Fundamentos da conceção de dissipadores de calor: Princípios e Melhores Práticas

Os dissipadores de calor têm a função crítica de controlo térmico, mantendo os dispositivos electrónicos a uma temperatura aceitável para evitar temperaturas elevadas e subsequentes falhas. Este facto realça a importância de equilibrar princípios no dissipador de calor, tais como a condutividade térmica, a área de superfície e o tipo de material aplicável. O domínio destes conceitos pode ajudar os projectistas a desenvolverem dissipadores de calor eficientes para dissipar o calor e prolongar a esperança de vida dos componentes e sistemas.

Compreender os princípios básicos do dissipador de calor

O que é um dissipador de calor?

Um dissipador de calor é um dispositivo de arrefecimento que transfere o calor para o sistema circundante, evitando que o objeto quente fique muito mais quente do que o seu ambiente. Em termos simples, o papel central de um dissipador de calor é regular a temperatura do componente dentro dos limites máximos permitidos.

Cumpre este objetivo através de uma área de superfície alargada e facilita a dissipação de calor por condução, convecção e radiação. Os dissipadores de calor em eletrónica estão presentes em aplicações como CPUs, GPUs, transístores de potência ou luzes LED para garantir que esses componentes não sobreaquecem e falham.

Componentes essenciais do dissipador de calor

Um dissipador de calor inclui vários componentes que desempenham o papel de facilitar a dissipação de calor em componentes electrónicos.

O base assenta diretamente sobre os componentes que produzem calor, a CPU ou o transístor de potência. É geralmente metálico, de preferência de alumínio ou cobre.

Alguns barbatanas aderem à base e aumentam a área de saída para a convecção de calor para o ar ou fluido circundante.

Alguns modelos incluem tubos de calor para ajudar a transferir o calor da base para a secção alhetada.

O mecanismo de montagem ajuda a fixar corretamente os dissipadores de calor, e um composto térmico comprime os pequenos espaços entre o dissipador de calor e o componente. Isto é necessário para minimizar a resistência térmica.

Fãs em dissipadores de calor activos aumentam a circulação de ar sobre as alhetas para melhorar a dissipação de calor. Além disso, alguns dissipadores de calor podem incorporar um guarda ou caixa para controlar o fluxo de ar através das alhetas de forma mais rigorosa, uma vez que são úteis em aplicações topo de gama ou apertadas.

Compreender a condutividade térmica em materiais de dissipadores de calor

A condutividade térmica (k) é uma das propriedades mais essenciais para determinar a eficiência com que um material conduz o calor. A condutividade térmica é a quantidade de calor (Q) que passa através de um material num determinado tempo (t) com um gradiente de temperatura (ΔT) ao longo de uma determinada distância (L). Matematicamente, é expressa pela Lei de Fourier da Condução de Calor:

Q=-k×A×ΔT/L

Onde: Q= taxa de transferência de calor (W, watts), k= condutividade térmica do material (W/m-K), A= área da secção transversal através da qual o calor flui (m²).ΔT= variação de temperatura através do material (K) e L = espessura do material (m).

A condutividade térmica é importante na aplicação do dissipador de calor. Aumenta a transferência de calor da fonte de calor, como os componentes electrónicos, para o dissipador de calor para distribuir o calor pelo ambiente circundante. A condutividade térmica mais elevada dos materiais acelera o fluxo de calor e reduz os gradientes de temperatura, aumentando a eficiência do arrefecimento.

Área de superfície e o seu papel na dissipação de calor

A área de superfície é um dos parâmetros mais significativos diretamente relacionados com a dissipação de calor nos dissipadores de calor. Quanto maior for a área de superfície em contacto com o meio de arrefecimento, de preferência o ar, melhor será o arrefecimento, uma vez que haverá uma maior troca de calor. A lei de Newton do arrefecimento pode descrever a taxa de dissipação de calor:

Q=h×A×ΔT

em que h representa o coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m²-K).

Esta equação mostra que, quando o coeficiente de transferência de calor por convecção e a diferença de temperatura são constantes, a taxa de dissipação de calor é diretamente proporcional à área da superfície. Isto deve-se ao facto de uma grande área de superfície significar muitos pontos de contacto. Assim, mais calor é transferido do dissipador de calor para o ar circundante, aumentando o efeito de arrefecimento.

