Con l'aumento del calore rilasciato dai dispositivi microelettronici e la riduzione delle loro dimensioni complessive, la gestione termica diventa un aspetto sempre più cruciale nella progettazione dei prodotti elettronici. L'affidabilità operativa e la durata di vita delle apparecchiature elettroniche sono inversamente proporzionali alla temperatura dei componenti. Nel caso di un tipico dispositivo a semiconduttore di silicio, la correlazione tra affidabilità e temperatura di esercizio mostra che, se la temperatura diminuisce, l'affidabilità e la durata di vita del dispositivo aumentano esponenzialmente. Per questo motivo, è possibile prolungare la durata e migliorare l'affidabilità di un componente controllando efficacemente la sua temperatura di esercizio, assicurandosi che rimanga entro i limiti stabiliti dai progettisti. I dissipatori di calore sono dispositivi utilizzati per migliorare la dissipazione del calore: trasferiscono il calore da una superficie calda, solitamente l'involucro esterno di un componente che produce calore, a un ambiente circostante più freddo , e l'aria è la scelta più comune in questo caso. Per le discussioni che seguono, considereremo l'aria come fluido di raffreddamento. Nella maggior parte dei casi, il trasferimento di calore attraverso l'interfaccia tra la superficie solida e l'aria di raffreddamento è il processo meno efficiente dell'intero sistema, e questa interfaccia solido-aria rappresenta il principale ostacolo alla dissipazione del calore. Un dissipatore di calore riduce questo ostacolo principalmente aumentando la superficie a diretto contatto con l'aria di raffreddamento. Questa maggiore superficie consente due cose: o viene dissipato più calore dal sistema, oppure la temperatura di esercizio del dispositivo si abbassa (a volte entrambe). L'obiettivo principale di un dissipatore di calore, in definitiva, è garantire che la temperatura del dispositivo rimanga al di sotto del livello massimo consentito specificato dal produttore del dispositivo.
Circuito termico
Prima di discutere il processo di selezione del dissipatore di calore, è necessario definire i termini comuni e stabilire il concetto di circuito termico. L'obiettivo è fornire i fondamenti di base del trasferimento di calore ai lettori che non hanno familiarità con l'argomento. Le notazioni e le definizioni dei termini sono le seguenti: Q: potenza totale o velocità di dissipazione del calore in W, rappresenta la velocità di dissipazione del calore dal componente elettronico durante il funzionamento. Ai fini della selezione di un dissipatore di calore, viene utilizzata la massima dissipazione di potenza operativa. Tj: temperatura massima di giunzione del dispositivo in °C. I valori ammissibili di Tj vanno da 115 °C nelle tipiche applicazioni di microelettronica fino a 180 °C per alcuni dispositivi di controllo elettronici. In applicazioni speciali e militari, valori compresi tra 65 °C e 80 °C non sono rari. Tc: temperatura del contenitore del dispositivo in °C. Poiché la temperatura del contenitore di un dispositivo dipende dal punto di misurazione, di solito rappresenta la temperatura locale massima del contenitore. Ts: temperatura del dissipatore in °C. Anche in questo caso, rappresenta la temperatura massima di un dissipatore di calore nel punto più vicino al dispositivo. Ta: temperatura dell'aria ambiente in °C. Utilizzando le temperature e il tasso di dissipazione del calore, una misura quantitativa dell'efficienza del trasferimento di calore attraverso due posizioni di un componente termico può essere espressa in termini di resistenza termica R, definita come
R = ΔT/Q
Dove ΔT è la differenza di temperatura tra le due posizioni. L'unità di misura della resistenza termica è °C/W, che indica l'aumento di temperatura per unità di velocità di dissipazione del calore. Questa resistenza termica è analoga alla resistenza elettrica Re, data dalla legge di Ohm:
Re = ΔV/I
Dove ΔV è la differenza di tensione e I la corrente.
