro della base 340d. In particolare, le alette 360d1,360d2,360d3,360d4dell’esemplificativa forma di realizzazione illustrata sono distribuite lungo il perimetro in modo tale che le corrispondenti porzioni terminali (non numerate per semplicità) siano sostanzialmente parallele ciascuna ad una rispettiva delle quattro superfici laterali del corpo isolante 110.

Il dissipatore di calore 330d comprende anche quattro elementi di stabilizzazione 345d1, 345d2, 345d3e 345d4che si estendono da lati del perimetro della base 340d in modo da risultare intervallati alle alette 360d1,360d2,360d3e 360d4, rispettivamente.

Preferibilmente, sebbene non necessariamente, gli elementi di stabilizzazione 345d1,345d2,345d3345d4sono disposti a coppie affacciate; come visibile in figura, ciascun elemento di stabilizzazione 345d1,345d2,345d3,345d4comprende (in successione dalla base 340d) un’altra porzione prossimale 365dF1,365dF2,365dF3,365dF4(analoga alla porzione prossimale delle alette 360d1,360d2,360d3,360d4, rispettivamente), una porzione 340sd1,340sd2,340sd3,340sd4sporgente oltre il contorno del corpo isolante 205, una linguetta 350d1,350d2,350d3,350d4che contatta la PCB, ed una porzione intermedia 355d1,355d2,355d3,355d4, trasversale alla superficie libera 115f, che si estende verticalmente dall’estremità della porzione sporgente 340sd1,340sd2,340sd3,340sd4verso la linguetta 350d1,350d2,350d3,350d4.

Si noti che anche tale implementazione, analogamente a quelle precedenti, Ã ̈ concepita in modo tale che il dissipatore di calore 330d sia formato da due porzioni dissipative 330SXde 330DXdsimmetriche rispetto alla porzione isolante 335d.

La soluzione descritta à ̈ vantaggiosa in quanto gli elementi di stabilizzazione 345d1, 345d2, 345d3e 345d4conferiscono al dissipatore di calore 330d stabilità meccanica e capacità di dissipazione del calore ulteriormente migliorate.

Il sistema 300e, mostrato in FIG.3E, comprende un dissipatore di calore 330e simile al precedente, ma rispetto a quest’ultimo comprende tre alette invece di quattro, ovvero le alette 360d1,360d2,360d3, ed un elemento di stabilizzazione 345e. L’elemento di stabilizzazione 345e à ̈ analogo all’elemento di stabilizzazione 345a, e sostituisce l’aletta che nel dispositivo di potenza 330d à ̈ affacciata verso la superficie laterale del corpo isolante 205 da cui sono esposti i piedini LgL,LsL1,LsL2,LgH,LdH(ovveo, l’aletta 360d4in FIG.3D).

In altre forme di realizzazione (non mostrate nelle figure), à ̈ possibile prevedere aperture anche negli elementi di stabilizzazione (così da incrementare la dissipazione di calore per convezione), oppure realizzare elementi di stabilizzazione arcuati.

In ulteriori forme di realizzazione, anch’esse non mostrate, almeno uno tra gli elementi di stabilizzazione 345a,345d1,345d2,345d3,345d4, e/o gli ulteriori di stabilizzazione 345c1,345c2) potrebbe essere configurato per attraversare la PCB ed essere fissati ad essa mediante tecnica a montaggio passante (attraverso opportuni fori o scanalature passanti della PCB).

Si noti che i dissipatori di calore sopra descritti 330a-330e e quelli ad essi riconducibili possono essere ottenuti attraverso un processo di stampaggio di un foglio di materiale termicamente conduttivo (ad esempio, un foglio di alluminio), seguito da una fase di ripiegatura di tale lamina stampata. Di conseguenza, poiché tali dissipatori di calore 330a-330e sono producibili in grandi volumi, con costi contenuti e con apparati di produzione relativamente semplici, i corrispondenti sistemi 300a-300e non comportano difficoltà realizzative.

