Fondamenti di progettazione dei dissipatori di calore: Principi e migliori pratiche

I dissipatori di calore hanno il compito critico di controllare il calore, mantenendo i dispositivi elettronici a una temperatura accettabile per evitare temperature elevate e conseguenti guasti. Ciò evidenzia l'importanza di bilanciare i principi del dissipatore di calore, come la conduttività termica, l'area superficiale e il tipo di materiale applicabile. La padronanza di questi concetti può aiutare i progettisti a sviluppare dissipatori di calore efficienti per lo smaltimento del calore e l'estensione della durata di vita di componenti e sistemi.

Capire le basi del dissipatore di calore

Che cos'è un dissipatore di calore?

Un dissipatore di calore è un dispositivo di raffreddamento che trasferisce il calore al sistema circostante, evitando che l'oggetto caldo diventi molto più caldo dell'ambiente circostante. In parole povere, il ruolo centrale di un dissipatore di calore è quello di regolare la temperatura del componente entro i limiti massimi consentiti.

Ciò è possibile grazie all'estensione della superficie e alla facilità di dissipazione del calore attraverso la conduzione, la convezione e l'irraggiamento. I dissipatori di calore in elettronica sono utilizzati in applicazioni come CPU, GPU, transistor di potenza o luci LED per garantire che questi componenti non si surriscaldino e non si guastino.

Componenti essenziali del dissipatore di calore

Un dissipatore di calore comprende diversi componenti che svolgono il ruolo di facilitare la dissipazione del calore nei componenti elettronici.

Il base si trova direttamente sui componenti che producono calore, la CPU o il transistor di potenza. In genere è metallico, preferibilmente in alluminio o rame.

Alcuni pinne aderiscono alla base e aumentano l'area di uscita per la convezione del calore verso l'aria o il fluido circostante.

Alcuni progetti includono tubi di calore per favorire il trasferimento del calore dalla base alla sezione alettata.

Il meccanismo di montaggio aiuta a fissare correttamente i dissipatori di calore, e una composto termico comprime i piccoli spazi tra il dissipatore di calore e il componente. Ciò è necessario per ridurre al minimo la resistenza termica.

I fan nei dissipatori di calore attivi migliorano la circolazione dell'aria sulle alette per aumentare la dissipazione del calore. Inoltre, alcuni dissipatori di calore possono incorporare una guardia o involucro per controllare il flusso d'aria attraverso le alette in modo più rigoroso, poiché sono utili in applicazioni di fascia alta o anguste.

Capire la conducibilità termica dei materiali dei dissipatori di calore

La conducibilità termica (k) è una delle proprietà più importanti per determinare l'efficienza di un materiale nel condurre il calore. La conducibilità termica è la quantità di calore (Q) che passa attraverso un materiale in un tempo specifico (t) con un gradiente di temperatura (ΔT) su una particolare distanza (L). Matematicamente, è espressa dalla legge di Fourier sulla conduzione del calore:

Q=-k×A×ΔT/L

Dove: Q= velocità di trasferimento del calore (W, watt), k= conducibilità termica del materiale (W/m-K), A= area della sezione trasversale attraverso la quale scorre il calore (m²).ΔT= variazione di temperatura attraverso il materiale (K) e L = spessore del materiale (m).

La conducibilità termica è importante nell'applicazione dei dissipatori di calore. Migliora il trasferimento di calore dalla fonte di calore, come i componenti elettronici, al dissipatore di calore per distribuire il calore all'ambiente circostante. Una maggiore conducibilità termica nei materiali accelera il flusso di calore e riduce i gradienti di temperatura, aumentando l'efficienza del raffreddamento.

L'area superficiale e il suo ruolo nella dissipazione del calore

L'area superficiale è uno dei parametri più significativi direttamente correlati alla dissipazione del calore nei dissipatori di calore. Maggiore è la quantità di superficie a contatto con il mezzo di raffreddamento, preferibilmente l'aria, migliore sarà il raffreddamento, poiché ci sarà un maggiore scambio di calore. La legge di Newton sul raffreddamento può descrivere la velocità di dissipazione del calore:

Q=h×A×ΔT

dove h rappresenta il coefficiente di trasferimento termico convettivo (W/m²-K).

Questa equazione mostra che, quando il coefficiente di trasferimento di calore convettivo e la differenza di temperatura sono costanti, la velocità di dissipazione del calore è direttamente proporzionale all'area superficiale. Questo perché un'ampia superficie significa molti punti di contatto. Pertanto, una maggiore quantità di calore si trasferisce dal dissipatore all'aria circostante, aumentando l'effetto di raffreddamento.