Consideriamo un caso semplice in cui un dissipatore di calore è montato su un contenitore di dispositivo come mostrato in Figura 1. Utilizzando il concetto di resistenza termica , è possibile disegnare un circuito termico semplificato di questo sistema, come mostrato anche in figura. In questo modello semplificato, il calore fluisce in serie dalla giunzione al contenitore, quindi attraverso l'interfaccia nel dissipatore di calore e viene infine dissipato dal dissipatore di calore nel flusso d'aria. La resistenza termica tra la giunzione e il contenitore di un dispositivo è definita come
Rjc = (ΔTjc)/Q = (Tj – Tc)/Q
Questa resistenza è specificata dal produttore del dispositivo. Sebbene il valore Rjc di un dato dispositivo dipenda da come e dove viene impiegato il meccanismo di raffreddamento sul package, di solito è indicato come un valore costante. È anche accettato che Rjc sia al di là della capacità dell'utente di modificarlo o controllarlo. Analogamente, la resistenza tra case e dissipatore e tra dissipatore e ambiente è definita come
Rcs = (ΔTcs)/Q = (Tc – Ts)/Q
Rsa = (ΔTsa)/Q = (Ts – Ta)/Q
rispettivamente. Qui, Rcs rappresenta la resistenza termica attraverso l'interfaccia tra l'involucro e il dissipatore di calore ed è spesso chiamata resistenza di interfaccia. Questo valore può essere migliorato sostanzialmente a seconda della qualità della finitura della superficie di accoppiamento e/o della scelta del materiale di interfaccia . Rsa è la resistenza termica del dissipatore di calore. Ovviamente, la resistenza totale giunzione-ambiente è la somma di tutte e tre le resistenze:
Rja = Rjc + Rcs + Rsa = (Tj – Ta)/Q
Resistenza termica richiesta del dissipatore di calore
Per iniziare la selezione del dissipatore di calore, il primo passo è determinare la resistenza termica del dissipatore di calore necessaria per soddisfare i criteri termici del componente. Riorganizzando l'equazione precedente, la resistenza del dissipatore di calore può essere facilmente ottenuta come
Rsa = ((Ts – Ta)/Q) – Rjc – Rcs
In questa espressione, Tj, Q e Rjc sono forniti dal produttore del dispositivo, mentre Ta e Rcs sono parametri definiti dall'utente. La temperatura dell'aria ambiente Ta per il raffreddamento delle apparecchiature elettroniche dipende dall'ambiente operativo in cui si prevede che il componente venga utilizzato. Tipicamente, varia da 35 a 45 °C, se si utilizza aria esterna, e da 50 a 60 °C, se il componente è racchiuso in un contenitore o è posizionato in prossimità di un'altra apparecchiatura che genera calore. La resistenza di interfaccia Rcs dipende dalla finitura superficiale, dalla planarità, dalla pressione di montaggio applicata, dall'area di contatto e, naturalmente, dal tipo di materiale di interfaccia e dal suo spessore. Il valore preciso di questa resistenza, anche per un dato tipo di materiale e spessore, è difficile da ottenere, poiché può variare notevolmente con la pressione di montaggio e altri parametri dipendenti dal caso. Tuttavia, dati più affidabili possono essere ottenuti direttamente dai produttori di materiali o dai produttori di dissipatori di calore . I valori tipici per i materiali di interfaccia più comuni sono riportati nella Tabella 1.
Una volta identificati tutti i parametri sul lato destro dell'espressione Rsa, si ottiene la resistenza termica massima richiesta per un dissipatore di calore per l'applicazione. In altre parole, il valore di resistenza termica di un dissipatore di calore scelto per l'applicazione deve essere uguale o inferiore al valore Rsa affinché la temperatura di giunzione venga mantenuta al di sotto o al di sotto della Tj specificata.
Selezione del dissipatore di calore
Nella scelta di un dissipatore di calore adeguato che soddisfi i criteri termici richiesti, è necessario esaminare diversi parametri che influenzano non solo le prestazioni del dissipatore stesso, ma anche le prestazioni complessive del sistema. La scelta di un particolare tipo di dissipatore di calore dipende in gran parte dal budget termico disponibile e dalle condizioni esterne circostanti. È importante sottolineare che non è possibile assegnare un singolo valore di resistenza termica a un dato dissipatore di calore, poiché la resistenza termica varia in base alle condizioni di raffreddamento esterne. Nella scelta di un dissipatore di calore, è necessario classificare il flusso d'aria come naturale, misto a basso flusso o forzato ad alto flusso. La convezione naturale si verifica in assenza di flusso indotto esternamente e il trasferimento di calore si basa esclusivamente sul flusso d'aria libero che circonda il dissipatore. La convezione forzata si verifica quando il flusso d'aria è indotto meccanicamente, solitamente da una ventola o un soffiatore. Non esiste una distinzione netta sulla velocità del flusso che separi i regimi di flusso misto e forzato. Nelle applicazioni è generalmente accettato che l'effetto della forza di galleggiamento sul trasferimento di calore complessivo si riduca a un livello trascurabile (inferiore al 5%) quando la velocità del flusso d'aria indotto supera 1-2 m/s (da 200 a 400 lfm). Il passo successivo consiste nel determinare il volume necessario di un dissipatore di calore a tubo di calore . La Tabella 2 mostra gli intervalli approssimativi della resistenza termica volumetrica di un tipico dissipatore di calore in diverse condizioni di flusso.