Técnicas para maximizar a área de superfície sem aumentar o tamanho total

Na maioria das aplicações, sobretudo em sistemas compactos ou portáteis, o tamanho do dissipador de calor é limitado. São úteis métodos que permitam obter uma grande área de superfície e, ao mesmo tempo, conter a estrutura.

Uma técnica é a utilização de aletas e conjuntos de pinos. Isto tende a expandir a área térmica do dissipador de calor, embora não afecte muito o tamanho do dissipador de calor.

Os dissipadores de calor de microcanais têm pequenas passagens internas e aumentam consideravelmente a área de superfície para dissipação térmica sem aumentar as dimensões exteriores. Uma ranhura ou covinhas podem aumentar a área à microescala para facilitar a transferência de calor sem alterar as dimensões do dissipador de calor.

As estruturas de aletas dobradas incluem a dobragem de folhas metálicas finas em formas de aletas. Estas estruturas aumentam a área de superfície, mantendo a área total reduzida.

Além disso, existem materiais porosos, por exemplo, espumas metálicas com uma enorme área de superfície interna para um determinado volume. No entanto, têm alguns problemas com o fluxo de ar e com a queda de pressão.

Critérios de seleção de materiais para a conceção de dissipadores de calor

A condutividade térmica é um dos parâmetros mais importantes na seleção do material para os dissipadores de calor. Determina a taxa de transferência de calor. Um dos materiais normalmente utilizados é o cobre. O cobre tem uma melhor condutividade térmica de cerca de 390 - 400 W/m-K. É ideal para aplicações topo de gama e é altamente condutor. No entanto, o custo e a densidade do cobre podem colocar desafios. O alumínio tem uma condutividade térmica relativamente mais baixa, de ~200-250W/m-K. No entanto, é relativamente económico e mais leve. Isto torna o alumínio ideal para uma utilização geral.

Novos materiais, como o grafeno, têm uma condutividade térmica de até 5000 W/m-K. Estes materiais têm um futuro melhor na conceção de FH, sendo provavelmente o melhor método de arrefecimento convencional. Outros materiais compósitos com elevado desempenho térmico, como os compósitos de matriz metálica e os materiais de mudança de fase, sugerem possíveis utilizações futuras com melhor eficiência térmica e durabilidade. No entanto, as soluções de compromisso são críticas e exigem cuidados adequados. Por conseguinte, a escolha de materiais adequados requer a consideração de certos prós e contras sobre requisitos de aplicação específicos e eficiência, custo, massa e robustez.

Mecanismos de transferência de calor na conceção de dissipadores de calor

Uma conceção eficaz assenta em três mecanismos primários de transferência de calor: Estes incluem a condução, a convecção e a radiação.

Condução

Nos dissipadores de calor, a condução é um processo através do qual o calor de um componente é transferido através do material para o ambiente externo. A Lei de Fourier dá a taxa de transferência de calor devido à condução:

Q_condução=-k×A×ΔT/L

O mecanismo é crucial porque permite a transferência de calor da fonte para a superfície do dissipador de calor, onde ocorre a dissipação posterior.

A condução é um fator importante. Por isso, o ideal é escolher um material adequado. Os condutores térmicos, como o cobre ou o alumínio, são úteis porque permitem a transferência de calor da fonte quente para a superfície fria do dissipador do módulo Peltier.

O cobre, com boa condutividade térmica, é amplamente aplicável a aplicações de alta temperatura. O alumínio oferece opções de baixo custo com um desempenho térmico razoável.

Além disso, a conceção deve também otimizar a resistência térmica, mantendo um bom contacto entre a fonte de calor e o dissipador de calor. Isto é possível através da utilização de materiais de interface térmica que ajudam a melhorar a troca de calor entre as duas superfícies e a ultrapassar a impedância térmica.

Deve ser dada especial atenção à distribuição adequada das vias térmicas e evitar lacunas ou áreas de contacto não uniformes, uma vez que estas influenciam negativamente a condução do calor e a gestão térmica.

Convecção

A convecção envolve a troca de calor entre uma superfície sólida e um fluido que flui sobre a superfície, seja ar ou líquido. Envolve o movimento do calor através do fluido e é descrito pela Lei do Arrefecimento de Newton:

Q_convecção=h×A×ΔT

A convecção é um dos factores críticos no arrefecimento e determina o grau de dissipação do calor para longe das superfícies do dissipador de calor. Assim, é necessária uma área de superfície máxima para melhorar a convecção.

