Consideriamo un componente elettronico che produca di per sé calore: durante il funzionamento, la sua temperatura salirà fino a che il calore prodotto all'interno del dispositivo eguaglierà quello disperso nel suo intorno e finché il dispositivo avrà raggiunto il punto di equilibrio. Il tasso di perdita di calore da parte di un oggetto caldo è governato in modo approssimativo dalla legge di raffreddamento di Newton, legge che afferma che il tasso di raffreddamento è proporzionale alla differenza di temperatura fra il corpo e l'ambiente che lo circonda. Appena la temperatura del componente sale, aumenta la perdita di calore; quando la perdita di calore al secondo eguaglia il calore prodotto al secondo all'interno del componente, il dispositivo avrà raggiunto la sua temperatura di equilibrio. Questa temperatura può essere sufficientemente alta da abbreviare in modo significativo la vita del componente o anche da far sì che il componente si guasti. È in quei casi che devono essere presi provvedimenti per la gestione del calore.
Le stesse considerazioni possono essere applicate a un intero circuito o a un dispositivo che includa singoli componenti che producono calore.
Il tasso di dispersione di calore sarà più elevato nel caso di ventilazione forzata rispetto a quello in aria stagnante; uno dei modi per controllare la temperatura di un dispositivo o di un circuito è quindi quello di incorporare uno o più ventilatori per aumentare il flusso d'aria in circolazione. Assicurando un'adeguata ventilazione generale si abbasserà la temperatura di funzionamento di un circuito, anche se quest'ultimo si trova in uno spazio angusto privo di aperture di ventilazione.
Uno dei punti su cui si può sorvolare è che la ridotta densità dell'atmosfera alle maggiori altitudini operative comporta un minor trasferimento effettivo di calore verso l'ambiente esterno, con conseguente maggior temperatura operativa del dispositivo.
Maggiori dimensioni, maggiore dissipazione
Il calore è disperso da un componente verso l'ambiente esterno attraverso la superficie del componente stesso. Il tasso di dispersione di calore aumenta con l'area superficiale del componente: un piccolo dispositivo che produca 10 W raggiungerà una temperatura più alta rispetto a un altro di analoga potenza, ma dotato di un'area superficiale più grande. Un modo per limitare la temperatura di funzionamento è quindi quello di aumentare artificialmente l'area superficiale. Ciò avviene dotando il dispositivo di un dissipatore metallico di calore. I dissipatori di calore possono essere realizzati per stampaggio, estrusione o fusione e sono generalmente fabbricati utilizzando rame, alluminio o loro leghe; in ogni caso il dissipatore di calore deve sempre essere costituito da un buon conduttore di calore.
Spesso i dissipatori di calore hanno una struttura alettata per massimizzare l'area disponibile al fine di dissipare quanto più possibile il calore verso l'esterno. I dissipatori di calore saranno più efficaci se l'intera unità è ben ventilata, oppure, meglio ancora, se il flusso forzato d'aria è applicato ricorrendo a uno o più ventilatori.
È praticamente impossibile realizzare dissipatori di calore, oppure componenti con superfici di accoppiamento perfettamente piane; pertanto, quando le due parti vengono in contatto fra loro, queste toccheranno fra di loro le relative sporgenze e si creerà una piccola intercapedine fra le due, ciò spesso su gran parte della superficie complessiva. L'aria è un cattivo conduttore di calore; l'interfaccia rappresenta quindi una barriera termica che limita l'efficienza della dispersione di calore dal dispositivo. È per superare questo effetto che si utilizzano composti per il trasferimento di calore.
I composti per il trasferimento di calore
I composti per il trasferimento di calore sono progettati per riempire il gap fra il dispositivo e il dissipatore di calore, riducendo così la resistenza termica nella zona di confine fra i due. Questo comporta dispersioni di calore più rapide verso il dissipatore di calore e una minor temperatura operativa del componente.
I composti per il trasferimento di calore possono essere di vari tipi. Electrolube produce una gamma di paste conduttive di calore che possono essere applicate per far fuoriuscire l'aria dall'interfaccia componente/dissipatore di calore.
Questi composti consistono di riempitivi minerali conducenti calore caricati dentro un fluido portante - il fluido può essere o meno a base di silicone. Le paste a base di silicone, come le HTS e HTSP di Electrolube, hanno in genere temperature operative più elevate rispetto alle corrispondenti paste non siliconiche, HTC e HTCP.
I composti a base di silicone possono però causare problemi con alcuni circuiti, poiché il silicone migra molto rapidamente e può causare contaminazione, ad esempio sui contatti dei relè. Aumentando il contenuto di riempitivi minerali, oppure cambiando il tipo di riempitivo usato, è possibile modificare la conduttività termica di paste termicamente conduttive. Le versioni “P” delle paste sopra citate hanno un carico di riempitivo più elevato e contengono una speciale miscela di vari riempitivi, per massimizzare la conduttività termica. In genere, le paste a più alta conduttività termica hanno una viscosità più elevata e ciò può comportare una maggior difficoltà di dispensazione.
Paste conduttive
Le paste termicamente conduttive restano allo stato pastoso e ciò facilita lo smontaggio di componenti per la loro sostituzione o riparazione. In alcuni casi può essere utile usare un materiale di trasferimento termico che polimerizzi fino a diventare solido. Il prodotto TCR di Electrolube è una resina RTV siliconica caricata con una miscela proprietaria di riempitivi minerali: quando viene applicata fra il dissipatore di calore e il dispositivo, questa polimerizza diventando gommosa sotto l'effetto dell'umidità atmosferica.
