Dissipare il calore

Le resistenze termiche

Tornando allo schema visto prima, osserviamo che il calore, prodotto nella giunzione, viene fatto passare all' aria ambiente attraverso una catena di materiali: 

giunzione -> package -> dissipatore di calore -> ambiente

Possiamo caratterizzare le resistenze termiche che si oppongono al passaggio del calore dalla giunzione all' ambiente in quattro elementi tipici:

la resistenza termica tra la giunzione e il package la resistenza termica tra la giunzione e l' ambiente la resistenza termica tra il package e il sistema di dissipazione del calore la resistenza termica tra il dissipatore e l' ambiente

R_thjc : resistenza termica tra la giunzione e il package 

La resistenza termica tra la giunzione e il package, R_thjc o R_θjc , è un dato relativo al componente. Rappresenta la difficoltà che incontra il calore nel passare dalla giunzione (o die) alla superficie del package (o case).
Il suo scopo è quello di indicare la resistenza da inserire nei calcoli per determinare la caduta di "tensione" termica nel circuito di cui fa parte un dissipatore come elemento finale di scambio con l' ambiente.
Questa resistenza dipende quindi da come è realizzato il semiconduttore e quindi dal suo case, dal sistema produttivo, ecc. E' un parametro fisso, citato dal foglio dati. In linea di massima, si può dire che il valore di R_θjc è abbastanza costante per un certo tipo di package, indipendentemente dal componente contenuto.
La tabella riporta alcuni valori tipici in relazione al package. Questi valori sono puramente indicativi e possono variare al di fuori dei range indicati; per avere parametri corretti per un dato componente, occorre consultare il foglio dati del costruttore. Va altresì osservato che a parità di sigla, è possibile che prodotti di costruttori diversi abbiano parametri leggermente differenti.

Package	Rθjc
TO-92	80 - 90
TO-5	40 - 80
TO-126	2.5 - 10
TO-220	1 - 8
TO-220 FP	2.5 - 4.5
TO-247	0.4 - 1.5
TO-264	0.25 - 7
TO-3	0.7 - 3
SOT-227	0.18 - 0.6
hockey puk,  dischi, moduli	0.005 - 0.18

R_thja: resistenza termica tra la giunzione e l' ambiente

La resistenza termica tra la giunzione e l' ambiente, R_thja o R_θja , è pure un dato relativo al componente. Rappresenta la difficoltà che incontra il calore nel passare dalla giunzione all' ambiente.
Il suo scopo è quello di indicare la resistenza da inserire nei calcoli per determinare la caduta di "tensione" termica nel circuito in cui è presente il solo package come elemento di scambio con l' ambiente. Questo dato dipende, come il precedente, da come è realizzato il semiconduttore e quindi dal suo case e, in particolare, dalla sua superficie. E' un parametro fisso, citato dal foglio dati. Anche qui, in linea di massima, si può dire che il valore di R_θja è abbastanza costante per un certo tipo di package, indipendentemente dal componente contenuto.
Per la tabella seguente valgono le indicazioni date per quella precedente.

R_thch: resistenza termica tra il package e il dissipatore

La resistenza termica tra il package e il dissipatore, R_thch o R_θch , è pure un dato relativo al componente. Rappresenta la difficoltà che incontra il calore nel passare dalla superficie del package a quella del dissipatore.
Il suo scopo è quello di indicare la resistenza da inserire nei calcoli per determinare la caduta di "tensione" termica nel circuito di cui fa parte un dissipatore come elemento finale di scambio con l' ambiente. Questo dato dipende, come i precedenti, da come è realizzato il semiconduttore e quindi dal suo case e, in particolare, dalla sua superficie di contatto con il dissipatore.   La resistenza di contatto è dipendente dal la superficie relativamente piccola dei punti di contatto; un grosso package (es. SOT-227), avendo un' ampia superficie di contatto, avrà una minore resistenza. 