Passando ora a FIG.4, essa mostra un circuito elettronico (nel caso specifico un circuito a commutazione, cui ci si riferirà nel seguito a titolo di esempio non limitativo) 400 che può essere implementato mediante la soluzione in accordo con una o più forme di realizzazione dell’invenzione.

Il circuito a commutazione 400 ha una struttura a ponte completo (fullbridge), con due rami circuitali ciascuno formato da un transistore di potenza inferiore ML,ML’ e da un transistore di potenza superiore MH,MH’ (ad esempio, entrambi di tipo MOS a canale N), i quali sono collegati tra loro in configurazione a semi-ponte.

In ogni semi-ponte, il terminale di source del transistore inferiore ML,ML’ à ̈ collegato ad un terminale di riferimento GND (il quale riceve una tensione di riferimento, o massa), mentre il terminale di drain del transistore superiore MH,MH’ à ̈ collegato ad un terminale di alimentazione VDD(il quale fornisce una tensione di alimentazione continua – ad esempio, 600-900V rispetto alla tensione di massa); il terminale di drain del transistore inferiore ML,ML’ ed il terminale di source del transistore superiore MH,MH’ sono collegati tra loro a definire il corrispondente terminale comune COM,COM’, tra i quali à ̈ collegato un carico LLOAD(ad esempio, di tipo induttivo).

Il terminale di gate di ciascun transistore ML,MH,ML’,MH’ può essere connesso ad un sistema di controllo CONSYS, il quale in generale comanda i transistori ML,MH,ML’,MH’ in modo che ogni coppia formata dal transistore inferiore ML,ML’ di un semi-ponte e dal transistore superiore MH,MH’ dell’altro semi-ponte sia accesa e spenta alternativamente.

Come si comprenderà, il circuito a commutazione 400 può essere concettualmente ottenuto impiegando due sistemi identici tra quelli sopra descritti (o ad essi riconducibili), opportunamente connessi tra loro.

A titolo di esempio, con riferimento a FIG.5-6, esse mostrano rappresentazioni schematiche prospettiche di corrispondenti implementazioni di una parte del circuito a commutazione 400 (ovvero, dei soli transistori del ponte) in accordo con forme di realizzazione dell’invenzione basate su due esemplificative tipologie di sistemi.

In particolare, l’implementazione 500, illustrata in FIG.5, comprende il sistema 300a per implementare il semi-ponte ML,MH, ed un altro sistema identico per implementare il semi-ponte ML’,MH’, indicato con il riferimento numerico 300a’ (così come i suoi elementi costitutivi) per differenziarlo dal precedente. Tali sistemi 300a,300a’ sono montati sulla PCB, non mostrata, in modo da avere i rispettivi elementi di stabilizzazione 345a,345a’ affacciati (anche se altri orientamenti sono possibili, in accordo con la distribuzione delle piste sulla PCB).

L’implementazione 500 ulteriormente comprende un elemento di connessione 585 per connettere, sulla PCB (ad esempio, mediante nastro termico, pasta termica o resina epossidica) la linguetta 350a e la linguetta 350a’. Tale elemento di connessione 585, avente la stessa larghezza della linguetta 350a,350a’ e lunghezza pari alla distanza sulla PCB tra la linguetta 350a e la linguetta 350a’, presenta una porzione isolante centrale 535 che connette la porzione isolante 335a del dissipatore di calore 330a e la porzione isolante 335a’ del dissipatore di calore 330a’.

In questo modo, l’implementazione 500 presenta un elevato grado di simmetria; infatti, in termini funzionali (ma eventualmente anche in termini strutturali, come sarà chiarito nel seguito), essa comprende un unico dissipatore di calore esterno composito 330a,330a’,585 simmetrico rispetto alla sua porzione isolante 335a,335a’,535, soluzione che garantisce che i transistori superiori MH,MH’ di ciascun semi-ponte siano elettricamente e termicamente connessi tra loro, ma isolati elettricamente (ma non termicamente), dai corrispondenti transistori inferiori ML,ML’ (i quali sono anch’essi elettricamente e termicamente connessi tra loro).