Tecniche per massimizzare la superficie senza aumentare le dimensioni complessive

Nella maggior parte delle applicazioni, soprattutto nei sistemi compatti o portatili, le dimensioni del dissipatore di calore sono limitate. Sono utili metodi per ottenere un'ampia superficie pur contenendo la struttura.

Una tecnica è rappresentata dall'uso di alette e di gruppi di pin. In questo modo si tende a espandere l'area termica del dissipatore, anche se ciò non influisce molto sulle dimensioni del dissipatore.

I dissipatori a microcanali hanno piccoli passaggi interni e aumentano notevolmente la superficie di dissipazione termica senza aumentare le dimensioni esterne. Una scanalatura o delle fossette possono aumentare l'area su microscala per facilitare il trasferimento di calore senza modificare le dimensioni del dissipatore.

Le strutture ad alette piegate prevedono la piegatura di sottili fogli di metallo in forme ad alette. Esse aumentano la superficie, pur mantenendo l'area complessiva ridotta.

Esistono anche materiali porosi, ad esempio le schiume metalliche, con un'enorme superficie interna per un dato volume. Tuttavia, presentano alcuni problemi con il flusso d'aria e con la caduta di pressione.

Criteri di selezione dei materiali per la progettazione dei dissipatori di calore

La conduttività termica è uno dei parametri più importanti nella scelta del materiale per i dissipatori di calore. Determina la velocità di trasferimento del calore. Uno dei materiali comunemente utilizzati è il rame. Il rame ha una conducibilità termica migliore, pari a circa 390-400 W/m-K. È ideale per le applicazioni di fascia alta ed è altamente conduttivo. Tuttavia, il costo e la densità del rame possono rappresentare una sfida. L'alluminio ha una conducibilità termica relativamente inferiore, pari a circa 200-250 W/m-K. Tuttavia, è relativamente economico e più leggero. Questo rende l'alluminio ideale per un uso universale.

I nuovi materiali, come il grafene, hanno una conducibilità termica che può raggiungere i 5000 W/m-K. Hanno un futuro migliore nella progettazione di HSF con probabilmente il miglior metodo di raffreddamento convenzionale. Altri materiali compositi con elevate prestazioni termiche, come i compositi a matrice metallica e i materiali a cambiamento di fase, suggeriscono possibili impieghi futuri con una migliore efficienza termica e durata. Tuttavia, i compromessi sono critici e richiedono un'attenzione adeguata. Pertanto, la scelta dei materiali adatti richiede la considerazione di alcuni pro e contro relativi ai requisiti specifici dell'applicazione e all'efficienza, al costo, alla massa e alla robustezza.

Meccanismi di trasferimento del calore nella progettazione dei dissipatori di calore

Una progettazione efficace si basa su tre meccanismi principali di trasferimento del calore: Questi includono la conduzione, la convezione e l'irraggiamento.

Conduzione

Nei dissipatori di calore, la conduzione è un processo in cui il calore di un componente si trasferisce attraverso il materiale all'ambiente esterno. La legge di Fourier indica la velocità di trasferimento del calore per conduzione:

Q_conduzione=-k×A×ΔT/L

Il meccanismo è fondamentale perché consente il trasferimento del calore dalla sorgente alla superficie del dissipatore, dove avviene l'ulteriore dissipazione.

La conduzione è un fattore importante. Pertanto, la scelta di un materiale adatto è ideale. Conduttori termici come il rame o l'alluminio sono utili perché consentono il trasferimento di calore dalla sorgente calda alla superficie fredda del modulo Peltier.

Il rame, con una buona conducibilità termica, è ampiamente applicabile alle applicazioni ad alta temperatura. L'alluminio offre opzioni a basso costo con prestazioni termiche ragionevoli.

Inoltre, il progetto deve ottimizzare la resistenza termica mantenendo un buon contatto tra la sorgente di calore e il dissipatore. Ciò è possibile impiegando materiali di interfaccia termica che aiutano a migliorare lo scambio di calore tra le due superfici e a superare l'impedenza termica.

Occorre prestare particolare attenzione alla corretta distribuzione dei percorsi termici ed evitare lacune o aree di contatto non uniformi, in quanto influenzano negativamente la conduzione del calore e la gestione termica.

Convezione

La convezione comporta lo scambio di calore tra una superficie solida e un fluido che scorre sulla superficie, aria o liquido. Comporta il movimento del calore attraverso il fluido ed è descritta dalla legge di Newton sul raffreddamento:

Q_convezione=h×A×ΔT

La convezione è uno dei fattori critici del raffreddamento e determina il grado di dissipazione del calore dalle superfici del dissipatore. Pertanto, è necessario ottenere la massima superficie per migliorare la convezione.

