Fondamenti di progettazione per i dissipatori di calore

È importante che gli ingegneri elettrici abbiano sempre chiari i fondamenti di basi e come questi influiscono sui loro progetti. Quando si parla di gestione termica, resistenza termica e dissipatori di calore, i tre principali fenomeni che guidano il trasferimento di calore sono convezione, conduzione e radiazione. Le strategie di progettazione del calore per i PCB moderni si basano su una combinazione di tutti e tre gli effetti. Per questo è importante scegliere un approccio globale alla gestione del calore nel PCB.

Questi tre fenomeni fondamentali possono essere influenzati da fattori come il posizionamento e l'orientamento delle alette, la selezione dei materiali di interfaccia termica (TIM) e il trattamento della superficie del dissipatore di calore. Se sei un progettista di sistemi e hai bisogno di una strategia completa di gestione del calore, dovresti conoscere bene alcune nozioni di base sulla progettazione del dissipatore di calore, nonché sapere come selezionare un dissipatore e implementare altre strategie di raffreddamento per il tuo PCB.

Fondamenti di progettazione del dissipatore di calore per il tuo PCB

Quando si progetta un dissipatore di calore, le nozioni fondamentali riguardano la selezione di una giusta geometria da applicare ai componenti ad alta potenza, che deve quindi essere abbinata ad altre strategie di raffreddamento. Esistono molte opzioni standardizzate per i dissipatori di calore, tutte con fattori di forma, masse, e materiali leggermente diversi. Generalmente, i produttori forniscono o raccomandano dissipatori di calore per i loro componenti (ad es. produttori di GPU e CPU). È possibile selezionare una di queste opzioni per raffreddare i componenti ad alta potenza, così come è possibile progettare un modello CAD e creare un dissipatore di calore personalizzato. Se vuoi seguire quest'ultima strada, dovrai utilizzare le dritte del produttore come punto di partenza per la progettazione del tuo dissipatore di calore.

Innanzitutto, è importante sapere che non tutti i componenti hanno bisogno di un dissipatore collegato direttamente al componente. In alcuni casi, i dissipatori di calore sono molto più grandi dei componenti da raffreddare, e non tutti i componenti generano abbastanza calore da giustificare l'uso di un dissipatore. Alcuni package IC (ad es. quelli QFN) hanno un dissipatore realizzato con processo die-attach capace di dissipare il calore direttamente nel substrato.

Quando devi selezionare un dissipatore di calore standard o progettare un tuo dissipatore personalizzato, devi capire come sfruttare al massimo i tre meccanismi fondamentali che guidano il trasferimento di calore.

Convezione

La convezione naturale e quella forzata possono guidare il flusso d'aria attraverso il dissipatore di calore. La convezione naturale non utilizza alcun ventilatore o forza esterna per spostare l'aria. Si basa invece sulle correnti convettive che si generano naturalmente all'interno di un fluido riscaldato in modo differenziale. Questo processo passivo non assorbe energia, ma può essere un po' lento nel raffreddamento. In uno schema di convezione naturale, il flusso è piuttosto debole e anche una minima ostruzione può inibire gravemente il raffreddamento. Quando si posiziona un dissipatore di calore, è necessario orientarlo in modo che l'aria possa salire parallelamente attraverso le alette e posizionare alcune entrate e uscite per consentire all'aria di fluire naturalmente attraverso il contenitore. Le alette dovrebbero essere posizionate sparsamente, un raggruppamento troppo denso delle alette inibirebbe infatti la convezione.

La convezione forzata, al contrario, utilizza una forza esterna per spostare l'aria. Questa forza è generalmente fornita da una ventola di raffreddamento elettronica. Con questo metodo, è necessario alimentare la ventola di raffreddamento ma il raffreddamento è più rapido. È interessante notare come il modulo adottato determini il dissipatore da scegliere per il PCB al fine di massimizzare la dissipazione del calore. Per ottenere il massimo dal trasferimento di calore convettivo forzato, segui questi consigli quando progetti un dissipatore di calore o devi scegliere un dissipatore standard:

• Flusso turbolento: quando il flusso viene compresso attraverso un'apertura stretta, si troverà in regime laminare e il flusso di calore dal dissipatore all'aria circostante sarà limitato a causa della mancanza di miscelazione. Bisogna quindi far passare il flusso in regime turbolento in modo che la miscelazione naturale aiuti il trasferimento di calore dal dissipatore. Assicurati quindi che il dissipatore abbia abbastanza spazio tra le alette.
• Presta attenzione alla direzione del flusso: potrebbe sembrare scontato, ma è necessario aspirare l'aria attraverso il dissipatore e lontano dal resto della scheda, piuttosto che attraverso i componenti vicini. Questo è uno dei motivi per cui i dissipatori di calore sono a volte montati sopra un componente e diretti verso un'uscita attraverso un piccolo tubo di calore (heat pipe).

Quando si parla di convezione forzata le cose sono allo stesso tempo più semplici e più complesse. Il flusso d'aria è garantito, si tratta solo di ottimizzarlo. Ti consigliamo nuovamente di orientare il dissipatore di calore in modo che l'aria passi parallelamente alle alette. La progettazione delle alette è la parte più delicata. Le principali problematiche per quanto riguarda la convezione forzata sono infatti la caduta e la perdita di pressione. Se le alette sono troppo alte o troppo dense possono causare un'eccessiva caduta di pressione attraverso il dissipatore, comportando un sistema scadente. Per trovare la dimensione e il posizionamento delle alette perfetti, è necessario eseguire qualche calcolo.