Ciò assicura all’implementazione 500 gli stessi vantaggi in termini di stabilità meccanica e di dissipazione di calore sopra discussi relativamente ai singoli sistemi.

Invece, l’implementazione 600, illustrata in FIG.6, comprende, come prima, due sistemi identici, in questo caso esemplificativo i sistemi 300d e 300d’.

I sistemi 300d,300d’ sono montati sulla PCB in modo da avere i piedini affacciati. Nell’esemplificativa forma di realizzazione illustrata, le alette 360d4,360d4’, che risultano quindi tra loro affacciate, sono connesse l’un l’altra mediante un ulteriore elemento di connessione 685 (anche se non si escludono ulteriori o alternativi elementi di connessione, non mostrati, ad esempio tra gli elementi di stabilizzazione 345d1,345d2,345d3,345d4e gli elementi di stabilizzazione 345d1’,345d2’,345d3’,345d4’).

Come accennato in precedenza, il dissipatore di calore composito 330d,330d’,685 può anche essere ottenuto in un corpo unico, grazie ai consolidati processi di stampaggio sopra descritti. Di conseguenza, tali implementazioni possono essere ottenute in maniera estremamente semplice e versatile, in grandi quantità, e con costi contenuti.

Naturalmente, al fine di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, un tecnico del ramo potrà apportare alla soluzione sopra descritta numerose modifiche e varianti logiche e/o fisiche. Più specificamente, sebbene tale soluzione sia stata descritta con un certo livello di dettaglio con riferimento ad una o più sue forme di realizzazione, à ̈ chiaro che varie omissioni, sostituzioni e cambiamenti nella forma e nei dettagli così come altre forme di realizzazione sono possibili. In particolare, diverse forme di realizzazione dell’invenzione possono essere messe in pratica anche senza gli specifici dettagli (come gli esempi numerici) esposti nella precedente descrizione per fornire una loro più completa comprensione; al contrario, caratteristiche ben note possono essere state omesse o semplificate al fine di non oscurare la descrizione con particolari non necessari. Inoltre, à ̈ espressamente inteso che specifici elementi e/o passi di metodo descritti in relazione ad ogni forma di realizzazione della soluzione esposta possono essere incorporati in qualsiasi altra forma di realizzazione come una normale scelta di disegno.

In particolare, considerazioni analoghe si applicano se il dispositivo elettronico e/o il sistema ha una diversa struttura o include componenti equivalenti. In ogni caso, qualsiasi suo componente può essere separato in più elementi, o due o più componenti possono essere combinati in un singolo elemento; inoltre, ogni componente può essere replicato per supportare l’esecuzione delle corrispondenti operazioni in parallelo. Si fa anche notare che (a meno di indicazione contraria) qualsiasi interazione tra diversi componenti generalmente non necessita di essere continua, e può essere sia diretta sia indiretta tramite uno o più intermediari. Ad esempio, il dispositivo elettronico può comprendere differenti piastrine, in ciascuna delle quali può essere integrato un qualsiasi componente, circuito elettronico, e/o modulo elettronico (non necessariamente di potenza).

In generale, il dispositivo elettronico può comprendere un numero maggiore di transistori, a ciascuno dei quali può essere associato un corrispondente dissipatore di calore superiore. In tale configurazione, il dissipatore di calore esterno potrà avere un numero di porzioni dissipative identiche maggiori (una per ogni transistore/dissipatore).

La porzione terminale degli elementi di stabilizzazione potrebbe essere formata in modo da essere sostanzialmente trasversale alla scheda ed essere fissata a quest’ultima in corrispondenza di una sua estremità (oppure attraversarla parzialmente o interamente).

Il numero e l’orientamento degli elementi di stabilizzazione illustrato nelle figure non à ̈ limitativo, in quanto può essere scelto sulla base di parametri progettuali (ad ogni modo, rispettando distanze superficiali ed aeree richieste per un funzionamento sicuro del dispositivo elettronico).