L'uso di alette o di gruppi di pin significa che la superficie disponibile per la dissipazione del calore è maggiore. L'efficienza della convezione è migliorata da una superficie di testa più prominente, poiché esiste una maggiore possibilità di trasferire il calore al fluido circostante.

Inoltre, il flusso intorno al dissipatore di calore deve aumentare il coefficiente termico convettivo. Ciò comporta l'utilizzo di ventole o soffianti per aumentare la portata, contribuendo così a rimuovere il calore a una velocità maggiore.

Radiazioni

Qualsiasi oggetto esposto alle radiazioni sperimenta il trasferimento di calore utilizzando le onde elettromagnetiche senza bisogno di un mezzo. La legge di Stefan-Boltzmann lo descrive:

Q_Radiazioni=ϵ×σ×A×(T_superficie⁴ - T_ambiente⁴)

Dove ϵ= emissività della superficie (adimensionale), σ = costante di Stefan-Boltzmann (5,67×10-8 W/m²-K⁴), A= superficie del dissipatore (m²), T_superficie= temperatura della superficie del dissipatore (K), T_ambiente = temperatura ambiente (K).

Nella progettazione dei dissipatori di calore, l'irraggiamento è uno dei meccanismi più importanti. L'applicazione di rivestimenti e finiture che aumentano l'emissività può migliorare significativamente il trasferimento di calore radiativo. Le superfici a più alta emissività possono irradiare la radiazione termica in modo più efficace, favorendo così la dissipazione del calore. Inoltre, anche le caratteristiche geometriche del dissipatore di calore giocano un ruolo fondamentale nell'efficacia della dissipazione radiativa del calore. Per ottenere un dissipatore di calore efficiente, le caratteristiche espongono il più possibile all'ambiente per la dissipazione del calore. In molti dissipatori di calore, l'ottimizzazione del trasferimento termico radiativo comporta l'uso di rivestimenti ad alta emissività combinati con design geometrici.

Ottimizzazione della geometria e della forma nella progettazione dei dissipatori di calore

Superficie e dissipazione del calore

L'efficienza di un dissipatore di calore dipende in modo significativo dalla superficie del dispositivo, poiché il tasso di trasferimento di calore per convezione dipende dall'area superficiale. Per calcolare la superficie necessaria per un determinato tasso di dissipazione del calore, utilizzare la seguente equazione per i trasferimenti di calore convettivi:

Q=h×A×ΔT

Supponiamo che un dissipatore di calore debba dissipare 50 W, con un coefficiente di trasferimento di calore convettivo h=50 W/m².K. Supponiamo anche che la differenza di temperatura tra il dispositivo elettronico e l'ambiente sia ΔT =55K:

A=Q/hΔT=50/(50×55)=0.01819m² o 182 cm²

Conduzione attraverso un dissipatore di calore

Per calcolare il calore che attraversa il materiale di un dissipatore di calore, utilizzare la legge di Fourier sulla conduzione:

Q_conduzione=-k×A×ΔT/L

Supponiamo di scegliere l'alluminio come materiale, quindi k=205 W/m.K, ΔT=55 K, spessore L=0,01 m e area della sezione trasversale A=0,01 m²A = :

Q_conduzione=-205×0.01819×55/(0.01)=20.509kW

Ottimizzazione della geometria delle alette

Per determinare l'efficacia delle alette in un dissipatore di calore, utilizzare la seguente equazione per calcolare la velocità di trasferimento del calore da una singola aletta:

Q_pinna=(k×A_pinna×ΔT)/L [1/√((h.L)/k)]

Dove A_pinna= Superficie di una singola aletta (m²)

Processo di progettazione del dissipatore di calore

La formulazione del dissipatore di calore comporta diversi processi. Ogni fase richiede particolari calcoli ingegneristici per massimizzare l'efficienza termica.

1. Definire i requisiti:

Per definire le prestazioni del dissipatore, tre fattori critici devono includere il requisito di dissipazione del calore (Q) in watt (W). Ad esempio, se un componente elettronico dissipa 20 W di calore, Q= 20 W. Quindi, determinare la temperatura ambiente (T_a), che è la temperatura dell'ambiente circostante. In genere, Ta = 30^∘C. Inoltre, specificare la temperatura massima di giunzione (T_j) per il funzionamento del componente. Ad esempio, Tj=85^∘C=85^∘Infine, ottenere l'aumento di temperatura desiderato (ΔT) sottraendo la temperatura ambiente dalla temperatura di giunzione.