Conduzione

La conduzione spinge il calore tra le regioni calde e fredde di un sistema grazie al contatto fisico diretto. Questo è probabilmente il metodo più semplice per rimuovere il calore da un componente. Quando si parla di conduzione, è necessario capire dove il calore viene trasferito. Le alette di un dissipatore di calore si occupano dell'allontanamento del calore da un componente per disperderlo nell'aria. Il posizionamento ottimale del dissipatore di calore è su un punto caldo, come su un potente circuito integrato (IC) o un diffusore termico che raccoglie il calore da diverse fonti.

La velocità con cui il calore viene rimosso dipende dalla diffusività termica del materiale del dissipatore, che dipende a sua volta dalla conduttività termica del materiale. Tra i metalli comuni, argento, oro, rame e alluminio hanno, in quest'ordine, le più alte proprietà di diffusione termica. Anche le leghe sono spesso utilizzate in quanto possono avere una densità inferiore rispetto ai materiali puri, il che aumenta la diffusività termica.

Per aumentare il trasferimento di calore, è necessaria una connessione ad elevata conduttività termica tra il componente e il dissipatore. La pasta termica o un altro materiale ad interfaccia termica sono l'ideale per fornire adesione con elevata conduttività termica. Sono molte le opzioni a disposizione, ed è necessario fare un po' di ricerca per capire qual è la più adatta alle esigenze di progetto.

Anche il posizionamento del dissipatore di calore è importante. Per massimizzare il raffreddamento e ridurre al minimo l’ingombro, l'ideale sarebbe non dover proprio utilizzare un dissipatore di calore. Un'alternativa a un ingombrante dissipatore su alcuni circuiti integrati consiste nell'utilizzare un componente con pad collegato tramite tecnologia die-attach. Questo pad può essere collegato ai fori di via attraverso il substrato e quindi a un piano di massa. Questo procedimento diffonde il calore attraverso tutta la scheda e aiuta a ottenere una temperatura di giunzione più uniforme nel PCB. Se necessario, puoi comunque utilizzare un dissipatore di calore per trasferire il calore nell'aria.

Radiazione termica

La radiazione termica si riferisce semplicemente alla conversione del calore in radiazione che si verifica ogni volta che un oggetto ha una temperatura. Quando l'oggetto emette calore, la sua temperatura diminuisce. La giusta selezione del materiale e della finitura superficiale darà al dissipatore un ulteriore vantaggio nel trasferimento efficace del calore. Anche la forma e la massa del materiale determinano quanto calore può essere irradiato dal dissipatore.

Non basta verniciare di nero il dissipatore di calore. Quello di cui dobbiamo preoccuparci è l'emissività a specifiche lunghezze d'onda, non il colore del dissipatore. Per essere più specifici, è la radiazione infrarossa a dover essere massimizzata. L'alluminio anodizzato è un materiale spesso utilizzato nei dissipatori di calore poiché ha un'elevata emissività e un'elevata conduttività termica. L'alluminio può anche essere estruso e anodizzato a costi contenuti.

Inoltre, un dissipatore di calore con un rapporto tra superficie e volume maggiore dissiperà più calore tramite irraggiamento. Più grande è la superficie, più il dissipatore di calore potrà irradiare. Tuttavia, l'aumento della superficie può a volte ridurre la convezione. È quindi importante bilanciare attentamente convezione, conduzione, e radiazione, nella progettazione del dissipatore di calore.

Usa gli strumenti MCAD nel tuo software di progettazione per posizionare il tuo dissipatore di calore

Quando vuoi inserire un dissipatore di calore nella tua scheda ed esaminare il suo comportamento all'interno di un sistema, puoi utilizzare gli strumenti MCAD nel tuo software di progettazione PCB per posizionare il dissipatore di calore sui componenti. Sarà sufficiente esportare il progetto del dissipatore da uno strumento CAD meccanico come file STEP e importarlo nel software di progettazione PCB, per ottenere una vista 3D del dissipatore di calore all'interno della scheda. Questo permette di verificare la presenza di eventuali collisioni all'interno della custodia.

Quando progetti un dissipatore di calore o cerchi un dissipatore di calore pronto all'uso, presta attenzione a queste ulteriori linee guida, soprattutto se prevedi di combinare il dissipatore di calore ad una ventola di raffreddamento.

• Come ridurre il rumore elettrico della ventola di raffreddamento nel PCB
• Un confronto tra le tecniche di raffreddamento attivo per le apparecchiature elettroniche
• Interferenze elettromagnetiche (EMI) dai dissipatori di calore e possibili soluzioni

Dopo aver appreso queste nozioni di base sulla progettazione dei dissipatori di calore, è possibile utilizzare gli strumenti di layout PCB e le funzionalità MCAD native di Altium Designer per creare il circuito stampato e posizionare il design del dissipatore in un ambiente 3D. Le funzionalità di progettazione di Altium Designer offrono tutto il necessario per posizionare il tuo dissipatore di calore e verificarne gli ingombri meccanici. Altium Designer di Altium 365 offre un livello d'integrazione senza precedenti nell'industria elettronica, fino a ora relegata al mondo dello sviluppo software, consentendo ai progettisti di lavorare da casa e raggiungere un'efficienza senza precedenti.

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