A utilização de alhetas ou conjuntos de pinos significa que existe mais área de superfície disponível para a dissipação de calor. A eficiência da convecção é melhorada com uma superfície de cabeça mais proeminente, uma vez que existe uma maior possibilidade de transferência de calor para o fluido circundante.

Além disso, o fluxo em torno do dissipador de calor deve aumentar o coeficiente térmico convectivo. Isto implica a utilização de ventiladores ou sopradores para aumentar os caudais, o que ajuda a remover o calor a um ritmo mais rápido.

Radiação

Qualquer objeto exposto à radiação sofre uma transferência de calor através de ondas electromagnéticas sem necessitar de um meio. A lei de Stefan-Boltzmann descreve este fenómeno:

Q_Radiação=ϵ×σ×A×(T_superfície⁴ - T_ambiente⁴)

Em que ϵ= a emissividade da superfície (sem dimensões), σ = constante de stefan-boltzmann (5,67×10-8 W/m²-K⁴), A= área da superfície do dissipador de calor (m²), T_superfície= temperatura da superfície do dissipador de calor (K), T_ambiente = temperatura ambiente (K).

Na conceção de dissipadores de calor, a radiação é um dos mecanismos mais importantes. A aplicação de revestimentos e acabamentos que aumentam a emissividade pode melhorar significativamente a transferência de calor por radiação. Superfícies com maior emissividade podem irradiar radiação térmica de forma mais eficaz, ajudando assim na dissipação de calor. Além disso, a caraterística geométrica do dissipador de calor também desempenha um papel vital na eficácia da dissipação de calor por radiação. Para obter um dissipador de calor eficiente, as caraterísticas expõem o máximo possível ao ambiente para dissipação de calor. Em muitos dissipadores de calor, a otimização da transferência térmica radiativa envolve a utilização de revestimentos de elevada emissividade combinados com desenhos geométricos.

Otimização da geometria e da forma na conceção de dissipadores de calor

Área de superfície e dissipação de calor

A eficiência de um dissipador de calor depende significativamente da superfície do dispositivo, uma vez que a taxa de transferência de calor por convecção depende da área da superfície. Para calcular a área de superfície necessária para uma determinada taxa de dissipação de calor, utilize a seguinte equação para transferências de calor por convecção:

Q=h×A×ΔT

Suponha que um dissipador de calor deve dissipar 50 W, com um coeficiente de transferência de calor por convecção h=50 W/m².K. Suponha também que a diferença de temperatura entre o dispositivo eletrónico e o ambiente é ΔT =55K:

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

Condução através de um dissipador de calor

Para calcular o calor através de um material dissipador de calor, utilize a lei de condução de Fourier:

Q_condução=-k×A×ΔT/L

Suponhamos que escolhemos o alumínio como material, então k=205 W/m.K, ΔT=55 K, e espessura L=0,01 m, e área da secção transversal A=0,01 m²A = :

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

Otimização da geometria das alhetas

Para determinar a eficácia das alhetas num dissipador de calor, utilize a seguinte equação para calcular a taxa de transferência de calor de uma única alheta:

Q_barbatana=(k×A_barbatana×ΔT)/L [1/√((h.L)/k)]

Onde A_barbatana= Área de superfície de uma única alheta (m²)

Processo de conceção do dissipador de calor

A formulação do dissipador de calor envolve vários processos. Cada fase exige cálculos de engenharia específicos para ajudar a maximizar a eficiência térmica.

1. Definir os requisitos:

Para definir o desempenho do dissipador de calor, três factores críticos devem incluir o requisito de dissipação de calor (Q) em watts (W). Por exemplo, se um componente eletrónico dissipar 20 W de calor, Q= 20 W. Em seguida, determine a temperatura ambiente (T_a), que é a temperatura do ambiente circundante. Normalmente, Ta = 30^∘C. Especifique também a temperatura máxima da junção (T_j) para o funcionamento do componente. Por exemplo, Tj=85^∘C=85^∘Por último, chegue ao aumento de temperatura desejado (ΔT) subtraindo a temperatura ambiente à temperatura da junção.

