A medida que aumenta el calor liberado por los dispositivos microelectrónicos y su tamaño general se reduce, la gestión térmica se convierte en una parte mucho más vital del diseño de productos electrónicos. La fiabilidad operativa y la vida útil de los equipos electrónicos tienen una conexión inversa con la temperatura de sus componentes. En el caso de un dispositivo semiconductor de silicio típico, la relación entre su fiabilidad y la temperatura de funcionamiento muestra que si la temperatura baja, la fiabilidad y la vida útil del dispositivo aumentarán exponencialmente. Por ello, podemos hacer que un componente dure más y funcione de forma más fiable controlando eficazmente su temperatura de funcionamiento, asegurándonos de que se mantenga dentro de los límites establecidos por los ingenieros de diseño. Los disipadores de calor son dispositivos que se utilizan para aumentar la disipación de calor: transfieren el calor de una superficie caliente (normalmente la carcasa exterior de un componente que produce calor) a un entorno circundante más frío , y el aire es la opción habitual. Para las siguientes explicaciones, utilizaremos el aire como fluido refrigerante. En la mayoría de los casos, la transferencia de calor a través de la interfaz entre la superficie sólida y el aire de refrigeración es el proceso menos eficiente de todo el sistema, y esta interfaz sólido-aire representa el mayor obstáculo para la disipación de calor. Un disipador de calor reduce este obstáculo principalmente al aumentar la superficie en contacto directo con el aire de refrigeración. Esta mayor superficie permite dos cosas: o bien se libera más calor del sistema, o bien se reduce la temperatura de funcionamiento del dispositivo (a veces ambas). En definitiva, el objetivo principal de un disipador de calor es asegurar que la temperatura del dispositivo se mantenga por debajo del nivel máximo permitido especificado por el fabricante.
Circuito termal
Antes de abordar el proceso de selección del disipador de calor, es necesario definir los términos comunes y establecer el concepto de circuito térmico. El objetivo es proporcionar los fundamentos básicos de la transferencia de calor para aquellos lectores que no estén familiarizados con el tema. Las notaciones y definiciones de los términos son las siguientes: Q: potencia total o tasa de disipación de calor en W, representa la tasa de calor disipado por el componente electrónico durante su funcionamiento. Para seleccionar un disipador de calor, se utiliza la disipación de potencia máxima de funcionamiento. Tj: temperatura máxima de la unión del dispositivo en °C. Los valores admisibles de Tj oscilan entre 115 °C en aplicaciones típicas de microelectrónica y hasta 180 °C para algunos dispositivos de control electrónico. En aplicaciones especiales y militares, no es raro encontrar valores entre 65 °C y 80 °C. Tc: temperatura de la carcasa del dispositivo en °C. Dado que la temperatura de la carcasa de un dispositivo depende de la ubicación de la medición, generalmente representa la temperatura local máxima de la carcasa. Ts: temperatura del disipador en °C. Nuevamente, esto representa la temperatura máxima de un disipador de calor en la ubicación más cercana al dispositivo. Ta: temperatura ambiente del aire en °C. Utilizando las temperaturas y la tasa de disipación de calor, una medida cuantitativa de la eficiencia de transferencia de calor entre dos ubicaciones de un componente térmico se puede expresar en términos de resistencia térmica R, definida como
R = ΔT/Q
Donde ΔT es la diferencia de temperatura entre las dos ubicaciones. La unidad de resistencia térmica es °C/W, lo que indica el aumento de temperatura por unidad de disipación de calor. Esta resistencia térmica es análoga a la resistencia eléctrica Re, dada por la ley de Ohm:
Re = ΔV/I
Siendo ΔV la diferencia de voltaje e I la corriente.