Il dissipatore di calore esterno può essere formato con un numero qualsiasi di alette, o al limite esserne privo. In alternativa, possono essere previste alette sopra la base del dissipatore di calore esterno oppure possono essere previsti elementi di forma differente configurati per aumentare la dissipazione di calore per convezione (ad esempio, a forma troncoconica).

Nulla vieta di formare le alette con ripiegamenti differenti (ad esempio, con la porzione terminale formata in modo da estendersi nella direzione opposta alla superficie libera); inoltre, i ripiegamenti potrebbero essere assenti (con alette semplicemente trasversali alla superficie libera), o in numero differente (ad esempio, un solo ripiegamento, o più di due ripiegamenti).

Anche se non esplicitato nella descrizione, il dissipatore di calore esterno deve essere posizionato opportunamente sul dispositivo elettronico in accordo con specifici parametri progettuali da rispettare. Ad esempio, la porzione 230SXdeve essere posizionata in modo tale che ciascuna delle sue parti (ovvero, la base, le alette e gli elementi di stabilizzazione della porzione 230SX) si trovi almeno ad una prima distanza superficiale (ad esempio, dell’ordine del millimetro) da ciascun piedino di gate corrispondente, e ad almeno una seconda distanza superficiale dalle traversine (ad esempio, ancora dell’ordine dei millimetri e comunque maggiore della prima distanza superficiale, dal momento che, nel funzionamento, le traversine sono tipicamente polarizzate alla stessa tensione del piedino di drain, maggiore della tensione del piedino di gate per evitare l’insorgere di scariche elettriche superficiali lungo le superfici del corpo isolante e/o della PCB). Inoltre, il dissipatore di calore deve rispettare una prima distanza aerea (dell’ordine del millimetro) dal piedino di gate, ed una seconda distanza aerea (ad esempio, dell’ordine dei millimetri, come in precedenza maggiore della prima distanza aerea a causa dell’elevata tensione cui sono polarizzate le traversine rispetto al piedino di gate) dalle traversine per evitare l’insorgere di archi elettrici tra il piedino di gate, o le traversine, ed il dissipatore di calore attraverso il mezzo in cui à ̈ immerso il sistema (ad esempio, aria). La porzione 230DXdeve essere posizionata in modo tale che ciascuna delle sue parti (la base, le alette e gli elementi di stabilizzazione della porzione 230DX) si trovi almeno alla prima distanza superficiale da ciascun piedino di gate, con tale prima distanza superficiale che in tal caso à ̈ sostanzialmente uguale ad una seconda distanza superficiale dalle traversine 125 (dal momento che queste ultime sono polarizzate alla tensione del piedino di source, tipicamente sostanzialmente uguale alla tensione del piedino di gate – per evitare l’insorgere di scariche elettriche superficiali lungo le superfici del corpo isolante e/o della PCB). Inoltre, il dissipatore di calore deve rispettare una prima distanza aerea (dell’ordine del millimetro) dal piedino di gate, stavolta uguale ad una seconda distanza aerea – dell’ordine dei millimetri, a causa della bassa tensione cui sono polarizzate le traversine rispetto al piedino di drain e quindi alle parti della porzione 230DXdel dissipatore che sono ad esso elettricamente connesse – dalle traversine per evitare l’insorgere di archi elettrici tra il piedino di gate, o le traversine, ed il dissipatore di calore attraverso il mezzo in cui à ̈ immerso il sistema (ad esempio, aria). Per questo stesso motivo, le porzioni distali degli elementi di stabilizzazione posteriori hanno in genere una lunghezza maggiore di una lunghezza delle porzioni distali degli elementi di stabilizzazione anteriori. Infatti, gli elementi di stabilizzazione posteriori, allo stesso potenziale elettrico del piedino di source, sono vicini, nel caso della porzione 230SX, alla pista di drain polarizzata dal piedino di drain (il quale solitamente à ̈ ad una tensione molto elevata - ad esempio, nell’ordine delle centinaia di Volt per un transistore di potenza), mentre gli elementi di stabilizzazione posteriori, allo stesso potenziale elettrico del piedino di drain, sono vicini, nel caso della porzione 230DX, alla pista di source polarizzata dal piedino di source (il quale solitamente, analogamente al piedino di gate, à ̈ ad una tensione molto minore - ad esempio, dell’ordine delle centinaia di Volt per un transistore di potenza - delle tensioni a cui à ̈ polarizzato il piedino di drain e le rispettive piste sulla PCB).

