Nonostante il generale miglioramento dell'efficienza energetica dei moderni dispositivi a stato solido, dai dispositivi di potenza ai processori e ai convertitori, la crescente integrazione su silicio, combinata con l'addensamento dei componenti sui circuiti stampati e i contenitori sempre più compatti e sigillati, mettono a dura prova i progettisti nel cercare di mantenere la temperatura operativa dei dispositivi entro le specifiche dei fabbricanti. Una vasta gamma di tecniche e materiali sono ora disponibili per facilitare il progetto termico di un sistema elettronico. Infatti, i materiali di riempimento (gap filler) termicamente conduttivi, che permettono di realizzare un contatto termicamente efficiente tra il contenitore di un circuito integrato surriscaldato e il telaio metallico o l'involucro esterno, sono elementi fondamentali per i progetti privi di ventole, che consentono di concentrare elevate capacità di calcolo in prodotti portatili compatti. Quando viene inserito nello spazio tra il componente e il dissipatore, il materiale termicamente conduttivo migliora le prestazioni termiche, eliminando l'aria che normalmente occuperebbe tale spazio. Per fissare un dissipatore direttamente sul componente esistono altri materiali dedicati, come grassi a cambiamento di fase, gel termici o nastri adesivi, che possono essere utilizzati per massimizzare il trasferimento di calore verso il dissipatore. Uno dei principali punti di forza dei materiali odierni è la capacità di offrire una vasta scelta delle loro proprietà, variando semplicemente il rapporto tra il materiale del legante siliconico e le particelle ceramiche termicamente conduttive disperse all'interno nel materiale. Sebbene una maggiore proporzione di particelle aumenti la conducibilità termica del materiale, può comportare di contro una riduzione di sofficità e plasmabilità, che può in definitiva compromettere le prestazioni termiche globali nell'apparato dell'utente finale. È importante che i progettisti comprendano come un raffreddamento efficace dell'elettronica dipenda dalle prestazioni di tutto il sistema di dissipazione e non solamente dai parametri riportati nel datasheet del materiale selezionato, come la conducibilità termica.
La conducibilità termica
La conducibilità termica è una proprietà intrinseca del materiale ed è indipendente da fattori quali le dimensioni e la forma del materiale. La resistenza termica del materiale dipende dalla sua area e dal suo spessore, che sono fattori importanti quando si dimensiona un sistema per trasferire il calore dal package di un componente al dissipatore, sia esso il telaio o il contenitore. Quando si calcola la trasmissione del calore attraverso il sistema completo, dal package del componente attraverso il filler e verso il dissipatore, la differenza di temperatura complessiva è proporzionale alla somma delle singole resistenze termiche, incluse anche le resistenze di interfaccia lungo le superfici di contatto tra i materiali. L'abilità del materiale di riempimento di scorrere e coprire in modo conforme la superficie del componente e del dissipatore ha un effetto importante sulle prestazioni termiche e sul raffreddamento del circuito integrato. Tipicamente viene applicata una pressione per aiutare il materiale di riempimento ad aderire e fluire in modo da migliorare il contatto tra le superfici affacciate. Inoltre, la pressione tende ad aumentare la conducibilità termica del materiale e quindi agisce per ridurre la resistenza termica. Le proprieta termiche del materiale sottoposto a pressione sono riportate nel datasheet. Una pressione sul materiale di riempimento può essere esercitata nella fase di assemblaggio del contenitore se il telaio o la scatola sono utilizzati come dissipatori. Un materiale più rigido potrebbe trasmettere una pressione di ritorno eccessiva al corpo del componente o ai piedini e potrebbe fluire in modo non adeguato tra la superficie del componente ed il dissipatore. Ciò può portare ad una resistenza di interfaccia relativamente alta, che determina prestazioni inferiori alle attese. Scegliere un materiale più soffice con migliori proprietà di adattabilità offrirà migliori prestazioni termiche complessive. Nei casi in cui sia richiesta un'adesione su una superficie rugosa o irregolare, un filler più viscoso (tipo form-in-place) può essere considerato. I filler form-in-place, che possono essere dispensati automaticamente, possono anche migliorare la produttività se inseriti in un processo di produzione automatizzato.
La verifica termica
Date le numerose variabili da considerare e la diversità di materiali termici e tecniche di assemblaggio disponibili, una verifica termica, basata sulle prestazioni del sistema complessivo, dovrebbe essere svolta nella fase iniziale della progettazione di un nuovo prodotto. Come per tutti gli aspetti dell'ingegnerizzazione, variazioni significative del progetto diventano sempre più costose, lunghe e difficili da realizzare via via che il progetto avanza. Ad esempio, disporre i componenti più caldi sulla scheda in posizioni adatte ad una dissipazione più efficace può evitare un complicato progetto termico o una costosa revisione della scheda ed il rischio di ritardare l'introduzione di un nuovo prodotto. Affrontare tempestivamente queste problematiche, eventualmente affidandosi al consiglio degli specialisti di progettazione termica come Chomerics, può fare la differenza. Per quanto riguarda il progetto termico, un problema assillante può diventare velocemente un problema risolto.