Il volume di un dissipatore di calore a alette sagomate per una data condizione di bassa pressione può essere ottenuto dividendo la resistenza termica volumetrica per la resistenza termica richiesta. La Tabella 2 deve essere utilizzata solo come guida per scopi di stima all'inizio del processo di selezione. I valori di resistenza effettivi possono variare al di fuori dell'intervallo sopra indicato a seconda di molti parametri aggiuntivi, come le dimensioni effettive del dissipatore di calore, il tipo di dissipatore, la configurazione del flusso, l'orientamento, la finitura superficiale, l'altitudine, ecc. I valori più piccoli sopra indicati corrispondono a un volume del dissipatore di calore di circa 100-200 cm³ (5-10 in³) e quelli più grandi a circa 1000 cm³ (60 in³). Gli intervalli tabulati sopra riportati presuppongono che il progetto sia stato ottimizzato per una data condizione di flusso. Sebbene vi siano molti parametri da considerare nell'ottimizzazione di un dissipatore di calore, uno dei più critici è la densità delle alette. In un dissipatore di calore a alette planari, la spaziatura ottimale delle alette è strettamente correlata a due parametri: la velocità del flusso e la lunghezza delle alette nella direzione del flusso. La Tabella 3 può essere utilizzata come guida per determinare la spaziatura ottimale delle alette di un dissipatore di calore a alette planari in un'applicazione tipica.
Le prestazioni medie di un tipico dissipatore di calore sono linearmente proporzionali alla larghezza del dissipatore nella direzione perpendicolare al flusso e approssimativamente proporzionali alla radice quadrata della lunghezza delle alette nella direzione parallela al flusso. Ad esempio, un aumento della larghezza di un dissipatore di calore di un fattore due aumenterebbe la capacità di dissipazione del calore di un fattore due, mentre e la aumenterebbero di un fattore 1.4. Pertanto, se la scelta è possibile, è vantaggioso aumentare la larghezza del dissipatore di calore piuttosto che la sua lunghezza. Inoltre, l'effetto del trasferimento di calore per irraggiamento è molto importante nella convezione naturale, in quanto può essere responsabile fino al 25% della dissipazione totale del calore. A meno che il componente non sia rivolto verso una superficie più calda nelle vicinanze, è indispensabile che le superfici di estrusione del dissipatore di calore siano verniciate o anodizzate per migliorare l'irraggiamento.
Tipi di dissipatori di calore
I dissipatori di calore possono essere classificati in base ai metodi di fabbricazione e alla forma finale. I tipi più comuni di dissipatori di calore raffreddati ad aria includono:
1. Dissipatori di calore stampati: Lamiere di rame o alluminio vengono stampate nelle forme desiderate. Sono utilizzati nel raffreddamento ad aria tradizionale dei componenti elettronici e offrono una soluzione economica ai problemi termici a bassa densità. Sono adatti alla produzione di grandi volumi, poiché attrezzature avanzate con stampaggio ad alta velocità riducono i costi. Ulteriori opzioni per il risparmio di manodopera, come connettori, clip e materiali di interfaccia, possono essere applicate in fabbrica per contribuire a ridurre i costi di assemblaggio della scheda. Le alette dopo lo stampaggio possono essere nichelate in superficie e quindi saldate alla piastra di base del dissipatore di calore. Questo metodo di saldatura dei dissipatori di calore è favorevole alla dissipazione del calore dei chip ad alta potenza nei veicoli.