Ci sono tre possibili vie per ridurre la resistenza termica di contatto:

• aumentare la pressione del contatto
• ridurre la rugosità della superficie di accoppiamento
• introdurre un fluido con una conducibilità termica maggiore di quella

Bisogna fare attenzione al primo punto, in quanto un eccesso di forza sulle viti o altro sistema di fissaggio del componente al dissipatore può essere controproducente, in quanto rischia di danneggiare o deformare il case, che, solitamente, è in parte plastico o comunque realizzato in materiali non particolarmente resistenti. dell'aria. Proprio per evitare danni al package e per rendere più semplice il fissaggio,la tendenza attuale è quella di escludere viti ed utilizzare invece clicps a pressione. Nella foto, alcune soluzioni di Fischer Elektronik per case TO-220/247 e simili.

Migliorare le qualità di finitura superficiale del case è abbastanza difficile, mentre è necessario che la superficie del dissipatore sia ben rifinita, non verniciata.
La soluzione comune è l' uso di una pasta termica; tuttavia, dato che il compound  ha una conducibilità termica migliore dell' aria, ma inferire a quella dei metalli è davvero importante usarne con parsimonia; il suo scopo è solo quello di riempire vuoti d'aria molto piccoli tra le due superfici.

Anche qui, in linea di massima, si può dire che il valore di R_θch è abbastanza costante per un certo tipo di package, indipendentemente dal componente contenuto, ma è fortemente condizionato dalla presenza o meno di un compound termo conduttivo e/o di un supporto isolante elettrico, ovvero dipende fortemente dal materiale usato per accoppiare termicamente la superficie di contatto del componente con quella del dissipatore. 
E' sorprendente la varietà dei materiali termici disponibili, dai fogli metallici, come indio, piombo, stagno e argento a paste a base di silicio e ossidi metallici (zinco, argento, rame) a composti ceramici o di carbonio.
Dato che a volte occorre isolare il componente dal dissipatore, la soluzione classica è un sottile foglio di mica; questo materiale, però, ottimo isolante anche a bassi spessori, sfortunatamente non è un buon conduttore termico e peggiora l' accoppiamento. Che può essere migliorato utilizzando il compound termico.
Per la scomodità di uso della mica più compound, sono stati elaborati pad termici che possono essere costituiti da materiali sintetici tremoconduttivi, morbidi, dal tipico colore grigio o rosa, la cui applicazione non richiede compound e quindi facilita il montaggio, sopratutto nelle produzioni in serie.

Nella tabella sono forniti dati medi; per quanto riguarda gli isolanti e i pad esiste una merceologia molto ampia, con caratteristiche assai differenti tra loro: per avere i dati corretti del materiale utilizzato sarà indispensabile consultare il relativo foglio dati.

R_thha: resistenza termica tra il dissipatore e l' ambiente

La resistenza termica tra il dissipatore e l' ambiente, R_thha o R_θha , è un dato relativo al dissipatore che tiene conto della trasmissione di calore per convezione ed irraggiamento dal dissipatore all'ambiente circostante più freddo. Rappresenta la difficoltà che incontra il calore nel passare dalla superficie del dissipatore a quella dell'ambiente. Il suo scopo è quello di indicare la resistenza da inserire nei calcoli per determinare la caduta di "tensione" termica nel circuito di cui fa parte un dissipatore come elemento finale di scambio con l' ambiente. 

Questo dato dipende da come è realizzato il dissipatore, dalla sua forma e superficie, colore, materiale costruttivo, ecc.  E' un parametro fisso che si rileva dal foglio dati del dissipatore. Va osservato che questo valore viene fornito dal costruttore per condizioni ottimali di utilizzo (differenza tra temperatura dissipatore e ambiente, montaggio che favorisce il flusso dell' aria, colore, finitura, stato della superficie, ecc.) e che viene alterato da condizioni di montaggio sfavorevoli, povere e sporco depositato sulla sua superficie, ecc..  Più piccola è la resistenza termica, e migliori sono le prestazioni del dissipatore. Esistono numerosissime forme costruttive, che i vari produttori realizzano per cercare di fornire un supporto adeguato alle più varie applicazioni.

Una riduzione della resistenza termica del dissipatore si realizza con l' aumento della sua superficie/dimensioni oppure con una circolazione di aria forzata o l' uso di pompe di calore.

Come nel circuito elettrico, la serie delle resistenze termiche fa si che nei vari elementi si circoscrivano diversi livelli di temperatura, decrescenti a partire da quello più elevato, nella giunzione, per arrivare allo zero della massa termica.

In relazione a questo concetto di "massa" termica, occorre qualche chiarimento.