L’elaborato in questione ha come argomento principale l’analisi termica di dissipatori di calore utilizzabili nel processo di raffreddamento di componenti elettronici. I dissipatori termici sono dispositivi progettati per dissipare il calore generato da componenti elettronici ed elettrici, evitando il surriscaldamento e garantendo il corretto funzionamento dei circuiti.
Il dissipatore trasferisce il calore dal componente a una superficie di maggiore area, favorendo lo scambio termico con l’ambiente circostante. Non utilizzano componenti attivi per il raffreddamento, ma dissipano il calore attraverso alette in metallo ad alta conducibilità termica (alluminio, rame).
Introduzione
I componenti elettronici, durante il loro funzionamento, producono inevitabilmente calore, che viene sprecato in energia inutilizzata. Per molti componenti e batterie, la temperatura deve essere tenuta sotto controllo, pena un decadimento delle prestazioni o, addirittura, la loro distruzione. Il funzionamento a freddo è sempre da preferire e i progettisti adottano diversi accorgimenti per abbassare i valori di calore. Nella maggior parte delle applicazioni elettroniche la temperatura è un fattore da tenere costantemente sott’occhio nella progettazione del sistema.
Le perdite di commutazione e di conduzione possono riscaldare il materiale di giunzione al di sopra della Tjmax e causare guasti, anche molto importanti. I progettisti devono, dunque, studiare il funzionamento del dispositivo in modo che la temperatura, anche in condizioni critiche, non superi la Tjmax. La temperatura di esercizio dovrebbe essere sempre mantenuta al minimo. Anche le batterie generano calore che deve essere assolutamente dissipato. Una batteria è composta da celle che riescono a erogare una certa quantità di energia. La produzione di calore è, pertanto, inevitabile. Le reazioni chimiche che avvengono all’interno sono esotermiche, pertanto il calore che emette una batteria è proporzionale alla sua potenza.
Negli anni, i passi in avanti sono stati importanti, sia per quanto riguarda l’adozione di nuovi materiali termicamente conduttivi adottati che per le variegate forme e dimensioni dei dissipatori, agevolati anche grazie all’utilizzo di software di simulazione che prevedono la combinazione di tanti parametri fisici ed elettrici, per un miglior dimensionamento possibile. Il mercato offre decine di tipologie diverse di dissipatori: profili saldati, dissipatori standard, dissipatori di calore ad alta efficienza e assemblati vengono scelti dai progettisti per la realizzazione di circuiti di ricarica ad alta efficienza e per risolvere le problematiche del caso.
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Dissipazione e Resistenza Termica
La gestione termica dovrebbe essere effettuata immediatamente, in fase di progettazione della scheda, e non dopo. La maggior parte dei circuiti elettronici si danneggiano proprio per problemi termici. La durata di tutti i dispositivi a semiconduttore, infatti, è inversamente proporzionale alla loro temperatura di esercizio. Per un funzionamento a lunga durata occorre garantire un adeguato raffreddamento del dispositivo.
La conduzione è il trasferimento di energia termica su un materiale come, ad esempio, l’Alluminio. La convezione è il trasferimento di energia termica da una superficie calda a un fluido in movimento (per esempio aria, acqua, ecc.) a una temperatura inferiore. E’ la modalità di trasferimento più difficile da caratterizzare con formule ed equazioni matematiche. La radiazione è il trasferimento di energia termica sotto forma di onde elettromagnetiche. Risulta più efficiente in ambiente sottovuoto.
Il calore generato all’interno del componente elettronico deve essere trasferito all’esterno, passando attraverso molti livelli. Il sistema termico formato dalla giunzione, dall’involucro del componente, dall’interfaccia termica, dal dissipatore e dall’ambiente opera come un insieme di resistenze elettriche. In questo caso è il calore a transitare più o meno agevolmente, invece della corrente elettrica. Ogni livello contribuisce a frenare, sempre di più, il calore ed è proprio per questo motivo che i materiali scelti dovrebbero possedere la più bassa resistenza termica.
Una delle formule utilizzate serve per determinare la resistenza termica del dissipatore di calore, affinché si mantenga bassa la temperatura di giunzione del componente elettronico.
Il Materiale Fa la Differenza
I materiali con elevata conduttività termica e bassa espansione sono da preferire per la realizzazione dei dissipatori di calore. Per lo stato stazionario, tuttavia, viene osservato solo il parametro della conduttività termica. La conducibilità termica è la potenza termica che passa attraverso una superficie di area unitaria con spessore unitario, per una differenza di temperatura pari a un grado Celsius. I materiali in Alluminio e Rame sono, probabilmente, i più utilizzati nella produzione di dissipatori di calore per la loro elevata conduttività termica.
