Nuove sfide per la gestione del calore

In risposta alle preoccupazioni globali sull’impatto ambientale e la sostenibilità, con la conseguente necessità di minimizzare i consumi di energia, i produttori di apparecchiature elettroniche sono ora attenti più che mai a scegliere circuiti estremamente efficienti nei loro progetti. La considerazione vale sia per gli apparecchi alimentati dalla rete elettrica, sia per quelli portatili alimentati a batteria, nei quali i progettisti inseriscono un sempre maggior numero di funzionalità e cercano di spremere al massimo il contenuto energetico delle batterie. Una migliore efficienza energetica implica la presenza di minori perdite e, di conseguenza, potenzialmente una minore quantità di calore da smaltire. Considerata solo da questo punto di vista, sembrerebbe trattarsi di una buona notizia per i progettisti, che vedrebbero alleggerirsi i problemi di gestione termica nella realizzazione di nuovi prodotti. In realtà, i benefici termici ottenibili con circuiti progettati per la massima efficienza energetica sono spesso compensati dalla presenza di schede e sistemi molto più densamente popolati e dall’esigenza di non utilizzare ventole e di chiudere ermeticamente prodotti elettronici portatili per proteggerli dall’umidità e da altri contaminanti esterni. Quindi, sebbene le sfide legate alla gestione termica possano essere diverse da quelle del passato, esse rappresentano tuttora un fattore critico per realizzare prodotti robusti e affidabili. Proprio per soddisfare l’esigenza di riduzione dei consumi, l’utilizzo di ventole di raffreddamento rappresenta la scelta meno desiderabile per il sistema di dissipazione del calore, sia per gli apparecchi alimentati da rete elettrica, sia per quelli alimentati a batteria. Oltre a richiedere parecchia energia per il loro funzionamento, le ventole occupano spazio prezioso, creano diverse problematiche ingegneristiche, sono rumorose e, poiché hanno parti meccaniche in movimento, possono guastarsi.

Pervasività e miniaturizzazione
L’elettronica è sempre più presente nella nostra vita quotidiana e il fatto che i prodotti e i componenti siano diventati gradualmente più piccoli ha creato la necessità di utilizzare materiali nuovi per la gestione del calore da essi generato. Forse 25 anni fa c'erano poche apparecchiature elettroniche portatili mentre i sistemi fissi erano molto più ingombranti. Poiché i dispositivi avevano poche funzioni, il numero dei componenti era molto basso. Di conseguenza i contenitori racchiudevano componenti grandi e ben distanziati e non vi erano particolari problemi di tipo termico. Laddove esistevano problemi di questo tipo, le ventole, le paste termoconduttive e i dissipatori metallici erano soluzioni più che buone. Ma, come previsto dalla legge di Moore, il numero di transistor in un circuito integrato tende più o meno a raddoppiare ogni due anni. Inoltre, molti costruttori sono riusciti a integrare funzioni, in precedenza svolte da più elementi discreti, in circuiti di piccole dimensioni integrati in un unico contenitore. Ciò ha portato alla diffusione di apparecchiature piccole, portatili e caratterizzate da un gran numero di funzioni interessanti e che hanno irreversibilmente modificato il modo in cui tutti noi viviamo e lavoriamo. La presenza di dispositivi integrati strettamente ravvicinati, racchiusi entro sistemi piccoli ed ermetici, richiede un'attenta gestione dei problemi termici.

Materiali e tecniche
Molti dei materiali tradizionalmente utilizzati per questo scopo non risultano adatti e quindi il progettista ha oggi a disposizione una scelta più ampia di materiali e tecniche.

Gel polimerizzati – Siliconi pretrattati, altamente lavorabili, costituiti da un solo componente ed erogati tramite dispenser, sono l'ideale per riempire interstizi ampi e irregolari presenti all'interno delle apparecchiature elettroniche. La pasta viscoelastica è un materiale di forma stabile e polimerizzato che richiede pochissima pressione per assumere la forma voluta in fase di montaggio. Questa caratteristica contribuisce a ridurre le sollecitazioni nei punti di saldatura e in corrispondenza dei contatti che potrebbero causare una rottura prematura del dispositivo oppure danneggiare il circuito stampato in cui esso è inserito. In alcuni casi è indispensabile che il dispositivo da gestire termicamente sia elettricamente isolato dallo chassis o dal dissipatore al quale è accoppiato tramite il gel termico. In questo caso, piccole gocce di vetro inserite nel gel possono impedire in modo efficace alle due superfici di entrare in diretto contatto.

Pad isolanti – Sono generalmente dei materiali molto sottili (circa 0,25 mm) costituiti da un elastomero di silicone miscelato con un riempitivo termicamente conduttivo. Si utilizza di solito un tessuto in fibra ottica per rafforzare il materiale e renderlo resistente al taglio, che potrebbe rendere inefficaci le proprietà elettriche isolanti del materiale. In applicazioni che richiedono pressioni di serraggio più elevate, o laddove il rischio di taglio è maggiore, sono disponibili materiali più resilienti. Vi è una vasta scelta di materiali utilizzabili per i pannelli isolanti, con riempitivi differenti che consentono di offrire una vasta gamma di prestazioni termiche ed elettriche. È anche possibile optare per vernici adesive a bassa viscosità, studiate per agevolare il serraggio.

Nastri adesivi – Nastri termicamente conduttivi offrono un'alternativa efficace a fissaggi meccanici come viti, graffe e rivetti per collegare dissipatori a contenitori ceramici o metallici. Oltre a velocizzare il montaggio e a risparmiare spazio, permettono anche di abbreviare la distinta dei materiali.

Pad interstiziali – Forse i materiali di “nuova generazione” più di successo utilizzati nelle interfacce termiche sono stati i pad riempitivi al silicio. Questi hanno consentito l'impiego di rivestimenti o di chassis come dissipatori di calore in luogo di costosi e pesanti dissipatori dedicati. Inserendo un morbido materiale riempitivo tra il dispositivo che genera calore e il suo contenitore o telaio, il calore può essere asportato in modo molto efficace. Grazie alla superficie tipicamente ampia del contenitore e grazie alla presenza di un percorso termico verso l'esterno a temperatura più bassa, questo approccio può anche eliminare la necessità di usare ventole nei casi specifici in cui il progetto le richieda. In alcuni progetti sono stati anche usati per realizzare soluzioni completamente ermetiche e quindi adatte anche ad ambienti dove sono presenti umidità o altri contaminanti. I materiali riempitivi sono disponibili in una vasta gamma di spessori che ora si estendono oltre i 5 mm, dando la possibilità di riempire anche gli interstizi più ampi. La loro consistenza estremamente morbida (anche di soli 4 Shore 00) ammette notevoli tolleranze meccaniche anche applicando una debole forza di serraggio. Grazie a una miscela accurata di riempitivi al silicio che utilizzano differenti materiali termicamente conduttivi, i progettisti possono scegliere il materiale più adatto a soddisfare le esigenze specifiche di gestione termica di ogni sistema. È una possibilità molto apprezzata, in quanto i materiali con le migliori caratteristiche termiche –  i valori massimi sono nel range dei 4,0 W/m-k – tipicamente utilizzano ingredienti più costosi, oppure hanno necessità più stringenti per quanto riguarda la loro miscelazione. I riempitivi interstiziali sono spesso disponibili in fogli in alluminio oppure in pannelli di fibra ottica, di cui i primi presentano migliori caratteristiche termiche. Un adesivo acrilico a pressione ad alta resistenza favorisce il serraggio e consente un'aderenza permanente del riempitivo su superfici fredde.

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