Il prodotto TBS di Electrolube è una resina epossidica bicomponente, che polimerizza diventando solida e salda fra di loro il dissipatore di calore e il componente. Ciò può essere vantaggioso per alcuni tipi di dispositivo, ma comporterà problemi per il loro smontaggio. Con qualsiasi materiale termicamente conduttivo è molto importante assicurare che l'interfaccia fra dispositivo e dissipatore di calore sia completamente riempita e che l'aria sia stata espulsa.
Questo avviene normalmente applicando una certa quantità di composto al centro della superficie di accoppiamento del dispositivo o del dissipatore di calore; si uniscono poi le due parti trattenendole in modo che le superfici di accoppiamento siano parallele. È bene controllare la quantità di materiale applicato in modo che ne sia presente una quantità sufficiente per assicurare l'espulsione di tutta l'aria, ma non così tanta da far fuoriuscire materiale dai bordi dell'interfaccia.
Questo obiettivo è raggiunto più facilmente se si usa l'apparecchiatura automatica per la dispensazione e il montaggio.
Assicurarsi che tutta l'aria fuoriesca dall'interfaccia porta ad abbassare sia la resistenza termica sia la temperatura di funzionamento del dispositivo. Più alta è la conduttività termica della pasta, o della resina, più bassa sarà la resistenza termica e, quindi, più bassa sarà la temperatura di funzionamento. Il composto termicamente conduttivo per il trasferimento di calore avrà una conduttività termica minore di quella del materiale con cui è realizzato il dissipatore di calore; pertanto, mantenendo il più sottile possibile lo spessore del film sull'interfaccia si ridurrà la resistenza termica e, di conseguenza, la temperatura di funzionamento.
È comunque importante assicurarsi che la riduzione di spessore non dia luogo a gap d'aria nel film. È possibile controllare attentamente lo spessore del film includendo nella pasta o nella resina delle piccolissime sfere di vetro (ballotini) di diametro controllato.
Lo spessore del gap verrà così determinato dal diametro di queste mini sfere. È auspicabile assicurare un buon contatto fra il dispositivo e il dissipatore di calore ricorrendo a dadi o a fermagli.
Conoscendo la conduttività termica del composto per il trasferimento di calore - spessore dello strato di composto e area di contatto del dissipatore di calore - è possibile calcolare la resistenza termica verso l'esterno e, quindi, la temperatura di lavoro di equilibrio per il dispositivo. Deve anche essere nota la potenza del dispositivo e devono essere fatte assunzioni circa la temperatura raggiunta dal dissipatore di calore.
Gestire i circuiti
Per la circuiteria che genera calore può essere adeguato assicurare il controllo termico inglobandola dentro una scatola metallica, con o senza alette di raffreddamento, integrali o attaccate, usando un composto termicamente conduttivo per inglobamento.
Electrolube produce numerosi materiali di quel tipo; i più conosciuti sono le resine bicomponente ER 2074 e ER 2183. Ancora una volta è importante assicurare che non vi siano inclusioni d'aria durante l'operazione di inglobamento, poiché queste interferiranno con il trasferimento di calore verso il contenitore metallico.
Se non è richiesta l'altissima conduttività termica delle due resine citate, può essere adeguato l'uso di un composto di inglobamento caricato per uso generale come l'ER 2188.
I riempitivi minerali hanno una conduttività termica più alta di quella della resina di base; per quanto riguarda il controllo del calore, le resine caricate sono pertanto migliori di quelle non caricate. Più alto è il livello di riempitivo più elevata sarà la conduttività termica. Livelli più alti di riempitivo comporteranno però una viscosità più elevata e una maggior possibilità di inclusioni d'aria nell'inglobamento stesso.
Controlli diversi
Altri metodi molto particolari per il controllo della temperatura consistono nell'uso di liquido di raffreddamento e anche di dispositivi a effetto Peltier.
Il normale raffreddamento tramite liquido implica la circolazione di un fluido raffreddante in stretta vicinanza con il dispositivo: i liquidi sono più efficaci dell'aria nel trasferimento di calore. Un perfezionamento del raffreddamento con liquido consiste nell'uso di condotti di calore.
Con i condotti di calore un fluido raffreddante è vaporizzato sul componente caldo e il vapore fluisce poi verso un'area fredda dove viene condensato. Il calore latente di evaporazione del fluido fornisce un efficacissimo raffreddamento del componente; questo principio viene usato con grande efficacia nei frigoriferi. L'effetto Peltier si presenta quando una corrente continua passa attraverso la giunzione di due metalli dissimili - se la corrente fluisce in una direzione la giunzione si riscalda, se invece il flusso va nella direzione opposta la giunzione si raffredda.
Al momento sono stati trovati semiconduttori che presentano questo effetto; per il raffreddamento può essere quindi usato un array di tali componenti.
Tutti questi dispositivi di raffreddamento richiedono l'uso di materiali termicamente conduttivi sull'interfaccia con il componente da raffreddare, per escludere l'aria termicamente isolante e aumentare l'efficienza del trasferimento di calore verso il sistema di raffreddamento. Anche il lato caldo del dispositivo di raffreddamento può richiedere l'uso di dissipatori per dissipare il calore.
L'aumento della miniaturizzazione in elettronica implica che i problemi di dissipazione del calore diventeranno sempre più importanti nel futuro. Una gestione termica più efficace comporterà senz'altro una maggiore affidabilità e una miglior aspettativa di vita del componente.
