Dissipare il calore

Temperatura ?

Abbiamo tutti una sensazione di ciò che è la temperatura; possiamo dire quando una temperatura è qualitativamente diversa da un'altra, ad esempi quella dell' ambiente. Però non si è sempre d'accordo sul fatto che la temperatura ambiente sia troppo calda o troppo fredda o giusta. Torniamo quindi ad una delle domande iniziali: che cosa è la temperatura?
Abbiamo detto inizialmente che essa è l' indice della quantità di energia termica di un corpo o di un ambiente.
Nonostante tutto, la temperatura è uno di quei concetti difficile da definire. Scientificamente possiamo dire che la temperatura è una misura indiretta dell'energia termica, espressa in unità o gradi designati su una scala standard.
Come è ovvio, di questi standard ce ne sono diversi; quelli maggiormente in uso sono: 

Altri sistemi (Rankine, Réaumur, Newton) sono di uso molto limitato, se non obsoleti.
La scala Celsius prende il nome dall'astronomo svedese Anders Celsius ed è quella più ampiamente accettata ed utilizzata in tutto il mondo. E 'l'unità di misura standard della temperatura in quasi tutti i paesi.
La scala Fahrenheit è chiamata così in onore del fisico tedesco Daniel Fahrenheit ed è utilizzata negli Stati Uniti.
Le relazioni tra i due sistemi sono queste:

°C = (°F - 32) / 1.8
°F = 1.8 * (°C + 32)

La scala Kelvin fa riferimento allo zero assoluto, concetto derivato dagli studi del fisico scozzese William Thomson  (Lord Kelvin). Il rapporto con la scala Celsius è il seguente:

°C = K - 273.15
K = °C + 273.15

Lo strumento di misura della temperatura è il termometro: qualunque sia la temperatura, essa viene riflessa dalla lettura del termometro.  E ci sono una grande varietà di tipi di termometri, dal classico liquido (mercurio, alcohol) racchiuso in una colonna di vetro sottile a quelli elettronici.
Ogni strumento ha il suo campo di applicazione specifico, sia per la portata, sia per il modo in cui "percepisce" il calore, che è la parte fondamentale per una corretta misurazione. Esistono quindi una molteplicità di sonde di forme e dimensioni e materiali diversi. Basta sfogliare un qualsiasi catalogo di strumentazione per rendersene conto.

Misurare la temperatura

Una misura, ma anche solo una valutazione, della temperatura può essere sensata solamente utilizzando un termometro, non certo "toccando con un dito".  

Ma alcune misurazioni non sono direttamente possibili. Ad esempio, la misura della temperatura della giunzione di un semiconduttore non è normalmente possibile, dato che questa sta all' interno del package, come abbiamo visto prima. Quindi, l' unica temperatura a cui possiamo accedere è quella della superficie del package.

E' importante, nelle misure di temperatura su piccoli oggetti o superfici limitate, la scelta della sonda termometrica, che non deve avere una massa elevata rispetto al dispositivo da misurare e quindi non falsi la misura con la sua applicazione. Inoltre la sonda deve essere a reale contatto con il corpo di cui si vuole misurare la temperatura; se per liquidi o fluidi i problemi sono relativi, maggiori lo sono nel caso in cui si voglia valutare la temperatura di un corpo solido, cui si accede solamente alla superficie, che può essere sporca, ossidata o semplicemente con la quale la sonda scelta non fa un buon contatto. 
Va anche considerato che la sonda ha una certa inerzia nella risposta alle variazioni della temperatura in ragione della sua massa. Occorre quindi che il termometro abbia un sensore di dimensioni il più piccole possibile in relazione a cosa si vuole valutare oppure vengano utilizzati termometri senza contatto (misura a raggi infrarossi). 

Per quanto detto, la misura della temperatura di un semiconduttore o del suo dissipatore è molto meno semplice di quanto si pensi, per molte ragioni; ad esempio, il punto in cui effettuare la misura: un corpo composto di materiali diversi, come il package di un semiconduttore (resina epossidica e metallo) avrà temperature diverse a seconda di dove si posiziona la sonda. Così pure, quanto più ampio è il dissipatore rispetto al semiconduttore, tanto più il calore sarà maggiore vicino allo stesso che non alla periferia.
Quindi, volendo effettuare delle valutazioni accurate, occorrono misurazioni altrettanto accurate.

