Il trucchetto per dimensionare i dissipatori di calore per la tecnologia moderna

Per gli ingegneri, il problema scottante – in senso letterale – è creare progetti elettronici che diventino i più gettonati della stagione. Ogni componente elettronico produce calore, che si accumula in un dispositivo. Se la temperatura diventa troppo elevata, i circuiti possono danneggiarsi in modo permanente e il dispositivo potrà essere usato solo come un fermacarte.

Per evitare tutto questo, gli ingegneri devono garantire che ogni componente funzioni a una temperatura sicura. Tipicamente, per dimensionare i dissipatori di calore in modo appropriato si ricorre a un calcolo semplice. Questi calcoli approssimativi sono davvero la soluzione ideale?

Come calcolare le dimensioni dei dissipatori di calore con un metodo tradizionale

Con alcuni presupposti di partenza e semplificazioni, il trasferimento di calore tra un componente elettronico e l'atmosfera può essere modellato tramite il calcolo seguente:

Q è la potenza totale dissipata dal sistema. T_A è la temperatura dell'area circostante, T_J è la temperatura del componente alla sua giunzione e R_ϑ,T è la resistenza termica totale del sistema. Quando non viene utilizzato un dissipatore di calore, l'unica interfaccia è quella tra il componente e l'ambiente circostante. Quindi, R_ϑ,T è uguale a R_ϑ,JA, ossia la resistenza termica tra la giunzione e l'aria.

Il dispositivo IGBT STGF7NB60SL classificato a 600 V, 15 A e 25 W in un contenitore TO-220FP. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Supponiamo che il componente in questione sia STGF7NB60SL, un IGBT classificato a 600 V, 15 A e 25 W in un contenitore TO-220FP di STMicroelectronics. Nella sua scheda tecnica, si legge che R_ϑ,JA è pari a 62,5 °C/W e la sua temperatura di funzionamento massima T_J,max è di 150 °C. Supponendo che dissipi 2 W e che l'aria sia di 50 °C, a causa delle sorgenti di calore circostanti, stando ai calcoli risulta che T_J è di 175 °C. Questo valore è ben al di sopra dei margini di sicurezza del componente, quindi è necessario ricorrere a un dissipatore di calore.

Oltre al dissipatore di calore, il sistema richiede anche un materiale di interfaccia termica (TIM). Le superfici del dispositivo e del dissipatore di calore sono ruvide, almeno al microscopio, e creano un traferro. Se l'aria riempie questo spazio, fungerà da isolante. Il TIM è una pasta termoconduttiva che riempie il traferro.

Le aggiunte di un dissipatore di calore e del TIM sono visibili nello schema seguente.

Un dissipatore di calore montato sull'involucro di un semiconduttore. Il flusso di calore, le temperature e le resistenze termiche nello schema (sinistra) possono essere modellati come una rete di resistori in serie (destra). (Immagine per gentile concessione di Aavid Thermalloy in data di pubblicazione, ora BOYD)

Per calcolare R_ϑ,T è necessario considerare tutte le singole resistenze termiche tra l'involucro, la giunzione, il TIM e il dissipatore di calore come resistori in serie. In altre parole, R_ϑ,JC, R_ϑ,CS e R_ϑ,SA devono essere sommati per trovare la resistenza totale. Pertanto il calcolo diventa:

R_ϑ,JC è facile da trovare, poiché è riportato nella stessa scheda tecnica di R_ϑ,JA. Secondo il documento, R_ϑ,JC è di 5 °C/W.

Supponiamo che per il sistema venga selezionato il dissipatore di calore 507302B00000G, progettato per raffreddare un dispositivo TO-220 da 2,5 W a 60 °C di BOYD. Secondo la scheda tecnica, con una dissipazione di 2 W per convezione naturale, la temperatura aumenterà di 50 °C. Pertanto, R_ϑ,SA = 50 °C/2 W = 25 °C/W.

507302B00000G è un dissipatore di calore in alluminio progettato per raffreddare un dispositivo TO-220 da 2,5 W a 60 °C. (Immagine per gentile concessione di BOYD)

Per quanto riguarda il TIM, si potrebbe optare per Thermalcote, un composto termico siliconico di BOYD, con una conducibilità termica (k) di 0,765 W/(m °C). Supponendo uno spessore di 1 mm (L), R_ϑ,CS può essere calcolato utilizzando l'area superficiale del dissipatore di calore (A = 19,05 x 19,05 mm).

Thermalcote, un composto termico siliconico. (Immagine per gentile concessione di BOYD)

Quindi, inserendo tutti i valori nell'equazione:

T_J è ora pari a 117,2 °C, ben al di sotto della temperatura massima nominale del dispositivo. Pertanto, questo dissipatore di calore è una buona scelta per garantire il funzionamento del componente. Ma è la scelta migliore?

Le simulazioni potrebbero essere la risposta

I calcoli sopra riportati sono ancora una buona strada in molte situazioni. Tuttavia, l'elettronica sta diventando sempre più leggera, più piccola, più complessa, più potente e più competitiva. Gli ingegneri devono quindi ottimizzare i dispositivi commerciali e il modo in cui vengono raffreddati, per ridurre i costi e migliorarne l'affidabilità. In questo caso, calcoli approssimativi non bastano.

Inoltre, questi calcoli si basano su presupposti di partenza che potrebbero non bastare quanto più i dispositivi elettronici si riducono di dimensioni. Alcuni esempi sono la temperatura atmosferica di 50 °C e la dissipazione termica uniforme attraverso il dissipatore di calore.

Infine, cosa succede se si aggiunge un flusso d'aria forzata?Il modello non considera il modo in cui l'aria fluisce all'interno dello spazio confinato o come ciò possa incidere sulle prestazioni.

Il modo migliore per comprendere appieno il trasferimento di calore nei moderni dispositivi elettronici consumer – e quindi dimensionare in modo ottimale dissipatori di calore e ventole – è quello di utilizzare le simulazioni. Grazie alla simulazione, gli ingegneri non dovranno più analizzare ogni componente singolarmente, ma potranno modellare il flusso di calore attraverso l'intero dispositivo. Ciò consente loro di ottimizzare al meglio i progetti, i dissipatori di calore e le ventole. Tra le soluzioni software di simulazione più diffuse figurano Simcenter Flotherm, Ansys Icepak, Celsius Studio, Altair SimLab, SimScale e SolidWorks Flow Simulation. Per maggiori informazioni sui dissipatori di calore supportati da questi applicativi per la simulazione, fare clic qui.