ΔT=T_j-T_a=85-30=55^oC

2. Calcolare la resistenza termica richiesta (R_th):

Determinare la resistenza termica che il dissipatore deve soddisfare per l'aumento di temperatura desiderato.

R_th=ΔT/Q=55/20=2,75 °C/W

3. Selezionare il tipo e il materiale del dissipatore di calore:

La scelta del tipo e del materiale del dissipatore di calore dipende da fattori quali le temperature, il peso e il costo. Alcuni dei tipi più comuni sono l'alluminio e il rame. Ad esempio, l'alluminio ha una conducibilità termica (k) di circa 205 W/m-K, che lo rende adatto all'uso grazie alla sua efficacia e al suo costo.

4. Determinare la geometria del dissipatore di calore:

Regolare le dimensioni e la forma del dissipatore di calore per soddisfare i livelli di resistenza termica richiesti. La selezione delle opzioni sulla geometria può includere il tipo di aletta, il tipo di pin o entrambi. Per il tipo di aletta, calcolare la distanza tra le alette come:

Spaziatura delle alette=Altezza del dissipatore di calore/numero di alette

5. Eseguire i calcoli termici:

Quando si sceglie il design del dissipatore di calore, assicurarsi che i calcoli della resistenza termica siano stati rispettati. Il coefficiente di trasferimento del calore convettivo dell'aria (h) è solitamente di 10-50 W/m²-K. Calcolare la resistenza termica effettiva come:

R_totale=R_{th, dissipatore di calore}+R_{th, interfaccia}+R_th,junction

Dove R_{th, dissipatore di calore}= resistenza termica del dissipatore, R_{th, interfaccia}= resistenza dell'interfaccia termica, R_{th, giunzione}= resistenza termica dalla giunzione all'interfaccia.

Per il dissipatore di calore:

R_{th, dissipatore di calore}=1/h.A_totale

Dove A_totale=superficie disponibile per la dissipazione del calore.

6. Prototipo e test

Costruire un dissipatore fisico seguendo le informazioni di progetto e valutare i risultati. Saldate il dissipatore al componente elettronico e utilizzate un termometro per misurare il differenziale di temperatura e valutare le prestazioni del dissipatore. Infine, a seconda dei risultati, si possono apportare alcune modifiche al progetto per ottenere la resistenza termica necessaria.

Errori comuni di progettazione e come evitarli

La gestione termica è fondamentale, in particolare nella progettazione di dispositivi elettronici. Tuttavia, diversi errori possono avere un impatto negativo. Un errore comune che la maggior parte delle persone commette è la necessità di avere più spazio sulla superficie del dissipatore di calore per consentire una corretta dissipazione del calore. Un problema nella pratica è che i progettisti devono eseguire calcoli e simulazioni di base per determinare la superficie essenziale per il carico termico. Ciò può comportare un aumento dei regimi di temperatura e persino uno shock termico dei componenti.

Di conseguenza, le interfacce tra la fonte di calore e il dissipatore di calore possono aumentare direttamente la resistenza termica e quindi portare a una bassa dissipazione termica. Inoltre, qualsiasi inadeguatezza delle alette, compresi lo spessore o la distanza tra di esse, può interrompere il flusso d'aria e impedire il trasferimento convettivo del calore, aumentando la temperatura di esercizio. Pertanto, calcoli adeguati e l'uso di strumenti come la fluidodinamica computazionale (CFD) sono utili ai progettisti per prevedere più correttamente l'area superficiale e la geometria delle alette. Per ottenere un trasferimento termico adeguato, è necessario utilizzare TIM di buona qualità e superfici lisce e piane per il contatto.

Conclusione

La progettazione dei dissipatori di calore è fondamentale per raggiungere i limiti termici di funzionamento desiderabili per i componenti elettronici. Un dissipatore di calore adeguato deve incorporare la corretta conducibilità termica, lo spazio d'aria e i materiali come parametri integrali. La loro corretta implementazione aumenta la durata del componente e le prestazioni del sistema.

La conduzione, la convezione e l'irraggiamento svolgono un ruolo fondamentale nel processo di perdita di calore. Pertanto, i principi alla base di questi meccanismi devono essere pienamente compresi.

Migliori materiali e metodi per materiali ad alta conducibilità termica e geometrie nella costruzione di dissipatori di calore possono fornire alti livelli di miglioramento. La ricerca iterativa di nuove possibilità di materiali e design contribuisce ad aumentare lo sviluppo dei prodotti termici.