Consideremos un caso sencillo en el que un disipador de calor está montado sobre un encapsulado de dispositivo, como se muestra en la figura 1. Utilizando el concepto de resistencia térmica , se puede dibujar un circuito térmico simplificado de este sistema, como también se muestra en la figura. En este modelo simplificado, el calor fluye en serie desde la unión hasta la carcasa, luego a través de la interfaz hacia el disipador de calor y finalmente se disipa desde el disipador de calor hacia la corriente de aire. La resistencia térmica entre la unión y la carcasa de un dispositivo se define como
Rjc = (ΔTjc)/Q = (Tj – Tc)/Q
Esta resistencia la especifica el fabricante del dispositivo. Aunque el valor de Rjc de un dispositivo determinado depende de cómo y dónde se utiliza el mecanismo de refrigeración en el encapsulado, suele indicarse como un valor constante. También se acepta que Rjc está fuera del alcance del usuario. De igual forma, la resistencia de la carcasa al disipador y del disipador al ambiente se definen como
Rcs = (ΔTcs)/Q = (Tc – Ts)/Q
Rsa = (ΔTsa)/Q = (Ts – Ta)/Q
respectivamente. Aquí, Rcs representa la resistencia térmica a través de la interfaz entre la carcasa y el disipador de calor y a menudo se denomina resistencia de interfaz. Este valor puede mejorarse sustancialmente dependiendo de la calidad del acabado de la superficie de contacto y/o la elección del material de interfaz . Rsa es la resistencia térmica del disipador de calor. Obviamente, la resistencia total de la unión al ambiente es la suma de las tres resistencias:
Rja = Rjc + Rcs + Rsa = (Tj – Ta)/Q
Resistencia térmica requerida del disipador de calor
Para comenzar a seleccionar el disipador de calor, el primer paso es determinar la resistencia térmica necesaria para cumplir con los criterios térmicos del componente. Reordenando la ecuación anterior, la resistencia del disipador se puede obtener fácilmente como
Rsa = ((Ts – Ta)/Q) – Rjc – Rcs
En esta expresión, Tj, Q y Rjc son proporcionados por el fabricante del dispositivo, y Ta y Rcs son parámetros definidos por el usuario. La temperatura ambiente Ta para la refrigeración de equipos electrónicos depende del entorno operativo en el que se espera que se utilice el componente. Normalmente, oscila entre 35 y 45 °C si se utiliza aire exterior, y entre 50 y 60 °C si el componente está cerrado o se coloca en la estela de otro equipo generador de calor. La resistencia de interfaz Rcs depende del acabado superficial, la planitud, la presión de montaje aplicada, el área de contacto y, por supuesto, el tipo de material de interfaz y su espesor. Es difícil obtener un valor preciso de esta resistencia, incluso para un tipo de material y espesor determinados, ya que puede variar ampliamente con la presión de montaje y otros parámetros dependientes del caso. Sin embargo, se pueden obtener datos más fiables directamente de los fabricantes de materiales o de los fabricantes de disipadores de calor . Los valores típicos para materiales de interfaz comunes se tabulan en la Tabla 1.
Una vez identificados todos los parámetros del lado derecho de la expresión Rsa, se obtiene la resistencia térmica máxima requerida de un disipador de calor para la aplicación. En otras palabras, el valor de la resistencia térmica del disipador de calor seleccionado para la aplicación debe ser igual o menor que el valor de Rsa para que la temperatura de la unión se mantenga igual o por debajo de la Tj especificada.
