Come stare al fresco: principi base sulla selezione e applicazione di un dissipatore di calore

La continua miniaturizzazione dei componenti elettronici - in particolare microprocessori e microcontroller - ha portato all'aumento della densità di calore. Una conseguenza di questa evoluzione è che la progettazione e la gestione termica è ora una delle principali preoccupazioni della progettazione, poiché la durata, l'affidabilità e le prestazioni sono inversamente correlate alla temperatura di funzionamento di un dispositivo. È quindi compito dei progettisti capire profondamente come gestire efficacemente il calore e conoscere le soluzioni disponibili per la dissipazione termica, per mantenere la temperatura di funzionamento di un dispositivo entro i limiti stabiliti dal fornitore.

I dissipatori di calore funzionano aumentando la superficie del dispositivo esposto al liquido di raffreddamento (aria). Se montati correttamente, i dissipatori di calore riducono la temperatura di un dispositivo migliorando il trasferimento di calore all'aria ambiente più fredda oltre il confine solido-aria.

Questo articolo spiega come scegliere un dissipatore di calore e fornisce una guida alla corretta progettazione, alla selezione dei componenti e alle best practice per ottenere eccellenti prestazioni di raffreddamento. Saranno utilizzate come esempi pratici le soluzioni di dissipazione del calore di Ohmite.

Il circuito termico

La potenza viene dissipata sotto forma di calore dalle giunzioni attive i transistor all'interno di un circuito integrato (CI), con la temperatura della giunzione proporzionale alla potenza dissipata. I produttori specificano la massima temperatura di giunzione, anche se in genere si aggira intorno ai 150 °C. Il superamento di questa temperatura di giunzione comporta generalmente danni al dispositivo, per cui i progettisti devono trovare il modo di allontanare il più possibile il calore dal CI. A tale scopo, possono contare su un modello piuttosto semplice per misurare il flusso di calore, simile alla legge di Ohm per i calcoli elettrici basati sul concetto di resistenza termica, simboleggiato da θ (Figura 1).

Figura 1: Il modello di circuito termico per un CI con un dissipatore di calore basato sul concetto di resistenza termica simboleggiato da θ. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La resistenza termica è la resistenza che incontra il calore quando passa da un mezzo all'altro. Si misura in unità di gradi Celsius per watt (°C/W) ed è definita come:

 Equazione 1

Dove:

θ è la resistenza termica attraverso una barriera termica in °C/W.

∆T è la differenza di temperatura attraverso la barriera termica in °C.

P è la potenza in watt dissipata nella giunzione.

Guardando la disposizione fisica del CI e del dissipatore di calore, vi sono una serie di interfacce termiche. La prima è tra la giunzione e l'involucro del CI, che è modellato dalla resistenza termica θ_jc.

Il dissipatore di calore viene fissato al CI mediante un materiale di interfaccia termica (TIM), una pasta termica o un nastro termico, per migliorare la conducibilità termica tra i due dispositivi. Questo strato, che è generalmente a bassa resistenza, è modellato come parte della resistenza termica dall'involucro al dissipatore caso, θ_cs. Lo stadio finale è l'interfaccia del dissipatore di calore con l'ambiente circostante, θ_sa.

Le resistenze termiche sono aggiunte in serie proprio come i resistori di un circuito elettronico. La somma di tutte le resistenze termiche produce la resistenza termica totale dalla giunzione all'aria ambiente.

La resistenza termica dalla giunzione all'involucro è generalmente specificata, implicitamente o esplicitamente, dal fornitore del CI. La specifica può assumere la forma di una massima temperatura dell'involucro, eliminando uno degli elementi di resistenza termica. Il progettista che applica il CI non ha alcun controllo sulla caratteristica di resistenza termica da giunzione a involucro. Il progettista, tuttavia, ha la possibilità di selezionare le caratteristiche del TIM e del dissipatore di calore necessarie per raffreddare il CI in modo da mantenere la temperatura della giunzione al di sotto del valore massimo specificato. In generale, più bassa è la resistenza termica del TIM e del dissipatore di calore, più bassa è la temperatura dell'involucro del CI raffreddato.

Esempio di selezione del dissipatore di calore

Ohmite offre la serie BG di dissipatori di calore progettati per funzionare con BGA o PBGA, unità di elaborazione centrale (CPU), unità di elaborazione grafica (GPU) o processori simili con ingombri quadrati (Figura 2).

Figura 2: I dissipatori di calore serie BG sono adatti ai CI in contenitore BGA, ad esempio CPU, GPU e altri con un ingombro quadrato simile. (Immagine per gentile concessione di Ohmite)

La linea offre dieci modelli di dissipatori di calore, con ingombri che corrispondono alle comuni configurazioni di CI da 15 x 15 mm a 45 x 45 mm e aree alettate che vanno da 2.060 a 10.893 mm² (Tabella 1). Questi dissipatori di calore a norma RoHS sono realizzati in lega di alluminio 6063-T5 anodizzato nero.

