Riduzione della resistenza termica di contatto


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Riduzione della resistenza termica di contatto


Migliorare il trasferimento di calore fra le superfici e le prestazioni termiche generali

Nel settore del packaging dell'elettronica la tendenza va verso dispositivi più piccoli e più potenti. Con componenti piccoli e a elevata potenza, tuttavia, anche i flussi di calore sono più elevati. Di conseguenza i tecnici devono trovare dei modi per ridurre al minimo la resistenza termica dalla giunzione del dispositivo elettronico all'aria ambiente.

La resistenza termica si esprime in Rja, dove:

Rja= Rjc+ Rcs+ Rsa

  • Rja - Resistenza termica dalla giunzione del dispositivo all'aria ambiente o all'acqua
  • Rjc - Resistenza termica dalla giunzione del dispositivo al package (case), determinata dal produttore del dispositivo elettronico (il progettista non ha influenza diretta)
  • Rcs - Resistenza termica dal package (case) al dissipatore o alla piastra di raffreddamento, determinata dalle dimensioni e qualità delle aree di contatto fra il dispositivo elettronico e il dissipatore o la piastra, dai materiali usati e dalla pressione di contatto.
  • Rsa - Resistenza termica dal dissipatore di calore o dalla piastra di raffreddamento all'aria ambiente o dall'acqua, determinata dal design (materiale e geometria) del dissipatore o della piastra


Pertanto, un modo per ridurre Rja è quello di ridurre Rcs, la resistenza di contatto fra l'involucro del dispositivo elettronico e i dissipatori con alette raffreddate in ambiente o le piastre raffreddate a liquido. I fattori che influenzano Rcs sono svariati, fra cui la planarità e la rugosità della superficie, la forza di contatto o la pressione di blocco, la pulizia della superficie e i materiali di interfaccia.



Planarità e rugosità della superficie

Per planarità si intende una superficie con irregolarità molto distanziate, la sua ondulazione. Per rugosità si intendono le irregolarità della superficie su scala submicronica, solitamente causate da lavorazione a macchina, utilizzo e/o usura.

Il contatto fra due superfici imperfette crea un interstizio di aria fra di esse (Fig. 1). La maggior parte delle aree di contatto consiste per oltre il 90% di vuoti d'aria, il che rappresenta una resistenza significativa al trasferimento del calore, dato che l'aria non è un conduttore termico molto efficace. La Tabella 1 mostra i valori tipici di rugosità della superficie per i diversi processi di fabbricazione.

Tabella 1

Processo

Unità in µm

Unità in µin

Lucidatura

0,1 - 0,4

4 - 16

Macinatura

0,1 - 1,6

4 - 64

Taglio laser

0,8 - 6,3

32 - 252

Pressofusione

0,8 - 1,6

32 - 64

Lavorazione

0,8 - 1,6

32 - 64

Estrusione

0,8 -3,2

32 - 128

Foratura

1,6 - 6,3

64 - 252



Per un contatto soddisfacente fra dispositivo elettronico e dissipatore o piastra di raffreddamento è generalmente necessaria una planarità della superficie pari a 0 poll./poll. La rugosità della superficie deve essere equivalente a quella del dispositivo elettronico. Un valore di 32-64 µin è solitamente adeguato. Una maggiore rifinitura aggiunge un costo superfluo, con un miglioramento delle prestazioni termiche scarso o nullo. Per ottenere una buona interfaccia termica la planarità della superficie è normalmente molto più importante della finitura superficiale.




Forza di contatto

Un altro fattore molto importante per ridurre al minimo la resistenza termica di contatto è la forza di contatto ossia la forza con la quale il dispositivo elettronico viene premuto contro il dissipatore di calore o la piastra di raffreddamento. Le superfici di dispositivo elettronico e dissipatore non saranno mai perfettamente planari, di conseguenza fra di essi ci sarà sempre un interstizio d'aria. Tuttavia, all'aumentare della forza di contatto che preme insieme le due superfici, aumenta il numero di punti di contatto fra di esse, il che abbassa la resistenza termica da involucro a dissipatore, Rcs. Questa relazione fra forza e resistenza termica non segue una curva lineare. Con l'aumentare della forza di contatto, la resistenza termica diminuisce con decrementi sempre più piccoli mentre ci si avvicina alla massima forza sostenibile dal package. Per le forze di contatto consigliate, contatta il produttore del dispositivo elettronico.




Pulizia della superficie

Anche la pulizia della superficie di montaggio è importante per ridurre al minimo la resistenza termica. Le superfici di montaggio devono essere mantenute prive di tutti i materiali estranei, come sporcizia, olio, ossidi e pellicole. Dato che la maggior parte dei dissipatori di calore e delle piastre di raffreddamento viene riposta dopo la lavorazione a macchina, si consiglia un'operazione di pulizia prima di montare il dispositivo. Una tecnica soddisfacente di pulizia consiste nel lucidare leggermente la superficie di montaggio con lana d'acciaio fine 3M Scotch Brite® N.000, seguita da una salviettina con solvente per la pulizia dei semiconduttori.




Materiali termici di interfaccia

Infine, per migliorare ulteriormente il valore di Rcs, si deve utilizzare un appropriato materiale termico di interfaccia per colmare gli interstizi fra le due superfici. Si possono usare varie tecnologie, fra le quali grassi termici e composti a conducibilità termica, elastomeri, nastri adesivi ecc., ciascuna con le proprie caratteristiche (temperature di esercizio, facilità di applicazione, tempo di asciugatura, requisiti di pressione ecc.) che le rendono più o meno vantaggiose a seconda dell'applicazione. Contatta Boyd per sapere come selezionare il materiale termico di interfaccia appropriato per la tua applicazione. La Tabella 2 mostra i valori tipici di resistenza e conducibilità termica per tali materiali.

Tabella 2

Interfaccia

Spessore (in.)

Conducibilità termica, k(W/m-K)

Rcs(°C/W)

Giunto a secco

N/A

N/A

2,9

Grasso termico

0

0,7

0,9

Composto termico

0,01

1,2

0,8

Elastomero

0,01

5

1,8

Nastro adesivo

0,01

0,7

2,7






Esame dei fattori della resistenza termica di contatto

Le condizioni di contatto includono planarità, rugosità e pulizia della superficie, pressione di contatto e materiali di interfaccia. Sono molte le tecniche e tecnologie disponibili per ottimizzare il percorso termico fra la giunzione del dispositivo elettronico e il dissipatore di calore. È importante ridurre al minimo la resistenza termica al fine di mantenere la temperatura del dispositivo elettronico al di sotto del massimo valore nominale e aumentare l'affidabilità del prodotto finale.


Consulta la sezione Materiali Termici di Interfaccia oppure contattaci per sapere come ottimizzare la resistenza termica.

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