2. Dissipatore di calore per estrusione : questi consentono la formazione di complesse forme bidimensionali in grado di dissipare elevati carichi termici. Possono essere tagliati, lavorati e personalizzati con diverse opzioni. Un taglio trasversale permette di realizzare dissipatori di calore con alette rettangolari omnidirezionali, mentre l'aggiunta di alette dentellate migliora le prestazioni di circa il 10-20%, ma con una velocità di estrusione inferiore. I limiti di estrusione, come il rapporto tra l'altezza delle alette e lo spessore dell'intercapedine, solitamente determinano la flessibilità delle opzioni di progettazione. Con un'estrusione standard è possibile ottenere un rapporto altezza/intercapedine tipico fino a 6 e uno spessore minimo delle alette di 1.3 mm. Un rapporto di 10 a 1 e uno spessore delle alette di 0.8" possono essere raggiunti con caratteristiche di progettazione dello stampo specifiche. Tuttavia, all'aumentare del rapporto di aspetto, la tolleranza di estrusione risulta compromessa.
3. Dissipatore di calore con alette incollate /alette realizzate su misura: La maggior parte dei dissipatori di calore ad aria è limitata dalla convezione e le prestazioni termiche complessive di un dissipatore di calore ad aria possono spesso essere migliorate significativamente se è possibile esporre una maggiore superficie al flusso d'aria. Questi dissipatori di calore ad alte prestazioni utilizzano una resina epossidica conduttiva caricata con alluminio per incollare alette planari su una piastra di base estrusa scanalata. Questo processo consente un rapporto altezza alette/spazio tra di esse molto maggiore, da 20 a 40, aumentando notevolmente la capacità di raffreddamento senza aumentare i requisiti di volume.
4. Fusione : Sono disponibili processi di fusione in sabbia, a nucleo perso e pressofusione, con o senza vuoto, in alluminio o rame/bronzo. Questa tecnologia è utilizzata nei dissipatori di calore a alette ad alta densità che offrono massime prestazioni con raffreddamento a getto d'aria. I dissipatori di calore prodotti con questo processo di pressofusione sono generalmente utilizzati come involucri nel settore delle telecomunicazioni. Dissipano il calore attraverso un'ampia superficie. Fungono sia da componenti strutturali ed estetici che da dispositivi di dissipazione del calore, con bassi costi di produzione.
5. Dissipatore di calore a alette ricavate per fresatura : Un dissipatore di calore a alette ricavate per fresatura è un componente per la gestione termica ad alta efficienza, realizzato tramite un processo di "fresatura" di precisione: sottili alette ravvicinate vengono tagliate e formate direttamente da un blocco di metallo solido (spesso alluminio o rame) senza giunzioni. Questa struttura monoblocco riduce al minimo la resistenza termica tra la base e le alette, consentendo un rapido trasferimento di calore all'aria. La sua fitta e uniforme disposizione delle alette aumenta la superficie di dissipazione del calore, rendendolo ideale per il raffreddamento di microelettronica ad alta potenza come CPU o moduli LED, dove lo spazio e le prestazioni termiche sono fondamentali.
5. Dissipatore di calore a heat pipe : Un dissipatore di calore a heat pipe è una soluzione avanzata per la gestione termica che integra heat pipe, ovvero tubi cavi sigillati riempiti con un fluido a cambiamento di fase (ad esempio, acqua o etanolo), in una struttura alettata tradizionale. Il suo funzionamento si basa sul principio della transizione di fase: il fluido assorbe calore e vaporizza in corrispondenza della sorgente di calore (ad esempio, una CPU), si sposta verso la sezione alettata più fredda per condensarsi e rilasciare calore, quindi ritorna per capillarità ripetendo il ciclo. Questo meccanismo consente un trasferimento di calore su lunghe distanze molto più rapido rispetto al metallo solido, rendendo il dissipatore di calore estremamente efficace per il raffreddamento di componenti elettronici ad alta potenza, dove è essenziale una rapida dissipazione del calore su lunghe distanze, come nei PC da gioco, nei controller industriali o nei sistemi di illuminazione a LED.