Come sottolineato in descrizione, la soluzione in accordo con la presente invenzione non à ̈ limitata a sistemi in cui il dispositivo elettronico à ̈ del tipo a tecnologia a montaggio superficiale (SMT, “Surface Mounting Techniology†); ad esempio, le stesse considerazioni si applicano in maniera equivalente a sistemi comprendenti dispositivi elettronici a tecnologia a montaggio passante (THT, “Through-Hole Technology†).

Il dissipatore di calore esterno composito può essere realizzato in qualsiasi modo utile; ad esempio, esso può essere ottenuto connettendo tra loro un qualsiasi numero e tipo di linguette degli elementi di stabilizzazione, oppure un qualsiasi numero e tipo di porzioni terminali delle alette. Tale connessione può essere indiretta (ovvero, mediante un elemento di connessione come visibile nelle FIGG.5-6), oppure diretta.

Inoltre, il dispositivo elettronico può essere utilizzato in qualsiasi altro circuito elettronico (non necessariamente in circuiti a commutazione), come ad esempio circuiti elettro-meccanici.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un sistema (200,300a-300e) comprendente: un corpo isolante (105) per inglobare almeno una piastrina di materiale semiconduttore in cui à ̈ integrato almeno un componente elettronico, il corpo isolante avendo una superficie di montaggio (115m) per il montaggio del sistema su una scheda, e un primo dissipatore di calore (DISUP,H) connesso ad un terminale di conduzione dell’almeno un componente elettronico ed un secondo dissipatore di calore (DISUP,L) connesso ad un ulteriore terminale di conduzione dell’almeno un componente isolato dal terminale di conduzione, il primo dissipatore di calore ed il secondo dissipatore di calore affacciandosi su una superficie libera (115f) del corpo isolante opposta alla superficie di montaggio per dissipare il calore prodotto dalla piastrina verso l’esterno del sistema, caratterizzato dal fatto che il sistema ulteriormente comprende un dissipatore di calore esterno (230,330a-330e) estendentesi al di sopra della superficie libera, il dissipatore di calore esterno comprendendo una prima porzione dissipativa (230SX,330SXa-330SXe) ed una seconda porzione dissipativa (230DX,330DXa-330DXe) per contattare il primo dissipatore di calore ed il secondo dissipatore di calore sulla superficie libera, rispettivamente, ed una porzione isolante (235,335a-335e,535,635) per isolare elettricamente la prima porzione dissipativa dalla seconda porzione dissipativa, la prima porzione dissipativa e la seconda porzione dissipativa essendo simmetriche rispetto alla porzione isolante.
2. 2. Il sistema secondo la Rivendicazione 1, in cui il dissipatore di calore esterno comprende un base di fissaggio (340a,340d) fissata sulla superficie libera, ed almeno un elemento di stabilizzazione (345a,345c1,345c2,345e,345d1-345d4) estendentesi dalla base di fissaggio oltre un contorno del corpo isolante, l’almeno un elemento di stabilizzazione comprendendo una porzione di montaggio (350a,350c1,350c2,350e,350d1-350d4) che nell’impiego à ̈ fissata alla scheda.
3. 3. Il sistema secondo la Rivendicazione 2, in cui il dissipatore di calore esterno ulteriormente comprende almeno un’aletta (360a1-360a4,360b1-360b4,360d1-360d4) avente una porzione prossimale (365a1-365a4,365b1-365b4,365d1-365d4) estendentesi dalla base di fissaggio sostanzialmente ortogonale alla superficie libera in allontanamento dal corpo isolante, una porzione distale (370a1-370a4,370b1-370b4,370d1-370d4) ripiegata sostanzialmente parallela alla superficie libera, ed una porzione terminale (375a1-375a4,375b1-375b4,375d1-375d4) ripiegata verso la superficie libera.