Tabella 1: La serie BG ha un'area alettata da 2.060 a 20.893 mm². (Tabella per gentile concessione di DigiKey)

I valori di resistenza termica nella tabella riguardano il raffreddamento per convezione naturale. La convezione forzata con l'ausilio di una ventola abbassa la resistenza termica proporzionalmente alla velocità dell'aria di raffreddamento. Il raffreddamento ad aria forzata può ridurre la resistenza termica di un fattore due o tre a uno (Figura 3).

Figura 3: Le prestazioni termiche dei dissipatori di calore serie BG di Ohmite per il raffreddamento ad aria forzata. (Immagine per gentile concessione di Ohmite)

Materiali di interfaccia termica

Nel caso della serie BG di Ohmite, il materiale di interfaccia termica utilizzato tra l'involucro del CI e il dissipatore di calore è un nastro termico biadesivo, fornito con il dissipatore di calore. L'uso del nastro biadesivo semplifica l'installazione in quanto il nastro non richiede alcuna progettazione o fabbricazione meccanica.

I TIM sono solitamente specificati dalla loro conducibilità termica in unità di watt per metro-Celsius (W/(m°C)) o watt per metro-Kelvin (W/(m°K)). La resistenza termica dello strato TIM dipende dallo spessore del nastro e dall'area su cui viene applicato. La resistenza termica può essere calcolata utilizzando l'equazione:

 Equazione 2

Dove:

Lo spessore è espresso in metri.

L'area è espressa in metri quadrati (^m2).

La conducibilità termica è espressa in W/(m°C) o in W/(m°K).

Celsius e Kelvin sono intercambiabili perché entrambi utilizzano lo stesso incremento unitario di misura della temperatura, ed è la differenza di temperatura che viene calcolata (ad esempio, una variazione di 10 °C di temperatura equivale ad una variazione di 10 °K di temperatura).

Osservando il dissipatore di calore BGAH150-075E da 15 x 15 x 7,5 mm di Ohmite (collegato a un dispositivo da 15 x 15 mm), l'area del TIM è di 225 mm² (225 E^-6m²). Lo spessore del nastro termico fornito è di 0,23 mm o 0,00023 m. La conducibilità termica specificata è di 1,4 W/(m°K). Utilizzando questi valori dell'Equazione 2 si ottiene:

 Equazione 3

La resistenza termica del TIM sarà generalmente molto più piccola di quella del dissipatore di calore e più bassa per i dissipatori di calore con un'area di ingombro maggiore.

La determinazione della resistenza termica minima necessaria in un dissipatore di calore per mantenere il CI entro il suo limite di temperatura parte dal CI stesso. Si consideri un CI di 15 x 15 mm con una temperatura massima specificata del contenitore di 85 °C, che nel funzionamento normale dissipa 2 W in un contenitore con una temperatura ambiente di 45 °C.

La determinazione della dissipazione di potenza per un processore può essere difficile a causa dell'ampia gamma di modalità operative. Alcuni produttori cercano di semplificare specificando la potenza termica di progetto o TDP. TDP è la potenza dissipata quando è in esecuzione una "applicazione reale". L'idoneità di questa classificazione è discutibile, in quanto dipende dall'applicazione. È anche possibile determinare la massima dissipazione di potenza facendo riferimento ai requisiti di corrente di alimentazione per ciascuna delle tensioni di alimentazione della CPU. Questo valore può essere superiore alla dissipazione descritta da TDP. I progettisti dovrebbero consultare i dati tecnici del fornitore per determinare la migliore stima della dissipazione di potenza nominale di un CI.

Tornando all'esempio, la minima resistenza termica (θ) del dissipatore richiesto e del TIM possono essere determinate utilizzando l'equazione 4:

 Equazione 4

BGAH150-075E di Ohmite ha una resistenza termica di 18 °C/W; con la resistenza aggiunta del TIM, 0,73 °C/W, il totale è di 18,73 °C/W. Questo valore è inferiore alla minima resistenza termica calcolata e pertanto è adeguato. Se si seleziona questo dissipatore di calore, sulla base di un calcolo inverso utilizzando l'equazione 1 con la temperatura ambiente mantenuta costante, la temperatura massima stimata dell'involucro sarebbe di 82,5 °C.

Come dissipatore di calore alternativo, selezionando BGAH150-125E di Ohmite che misura 15 x 15 x 12,5 mm e ha una superficie maggiore grazie a una maggiore altezza delle alette, si riduce la resistenza termica totale del dissipatore di calore e TIM a 11 °C/W. Ciò abbasserebbe la temperatura dell'involucro a circa 67 °C a quasi parità di costo, ma con un margine di temperatura maggiore.

Altre considerazioni potrebbero essere lo spazio disponibile per il dissipatore di calore o l'eventuale necessità di una ventola di raffreddamento.

Conclusione

La selezione del dissipatore di calore è relativamente semplice dal punto di vista termico. Come mostrato, i dissipatori di calore serie BG di Ohmite sono una valida soluzione per i problemi di raffreddamento dei CI in contenitore BGA.