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Alluminio Contro Rame
L’Alluminio è il metallo più utilizzato per la realizzazione dei dissipatori di calore, ma a volte viene utilizzato anche il Rame. Esaminiamo diversi criteri di valutazione per scoprire pregi e difetti dei due materiali.
- Il Rame è termicamente più conduttivo dell’Alluminio.
- Per quanto riguarda i costi, l’Alluminio è molto più economico del Rame. Mediamente il prezzo è di circa un terzo. Scegliendo l’Alluminio estruso si ha un notevole risparmio sui costi.
- Anche il peso ha la sua influenza nella scelta finale. La densità dell’Alluminio è di circa il 30% di quella del Rame. Ciò si traduce in strutture di dissipazione molto leggere.
La lega di Alluminio 1050A ha una conducibilità termica molto elevata ma è meccanicamente “morbida”. L’Alluminio può essere estruso, ma il Rame no. Il costo e il peso sono determinanti per la preferenza dell’Alluminio. Anche i costi di produzione e lavorazione dell’Alluminio sono nettamente inferiori. Si adotta il Rame quando la necessità di una maggiore conducibilità termica è preponderante e pone in secondo piano gli altri criteri. Esso risulta realmente utile solo se il dissipatore di calore opera in combinazione con un efficiente raffreddamento ad aria.
Centinaia di Tipologie
Il mercato mette a disposizione dei progettisti decine di migliaia di tipologie diverse di dissipatori di calore. Inoltre le aziende possono creare modelli totalmente personalizzati, per materiali, forme, pesi e ingombri. Alcuni profili sono utilizzati come contenitori che, essendo alettati, hanno anche la funzione di dissipatori di calore.
Dissipatori in Alluminio
I dissipatori in Alluminio costituiscono i prodotti più utilizzati per le soluzioni termiche. Inoltre tale elemento è il più comune nella crosta terrestre, dopo l’ossigeno e il silicio. Le ottime sue caratteristiche ne agevolano l’adozione in maniera imponente. Un dissipatore in Alluminio è un ottimo conduttore di calore. La lega A6061 (detta anche Alluminio aeronautico) ha una conduttività termica di 167 W/m-K ed è tipicamente utilizzato per i dissipatori di calore lavorati mentre la lega A6063 è normalmente utilizzata per dissipatori di calore estrusi. Sebbene le proprietà termiche siano inferiori a quelle del Rame, un dissipatore in Alluminio pesa circa la metà di un conduttore di Rame avente la stessa conduttività e risulta meno costoso.
L’Alluminio reagisce con l’ossigeno nell’aria per formare uno strato estremamente sottile di ossido di alluminio. L’anodizzazione aumenta lo spessore dello strato di ossido e migliora la resistenza della protezione naturale dalla corrosione.
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Dissipatori in Rame
I dissipatori in Rame integrale sono utilizzati quando i dissipatori in Alluminio risultano insufficienti per diverse applicazioni. Le alette, opportunamente dimensionate, si applicano alla base per ottenere il migliore risultato. Il Rame risulta molto più pesante e costoso dell’Alluminio pertanto questi dissipatori si dovrebbero utilizzare solo quando quelli tradizionali non riescono a soddisfare le esigenze più specifiche.
Altre Tipologie di Dissipatori
- Dissipatori a liquido: si può ricorrere ai dissipatori a liquido quando il carico termico è talmente elevato da non consentire l’impiego di un dissipatore ad aria. Un dissipatore ad acqua è composto da un piatto in Alluminio e da un sistema di canalizzazione in tubi di Rame opportunamente curvati.
- Dissipatori a pettine: I profili a pettine sono i più diffusi dissipatori per le applicazioni elettroniche. A volte è possibile rifilare o saldare insieme diversi elementi al fine di ottenere profili con dimensioni diverse.
- Dissipatori per PCB per alte temperature: Nei casi in cui occorre disperdere il calore dei dispositivi ad alta temperatura è possibile utilizzare dissipatori speciali con ventole integrate (fansink).
Dissipazione del Calore delle Batterie
Per quanto riguarda le batterie agli ioni di Litio, la loro temperatura interna non deve superare gli 80-90° C. Il calore generato al suo interno, per via delle reazioni chimiche, deve essere dissipato per allungare la sua vita media e aumentare la quantità di energia. Per i materiali utilizzati, in via generale, occorre ricordare che un buon isolante elettrico raramente è un eccellente conduttore termico. La scelta di materiali segue, dunque, un compromesso tra proprietà dielettriche, classe termica, costo e caratteristiche meccaniche. Tra le tecniche utilizzate si possono elencare i film termicamente conduttivi, i nastri adesivi termici o nastri termoadesivi, le pastiglie termiche e i mastici e le paste termiche. Esistono anche conduttori termici in forma liquida, i “gap fillers”, utilizzati per riempire spazi vuoti. Essi eliminano le bolle d’aria che costituiscono ottimi isolanti termici.
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