Selección del disipador de calor
Para seleccionar un disipador de calor adecuado que cumpla con los criterios térmicos requeridos, es necesario examinar diversos parámetros que afectan no solo el rendimiento del disipador en sí, sino también el rendimiento general del sistema. La elección de un tipo particular de disipador de calor depende en gran medida del presupuesto térmico permitido para el disipador y de las condiciones externas que lo rodean. Es importante destacar que no se puede asignar un único valor de resistencia térmica a un disipador determinado, ya que esta varía con las condiciones de refrigeración externas. Al seleccionar un disipador de calor, es necesario clasificar el flujo de aire como natural, mixto de bajo flujo o de alto flujo forzado. La convección natural se produce cuando no hay flujo inducido externamente y la transferencia de calor depende únicamente del flujo libre de aire que rodea el disipador. La convección forzada se produce cuando el flujo de aire se induce mediante medios mecánicos, generalmente un ventilador o soplador. No existe una distinción clara en la velocidad del flujo que separe los regímenes de flujo mixto y forzado. En general, se acepta que el efecto de la fuerza de flotación sobre la transferencia de calor total disminuye hasta un nivel insignificante (menos del 5 %) cuando la velocidad del flujo de aire inducido supera los 12 m/s (200 a 400 lfm). El siguiente paso es determinar el volumen requerido de un disipador de calor de tubo de calor . La Tabla 2 muestra rangos aproximados de resistencia térmica volumétrica de un disipador de calor típico bajo diferentes condiciones de flujo.
El volumen de un disipador de calor de aletas biseladas para una condición baja dada se puede obtener dividiendo la resistencia térmica volumétrica por la resistencia térmica requerida. La Tabla 2 debe usarse solo como guía para fines de estimación al comienzo del proceso de selección. Los valores de resistencia reales pueden variar fuera del rango anterior dependiendo de muchos parámetros adicionales, como las dimensiones reales del disipador de calor, el tipo de disipador de calor, la configuración del flujo, la orientación, el acabado de la superficie, la altitud, etc. Los valores más pequeños mostrados arriba corresponden a un volumen de disipador de calor de aproximadamente 100 a 200 cm³ (5 a 10 in³) y los más grandes a aproximadamente 1000 cm³ (60 in³). Los rangos tabulados arriba asumen que el diseño se ha optimizado para una condición de flujo dada. Aunque hay muchos parámetros a considerar en la optimización de un disipador de calor, uno de los parámetros más críticos es el de las aletas. En un disipador de calor de aletas planas, el espaciado óptimo de las aletas está fuertemente relacionado con dos parámetros: la velocidad del flujo y la longitud de la aleta en la dirección del flujo. La tabla 3 puede utilizarse como guía para determinar la separación óptima entre las aletas de un disipador de calor de aletas planas en una aplicación típica.
El rendimiento promedio de un disipador de calor típico es directamente proporcional a su ancho en la dirección perpendicular al flujo, y aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada de la longitud de las aletas en la dirección paralela al flujo. Por ejemplo, duplicar el ancho de un disipador de calor aumentaría su capacidad de disipación de calor en la misma proporción, mientras que 1.4 veces la aumentaría. Por lo tanto, si es posible, es más beneficioso aumentar el ancho que la longitud del disipador. Además, la transferencia de calor por radiación es muy importante en la convección natural, ya que puede ser responsable de hasta el 25 % de la disipación total de calor. A menos que el componente esté expuesto a una superficie más caliente cercana, es imprescindible pintar o anodizar las superficies del disipador de calor por extrusión para mejorar la radiación.
Tipos de disipadores de calor
Los disipadores de calor se pueden clasificar según sus métodos de fabricación y su forma final. Los tipos más comunes de disipadores de calor refrigerados por aire incluyen:
1. Disipadores de calor estampados: Las láminas de cobre o aluminio se estampan para obtener las formas deseadas. Se utilizan en la refrigeración por aire tradicional de componentes electrónicos y ofrecen una solución económica para problemas térmicos de baja densidad. Son adecuados para la producción en grandes volúmenes, ya que el utillaje avanzado con estampado de alta velocidad reduciría los costes. Se pueden aplicar en fábrica opciones adicionales que ahorran mano de obra, como machos de roscar, clips y materiales de interfaz, para ayudar a reducir los costes de ensamblaje de la placa. La aleta después del estampado se puede niquelar en la superficie y luego soldar a la placa base del disipador de calor. Este método de soldadura de disipadores de calor es propicio para la disipación de calor de chips de alta potencia en vehículos.