4. 4. Il sistema secondo la Rivendicazione 3, in cui almeno una dell’almeno una aletta ha una struttura piena o con almeno una apertura di aerazione (380).
5. 5. Il sistema secondo la Rivendicazione 3 o 4, in cui la base di fissaggio à ̈ a forma sostanzialmente quadrata, in cui l’almeno un’aletta comprende tre alette (360a1-360a3,360b1-360b3) ciascuna estendentesi da un rispettivo lato della base di fissaggio, e l’almeno un elemento di stabilizzazione comprende un elemento di stabilizzazione (345a) che si estende dal lato della base di fissaggio non occupato da alcuna aletta, detto elemento di stabilizzazione avendo una porzione sporgente (340sa) che si estende sulla superficie libera oltre un contorno del corpo isolante, ed una porzione intermedia (355a) che connette un’estremità della porzione sporgente alla porzione di montaggio.
6. 6. Il sistema secondo la Rivendicazione 5, in cui l’almeno un elemento di stabilizzazione comprende inoltre due ulteriori elementi di stabilizzazione (345c1,345c2) identici rivolti verso facce laterali opposte del corpo isolante, ciascuno di detti ulteriori elementi di stabilizzazione avendo una rispettiva porzione sporgente (340sc1,340sc2) estendentesi ortogonalmente alla porzione sporgente (340sa) di detto elemento di stabilizzazione, ed una rispettiva porzione di montaggio (350c1,350c2) reciprocamente simmetrica rispetto ad essa.
7. 7. Il sistema secondo la Rivendicazione 3 o 4, in cui la base di fissaggio à ̈ a forma sostanzialmente ottagonale, in cui l’almeno un’aletta comprende una pluralità di alette (360d1-360d4) ciascuna estendentesi da un rispettivo lato non adiacente della base di fissaggio, e l’almeno un elemento di stabilizzazione (345a,345c1,345c2,345e,345d1-345d4) comprende una pluralità di elementi di stabilizzazione (345d1-345d4,345e) ciascuno estendentesi da un rispettivo lato della base di fissaggio non occupato da alcuna aletta.
8. 8. Il sistema secondo la Rivendicazione 7, in cui almeno uno di detta pluralità di elementi di stabilizzazione (345d1-345d4) comprende una ulteriore porzione prossimale (365dF1-365dF4) che si estende dalla base di fissaggio trasversalmente alla superficie libera in allontanamento dal corpo isolante, una ulteriore porzione (370sd1-370sd4) sostanzialmente parallela alla superficie libera e sporgente oltre il contorno del corpo isolante, ed una porzione intermedia (355d1-355d4) trasversale alla superficie libera che si estende verticalmente da un’estremità della porzione sporgente (370sd1-370sd4) verso la porzione di montaggio (350d1-350d4).
9. 9. Una disposizione (400-600) a ponte-intero comprendente un primo semiponte (ML,MH) ed un secondo semi-ponte (ML’,MH’) per pilotare un carico (LLOAD) in maniera differenziale, la disposizione comprendendo: un primo sistema (300a,300d) in accordo con una qualunque delle precedenti Rivendicazioni per implementare il primo semi-ponte, un secondo sistema (300a’,300d’) uguale al primo sistema per implementare il secondo semi-ponte, il dissipatore di calore esterno del primo sistema (330a,330d) essendo connesso al dissipatore di calore esterno del secondo sistema (330a’,330d’) a formare un corrispondente dissipatore di calore esterno composito (330a,330a’,585; 330d,330d’,685).
10. 10. La disposizione secondo la Rivendicazione 9, in cui detto dissipatore di calore esterno composito (330a,330a’,535; 330d,330d’,635) comprende almeno un elemento di connessione (585,685) per connettere il dissipatore di calore esterno del primo sistema al dissipatore di calore esterno del secondo sistema, detto elemento di connessione comprendendo una ulteriore porzione isolante (535,635) per connettere la porzione isolante del primo sistema (335a,335d) alla porzione isolante del secondo sistema (335a’,335d’).