ΔT=T_j-T_a=85-30=55^oC

2. Calcular a resistência térmica necessária (R_th):

Determine a resistência térmica que o dissipador de calor deve cumprir para o aumento de temperatura desejado.

R_th=ΔT/Q=55/20=2,75 °C/W

3. Selecione o tipo e o material do dissipador de calor:

A seleção do tipo e do material do dissipador de calor depende de factores como a resistência térmica, o peso e o custo. Alguns dos tipos mais comuns são o alumínio e o cobre. Por exemplo, o alumínio tem uma condutividade térmica (k) de cerca de 205 W/m-K, o que o torna adequado para utilização devido à sua eficácia e custo.

4. Determinar a geometria do dissipador de calor:

Ajustar o tamanho e a forma do dissipador de calor para satisfazer os níveis de resistência térmica necessários. A seleção das opções na geometria pode incluir o tipo de aleta, o tipo de pino ou ambos. Para o tipo de aleta, calcular o espaçamento das aletas como:

Espaçamento das alhetas=Altura do dissipador de calor/Número de alhetas

5. Efetuar cálculos térmicos:

Ao selecionar o design do dissipador de calor, certifique-se de que os cálculos de resistência térmica foram cumpridos. O coeficiente de transferência de calor por convecção do ar (h) é normalmente 10 - 50 W/m²-K. Calcule a resistência térmica efectiva como:

R_th,total=R_{th, dissipador de calor}+R_{th, interface}+R_th,junção

Em que R_{th, dissipador de calor}= resistência térmica do dissipador de calor, R_{th, interface}= resistência da interface térmica, R_{th, junção}= resistência térmica desde a junção até à interface.

Para o dissipador de calor:

R_{th, dissipador de calor}=1/h.A_total

Onde A_total=superfície disponível para dissipação de calor.

6. Protótipo e teste

Construir um dissipador de calor físico seguindo as informações do projeto e avaliar os resultados. Soldar o dissipador de calor ao componente eletrónico e utilizar um termómetro para medir a diferença de temperatura e avaliar o desempenho do dissipador de calor. Finalmente, dependendo dos resultados, podem ser feitas algumas modificações no projeto para obter a resistência térmica necessária.

Erros comuns de design e como evitá-los

A gestão térmica é vital, especialmente na conceção de dispositivos electrónicos. No entanto, vários erros são susceptíveis de criar um impacto negativo. Um erro comum que a maioria das pessoas comete é precisar de mais espaço na superfície do dissipador de calor para permitir uma dissipação de calor adequada. Um problema na prática é que os projectistas têm de efetuar cálculos e simulações básicas para determinar qual a área de superfície essencial para a carga térmica. Isto pode resultar em regimes de temperatura mais elevados e mesmo em choque térmico dos componentes.

Consequentemente, as interfaces entre a fonte de calor e o dissipador de calor podem aumentar diretamente a resistência térmica, conduzindo assim a uma baixa dissipação térmica. Além disso, qualquer inadequação nas alhetas, incluindo a espessura ou o espaçamento entre elas, pode interromper o fluxo de ar e prejudicar a transferência de calor por convecção, aumentando a temperatura de funcionamento. Assim, cálculos adequados e a utilização de ferramentas como a Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) são úteis para os projectistas preverem a área de superfície e a geometria das alhetas de forma mais correta. Para obter a transferência térmica adequada, é necessário utilizar TIMs de boa qualidade e superfícies lisas e planas para contacto.

Conclusão

A conceção do dissipador de calor é crucial para alcançar os limites de funcionamento térmico desejáveis nos componentes electrónicos. Um dissipador de calor adequado deve incorporar a condutividade térmica, o espaço aéreo e os materiais corretos como parâmetros integrais. A sua implementação correta aumenta a durabilidade do componente e o desempenho do sistema.

A condução, a convecção e a radiação desempenham um papel fundamental no processo de perda de calor. Por conseguinte, os princípios subjacentes a estes mecanismos devem ser plenamente compreendidos.

Melhores materiais e métodos para materiais e geometrias de elevada condutividade térmica na construção de dissipadores de calor podem proporcionar elevados níveis de melhoria. A procura iterativa de novas possibilidades de materiais e concepções ajuda a aumentar o desenvolvimento de produtos térmicos.