2. Disipador de calor por extrusión : Estos permiten la formación de formas bidimensionales complejas capaces de disipar grandes cargas de calor. Se pueden cortar, mecanizar y añadir opciones. Un corte transversal produce disipadores de calor con aletas rectangulares omnidireccionales, y la incorporación de aletas dentadas mejora el rendimiento entre un 10 y un 20 %, pero con una velocidad de extrusión más lenta. Los límites de extrusión, como la relación altura-espacio entre aletas, suelen determinar la flexibilidad en las opciones de diseño. Con una extrusión estándar, se puede alcanzar una relación de aspecto típica de hasta 6 y un espesor mínimo de aleta de 1.3 mm. Con características especiales de diseño de la matriz, se puede lograr una relación de aspecto de 10:1 y un espesor de aleta de 0.8″. Sin embargo, a medida que aumenta la relación de aspecto, se compromete la tolerancia de extrusión.
3. Disipador de calor con aletas adheridas / Aletas fabricadas: La mayoría de los disipadores de calor refrigerados por aire están limitados por la convección, y su rendimiento térmico general puede mejorarse significativamente si se expone una mayor superficie al flujo de aire. Estos disipadores de alto rendimiento utilizan epoxi con relleno de aluminio, un material termoconductor, para adherir aletas planas a una placa base de extrusión ranurada. Este proceso permite una relación de aspecto de altura de aleta a espacio mucho mayor, de 20 a 40, lo que aumenta considerablemente la capacidad de refrigeración sin incrementar los requisitos de volumen.
4. Fundición : Se ofrecen procesos de fundición en arena, con núcleo perdido y a presión, con o sin asistencia de vacío, en aluminio o cobre/bronce. Esta tecnología se utiliza en disipadores de calor de aletas de alta densidad que proporcionan un rendimiento máximo con refrigeración por impacto. Los disipadores de calor fabricados mediante este proceso de fundición a presión se utilizan generalmente como carcasas en la industria de las telecomunicaciones. Disipan el calor a través de una gran superficie. Cumplen funciones tanto estructurales como estéticas, además de funcionar como dispositivos de disipación de calor, con bajos costes de producción.
5. Disipador de calor de aletas biseladas : Un disipador de calor de aletas biseladas es un componente de gestión térmica de alta eficiencia fabricado mediante un proceso de biselado de precisión. Las aletas delgadas y muy juntas se cortan y forman directamente a partir de un bloque de metal sólido (generalmente aluminio o cobre) sin uniones. Esta estructura de una sola pieza minimiza la resistencia térmica entre la base y las aletas, lo que permite una rápida transferencia de calor al aire. Sus densas y uniformes matrices de aletas aumentan la superficie para la disipación de calor, lo que lo hace ideal para refrigerar microelectrónica de alta potencia como CPU o módulos LED, donde el espacio y el rendimiento térmico son críticos.
5. Disipador de calor con tubos de calor : Un disipador de calor con tubos de calor es una solución avanzada de gestión térmica que integra tubos de calor (tubos huecos sellados llenos de un fluido de cambio de fase, como agua o etanol) en una estructura de aletas tradicional. Funciona según el principio de transición de fase: el fluido absorbe calor y se vaporiza en la fuente de calor (por ejemplo, una CPU), viaja a la sección de aletas más fría para condensarse y liberar calor, y luego fluye de regreso por acción capilar para repetir el ciclo. Este mecanismo permite una transferencia de calor mucho más rápida a distancias que el metal sólido, lo que hace que el disipador de calor sea altamente efectivo para enfriar componentes electrónicos de alta potencia donde la disipación de calor rápida y a larga distancia es esencial, como en PC para juegos, controladores industriales o sistemas de iluminación LED.