La Figura 2 mostra l'intervallo tipico delle funzioni di costo per diversi tipi di dissipatori di calore in termini di resistenza termica richiesta. Figura 2: Costo in funzione della resistenza termica richiesta
Grafico delle prestazioni termiche
I grafici delle prestazioni tipici pubblicati dai fornitori di dissipatori di calore sono mostrati in Figura 3. I grafici sono composti da due curve separate che sono state combinate in un'unica figura. Si presume che il dispositivo da raffreddare sia montato correttamente e che il dissipatore di calore sia nella sua posizione di montaggio normalmente utilizzata rispetto alla direzione del flusso d'aria. Il primo grafico che va da in basso a sinistra a in alto a destra è la curva di convezione naturale dell'aumento di temperatura del dissipatore di calore, ΔTsa, in funzione di Q. Le curve di convezione naturale presuppongono anche che il dissipatore di calore sia verniciato o anodizzato nero. La curva da in alto a sinistra a in basso a destra è la curva di convezione forzata della resistenza termica in funzione della velocità dell'aria. Nella convezione forzata, ΔTsa è linearmente proporzionale a Q, quindi Rsa è indipendente da Q e diventa una funzione solo della velocità del flusso. Tuttavia, il fenomeno della convezione naturale è non lineare, rendendo necessario presentare ΔTsa in funzione di Q.
È possibile utilizzare i grafici delle prestazioni per identificare il dissipatore di calore e, per le applicazioni a convezione forzata, per determinare la velocità minima del flusso che soddisfa i requisiti termici. Se la resistenza termica richiesta in un'applicazione a convezione forzata è, ad esempio, di 8 °C/W, la curva di resistenza termica in funzione della velocità del flusso riportata sopra indica che la velocità deve essere pari o superiore a 2.4 m/s (470 lfm). Per le applicazioni a convezione naturale, la resistenza termica richiesta Rsa può essere moltiplicata per Q per ottenere il massimo ΔTsa ammissibile. L'aumento di temperatura di un dissipatore di calore scelto deve essere uguale o inferiore al massimo ΔTsa ammissibile allo stesso Q.
Si ricorda ai lettori che le curve di convezione naturale presuppongono un orientamento opzionale del dissipatore di calore rispetto alla gravità. Inoltre, la velocità del flusso nel grafico di convezione forzata rappresenta la velocità del flusso di avvicinamento senza tenere conto dell'effetto del bypass di flusso. Sono state condotte poche ricerche2,3 sull'argomento del bypass di flusso. Questi studi dimostrano che il bypass di flusso può ridurre le prestazioni di un dissipatore di calore fino al 50% a parità di velocità del flusso a monte. Per ulteriori approfondimenti sull'argomento, si rimanda i lettori ai riferimenti citati. Quando un dispositivo è sostanzialmente più piccolo della piastra di base di un dissipatore di calore, è presente una resistenza termica aggiuntiva, chiamata resistenza di diffusione, che deve essere considerata nel processo di selezione. I grafici delle prestazioni generalmente presuppongono che il calore sia distribuito uniformemente su tutta la superficie di base del dissipatore di calore e, pertanto, non tengono conto dell'aumento di temperatura aggiuntivo causato da una fonte di calore più piccola. Questa resistenza di diffusione potrebbe in genere essere compresa tra il 5 e il 30% della resistenza totale del dissipatore di calore e può essere stimata utilizzando la semplice espressione analitica sviluppata nel Riferimento 4. Un altro criterio di progettazione da considerare nella selezione di un dissipatore di calore è l'effetto dell'altitudine. Mentre la temperatura dell'aria di un ambiente interno è normalmente controllata e non è influenzata dalle variazioni di altitudine, la pressione dell'aria interna varia con l'altitudine. Poiché molti sistemi elettronici sono installati ad altitudini elevate, è necessario ridurre le prestazioni del dissipatore di calore principalmente a causa della minore densità dell'aria causata dalla minore pressione dell'aria ad altitudini più elevate. La Tabella 5 mostra i fattori di declassamento delle prestazioni per dissipatori di calore tipici ad altitudini elevate. Ad esempio, per determinare le prestazioni termiche effettive di un dissipatore di calore ad altitudini diverse dal livello di tenuta, i valori di resistenza termica letti dai grafici delle prestazioni devono essere divisi per il fattore di declassamento prima di confrontarli con la resistenza termica richiesta.
