La gestione del calore nei resistori ad alta potenza

L’industria dei componenti passivi registra un utilizzo crescente di dispositivi ad alta potenza a montaggio superficiale, soprattutto resistori. In risposta a questo trend, i progettisti puntano a realizzare componenti sempre più piccoli, trovandosi spesso a fare i conti con le leggi della fisica. I resistori, infatti, generano calore in virtù delle loro proprietà di resistenza: quanto maggiore è l’energia applicata, tanto maggiore è la quantità di calore generata. Se non viene adeguatamente dissipato, questo calore può determinare variazioni di valore tali da causare guasti. Per consentire potenze nominali elevate, per esempio resistori 1206 da oltre 100 Watt, le nuove tecnologie utilizzano ceramiche a base di nitruro di alluminio al posto dell’ossido di alluminio. Le ceramiche AlN sono caratterizzate da una conduttività termica simile all’ossido di berillio e superiore rispetto all’ossido di alluminio. In teoria, questi materiali dovrebbero offrire la soluzione ideale; in pratica lo smaltimento del calore continua a rappresentare una sfida complessa. Applicando 100 W, un resistore 1206 si scalda raggiungendo temperature superiori a 500 °C che, se non adeguatamente dissipate, sono in grado di fondere i giunti di saldatura e danneggiare gran parte dei componenti elettronici. Come mai, dunque, le potenze nominali dei resistori sono così elevate? In realtà, questi dispositivi sono di per sé in grado di funzionare a queste potenze grazie all’elevata conduttività termica del substrato e alla capacità di smaltire il calore dal dispositivo. Ma dove viene trasferito questo calore? Le schede tecniche fornite dai costruttori contengono note riguardanti la gestione termica attiva, con riferimenti a dissipatori o alla necessità di mantenere il dispositivo a una certa temperatura, per esempio 155 °C. Ma è facile, o economico, implementare la gestione termica necessaria al corretto funzionamento di questi resistori di potenza? La risposta è no.

Il trasferimento del calore

Nei resistori ad alta potenza con montaggio superficiale, il trasferimento del calore avviene in due modi: per conduzione attraverso il substrato, i conduttori e le piste della scheda e per convezione verso l’ambiente. Poiché la conduzione rappresenta il principale metodo di trasferimento del calore, molti costruttori dichiarano il coefficiente di resistenza termica dei loro dispositivi. Questo coefficiente offre una prima approssimazione dell’efficacia dello scambio termico tra il dispositivo, la scheda e le piste quando si applica energia, ossia °C/W. Questo valore, tuttavia, omette dettagli importanti, non indicando le caratteristiche della test card usata per stabilire il coefficiente nominale. La quantità di rame utilizzato nella test card, per esempio, produce scostamenti nel calcolo della resistenza termica del dispositivo. La convezione è un altro fattore da valutare, soprattutto se la scheda è installata in un contenitore che impedisce il trasferimento termico mediante convezione, con conseguente aumento della temperatura e possibili danni al componente e agli elementi circostanti. Nel caso dei resistori ad alta potenza, pertanto, l’uso di contenitori è sconsigliato. Inoltre, le potenze nominali dichiarate da alcuni costruttori presuppongono che il dissipatore possa dissipare una quantità infinita di calore. Questa premessa non è realistica e può limitare la quantità di energia applicabile a un componente.

Tecniche di gestione termica

  • Piste pesanti - Una tecnica semplice e comunemente usata per dissipare il calore consiste nell’impiegare piste “pesanti”, ossia nell’aumentare la superficie e il volume delle piste della scheda. Il frequente ricorso a questo espediente è dovuto al fatto che gran parte del trasferimento termico in questi dispositivi avviene per conduzione. Questa tecnica può essere realizzata aumentando la larghezza o lo spessore delle piste. Questa tecnica disperde il calore generato dal resistore sull’intera scheda, aumentando l’area di irraggiamento verso l’ambiente. Il problema si pone una volta raggiunto lo steady state. Se il design del dispositivo non integra tecniche di gestione termica attive, la scheda e l’ambiente circostante possono raggiungere una temperatura di picco superiore alle temperature di esercizio consentite. L’applicazione di questa tecnica richiede costi contenuti, ma non bassi data la quantità di metallo usata. 
  • Supporto termico - Una tecnica simile, e più efficiente, consiste nell’utilizzare supporti termici. Questa tecnica impiega una piastra in rame più grande montata nella parte inferiore della scheda per dissipare il calore dal circuito. Come per le piste pesanti, il calore viene dissipato su un’ampia massa termica che aumenta l’area di smaltimento mediante convezione e irraggiamento. Anche in questo caso occorre utilizzare una gestione termica attiva per evitare che la scheda e l’ambiente raggiungano temperature superiori a quelle raccomandate. Poiché il supporto viene realizzato in rame pesante, questa tecnica aumenta i costi di produzione e la dimensione della scheda. 
  • Bagno d’olio - L’immersione in olio consente di smaltire il calore della scheda e dei componenti. Essendo l’olio a diretto contatto con tutte le superfici, la conduzione del calore risulta altamente efficiente. Tuttavia, è necessario considerare due possibili problemi: la contaminazione dell’olio e la compatibilità dei materiali. L’olio deve possedere ottime proprietà dielettriche. La presenza di contaminanti pregiudica queste proprietà, causando archi elettrici e guasti. Inoltre, gli oli usati possono essere non compatibili con i materiali del resistore ad alta potenza, di altri componenti o della stessa saldatura. Anche questa tecnica richiede l’uso di una gestione termica attiva per evitare il problema dello steady state. A un certo punto, infatti, il volume fisso di olio raggiunge una temperatura di picco che può superare il valore limite raccomandato. Questa tecnica implica una spesa significativa, in quanto gli oli costano e richiedono contenitori. 
  • Raffreddamento attivo - Il raffreddamento attivo è efficace, ma costoso. La spesa supera di solito i 10.000 dollari se si utilizza un compressore. Una tecnica impiegata consiste nell’utilizzare un chiller per controllare la circolazione del refrigerante. Il chiller può essere impiegato con un supporto termico provvisto di canali di scorrimento per il refrigerante o tubi termicamente collegati alla superficie del supporto. Questo metodo può essere utilizzato anche con il bagno d’olio, mediante ricircolo continuo dell’olio nel chiller. Queste tecniche asportano il calore dal supporto termico o dal bagno d’olio. Un’altra tecnica consiste nell’utilizzare la ventilazione forzata con aria condizionata o non, un metodo semplice e attuabile a costi ragionevoli. L’efficacia di questa tecnica, tuttavia, dipende dalla convezione e dall’area del resistore ad alta potenza. Alcuni resistori ad alta potenza vengono installati all’interno di dissipatori che agevolano il processo di raffreddamento aumentando la massa termica e l’area della superficie. Per adottare questa tecnica occorre avere a disposizione spazio sufficiente a consentire la corretta circolazione dell’aria attorno alla scheda. Inoltre, l’aria deve essere di solito filtrata per impedire l’ingresso di contaminanti che possono pregiudicare le prestazioni dei componenti.

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