In ogni caso, una misura della temperatura è necessaria per verificare la correttezza pratica di quanto viene definito teoricamente, dato che spesso il calcolo teorico può poi essere vanificato da problemi realizzativi.
In particolare, la pretesa di valutare la resistenza termica di un materiale 

Le misure di temperatura e, sopratutto, di gradienti di temperatura, su oggetti piccoli e compositi come sono i componenti elettronici, non è una operazione semplice. La macchina a lato ha la funzione di valutare la resistenza termica di materiali di interfaccia tra superfici di scambio termico e non è certo un sistema alla portata di tutti. Voler valutare questo parametro con metodi empirici può portare ad approssimazioni inesatte e fuorvianti.  Anche la scelta del punto dove misurare la temperatura e della sonda da utilizzare possono non essere così semplicistici come troppi pensano.

Ad esempio, la temperatura misurata sul corpo epossidico di un transistor in package TO-220 e quella misurata sul tab possono discostarsi di parecchi gradi (la prima è minore). Quindi, quale è la "temperatura del case"?

Le norme JEDEC e MIL prevedono i punti su cui operare le misure di temperatura e queste possono richiedere sonde molto piccole e non comuni o particolari soluzioni costruttive: ad esempio, nel TO-220 citato, la temperatura andrebbe misurata al centro del tab metallico, dove è circa fissato il die. Questo richiede che il dissipatore su cui è fissato il componente abbia un foro per la sonda. Così come su un dissipatore di una certa superficie, quale è il punto dove misurare la temperatura, dato che, allontanandosi dal punto caldo generatore, essa andrà diminuendo? Non avendo riferimenti ben determinati, la misura della temperatura e i calcoli successivi per determinare la resistenza termica possono risultare ampiamente falsati. A lato, una apparecchiatura per la determinazione della resistenza termica giunzione-case, che, come si vede, non è costituita da un tester su cui è collegata una termocoppia...

Quindi, anche se è possibile tentare di misurare temperature con sistemi più o meno "artigianali", si tratta comunque di sistemi empirici, che danno risultati sensati solamente se chi esegue le misure ha una sufficiente competenza ed esperienza. Una misura che si effettua nei laboratori è quella ad infrarossi (termografia), ma usando non semplici pistole IR (pratiche per misure su grandi oggetti, come quadri elettrici, motori, trasformatori, abitazioni), ma telecamere o microscopi IR, oggetti il cui costo non è certo alla portata dello sperimentatore.

Il metodo più comune e più economico per misurare la temperatura superficiale caso è quello di utilizzare una sonda tipo K o T, poggiandola sul punto di cui si vuole conoscere la temperatura. Però, già questo approccio può essere fuorviante, in quanto la sonda può agire come un dissipatore di calore aggiuntivo al dispositivo. Per ridurre al minimo questo effetto si dovrà utilizzare la più piccola termocoppia possibile, ad esempio tipo T miniatura.
E un accoppiamento corretto è difficile tra superfici solide, per cui si noterà una differenza di misura tra la sonda applicata a secco e l' uso di un compound termo conduttivo. Inoltre, misurando la temperatura di un package composito, come un TO-220, si rileveranno temperature assai differenti tra la superficie della parte plastica e quella del tab metallico. E così pure sulla superficie di un TO-3 metallico.

Vediamo, come esempio, una termografia di un semiconduttore in package TO-220 applicato ad un dissipatore di calore. La temperatura è tutt' altro che uniforme sulla superficie, essendo più calda al tab, collegato strettamente alla giunzione, e molto inferiore a mano a mano che ci si allontana o si passa alla superficie plastica del package o ai pin. Ci si dovrebbe chiedere, una volta poggiata la sonda del termometro, cosa stiamo esattamente misurando.

Va considerato che il materiale ha uno spessore e, dato che il calore fluisce tridimensionalmente il termine "temperatura di giunzione" è un'approssimazione. 

Ancor più fluida, quindi, sarà la situazione sulla superficie del dissipatore, dove la temperatura andrà riducendosi con l' allontanarsi dal punto caldo. Diversi punti del sistema termico hanno temperature diverse, dato che la resistenza termica del materiale è diffusa in tutta la massa del materiale stesso (immagine tratta da documentazione IR). Quindi una misurazione di temperatura andrà effettuata con il giusto criterio, dato che ci possono essere errori anche di decine di gradi. Una versione animata di questa figura può essere vista cliccando qui (file da 2MB).

Quindi, se un controllo della temperatura è essenziale in ogni realizzazione elettronica (e non solo), ogni qualvolta si hanno oggetti caldi, essa, eseguita con mezzi semplicistici, non permette di andare più in la che tanto, se non addirittura fornire risultati fuorvianti.