La Figura 2 muestra el rango típico de funciones de costo para diferentes tipos de disipadores de calor en términos de la resistencia térmica requerida. Figura 2: Costo versus resistencia térmica requerida
Gráfico de rendimiento térmico
La figura 3 muestra un gráfico de rendimiento típico de los publicados por los proveedores de disipadores de calor. Los gráficos son una composición de dos curvas separadas que se han combinado en una sola figura. Se asume que el dispositivo a enfriar está correctamente montado y que el disipador de calor está en su orientación de montaje habitual con respecto a la dirección del flujo de aire. El primer gráfico, que va de la esquina inferior izquierda a la esquina superior derecha, es la curva de convección natural del aumento de temperatura del disipador de calor, ΔTsa, en función de Q. Las curvas de convección natural también suponen que el disipador de calor está pintado o anodizado en negro. La curva de la esquina superior izquierda a la esquina inferior derecha es la curva de convección forzada de la resistencia térmica en función de la velocidad del aire. En convección forzada, ΔTsa es linealmente proporcional a Q; por lo tanto, Rsa es independiente de Q y se convierte en función únicamente de la velocidad del flujo. Sin embargo, el fenómeno de convección natural no es lineal, lo que hace necesario presentar ΔTsa como una función de Q.
Se pueden utilizar los gráficos de rendimiento para identificar el disipador de calor y, en aplicaciones de convección forzada, determinar la velocidad mínima de flujo que satisface los requisitos térmicos. Si la resistencia térmica requerida en una aplicación de convección forzada es de 8 °C/W, por ejemplo, la curva de resistencia térmica versus velocidad de flujo mostrada anteriormente indica que la velocidad debe ser igual o superior a 2.4 m/s (470 lfm). En aplicaciones de convección natural, la resistencia térmica requerida, Rsa, se puede multiplicar por Q para obtener el ΔTsa máximo permitido. El aumento de temperatura del disipador de calor seleccionado debe ser igual o menor que el ΔTsa máximo permitido para el mismo Q.
Se recuerda a los lectores que las curvas de convección natural asumen una orientación opcional del disipador de calor con respecto a la gravedad. Además, la velocidad de flujo en el gráfico de convección forzada representa la velocidad de flujo de aproximación sin tener en cuenta el efecto de la desviación del flujo. Se han realizado pocas investigaciones2,3 sobre la desviación del flujo. Estos estudios muestran que la desviación del flujo puede reducir el rendimiento de un disipador de calor hasta en un 50 % para la misma velocidad de flujo ascendente. Para mayor información sobre este tema, se remite a los lectores a las referencias citadas. Cuando un dispositivo es sustancialmente más pequeño que la placa base de un disipador de calor, existe una resistencia térmica adicional, denominada resistencia de propagación, que debe considerarse en el proceso de selección. Los gráficos de rendimiento generalmente asumen que el calor se distribuye uniformemente por toda el área de la base del disipador de calor y, por lo tanto, no tienen en cuenta el aumento de temperatura adicional causado por una fuente de calor más pequeña. Esta resistencia de propagación podría ser típicamente del 5 al 30% de la resistencia total del disipador de calor, y puede estimarse utilizando la expresión analítica simple desarrollada en la Referencia 4. Otro criterio de diseño que debe considerarse en la selección de un disipador de calor es el efecto de la altitud. Si bien la temperatura del aire de un ambiente interior normalmente está controlada y no se ve afectada por el cambio de altitud, la presión del aire interior sí cambia con la altitud. Dado que muchos sistemas electrónicos se instalan a una altitud elevada, es necesario reducir la potencia del disipador de calor principalmente debido a la menor densidad del aire causada por la menor presión del aire a mayor altitud. La Tabla 5 muestra los factores de reducción de potencia para disipadores de calor típicos a grandes altitudes. Por ejemplo, para determinar el rendimiento térmico real de un disipador de calor a altitudes distintas del nivel del mar, los valores de resistencia térmica leídos en los gráficos de rendimiento deben dividirse por el factor de reducción antes de comparar los valores con la resistencia térmica requerida.
