Un disipador de calor (también comúnmente escrito como disipador de calor [1] ) es un intercambiador de calor pasivo que transfiere el calor generado por un dispositivo electrónico o mecánico a un medio fluido , a menudo aire o un refrigerante líquido, donde se disipa lejos del dispositivo. permitiendo así la regulación de la temperatura del dispositivo. En las computadoras, los disipadores de calor se utilizan para enfriar CPU , GPU y algunos conjuntos de chips y módulos RAM. Los disipadores de calor se utilizan con dispositivos semiconductores de alta potencia, como transistores de potencia. y optoelectrónica como láseres y diodos emisores de luz (LED), donde la capacidad de disipación de calor del componente en sí es insuficiente para moderar su temperatura.
Un disipador de calor está diseñado para maximizar su área de superficie en contacto con el medio de enfriamiento que lo rodea, como el aire. La velocidad del aire, la elección del material, el diseño de la protuberancia y el tratamiento de la superficie son factores que afectan el rendimiento de un disipador de calor. Los métodos de fijación del disipador de calor y los materiales de interfaz térmica también afectan la temperatura de la matriz del circuito integrado. El adhesivo térmico o la pasta térmica mejoran el rendimiento del disipador de calor al llenar los espacios de aire entre el disipador de calor y el difusor de calor del dispositivo. Un disipador de calor generalmente está hecho de aluminio o cobre.
Principio de transferencia de calor
Un disipador de calor transfiere energía térmica de un dispositivo de temperatura más alta a un medio fluido de temperatura más baja . El medio fluido es frecuentemente aire, pero también puede ser agua, refrigerantes o aceite. Si el medio fluido es agua, el disipador de calor se denomina frecuentemente placa fría. En termodinámica, un disipador de calor es un depósito de calor que puede absorber una cantidad arbitraria de calor sin cambiar significativamente la temperatura. Los disipadores de calor prácticos para dispositivos electrónicos deben tener una temperatura más alta que la del entorno para transferir calor por convección, radiación y conducción. Las fuentes de alimentación de la electrónica no son absolutamente eficientes, por lo que se produce un calor extra que puede ser perjudicial para el funcionamiento del dispositivo. Como tal, se incluye un disipador de calor en el diseño para dispersar el calor. [2] [3]
Para comprender el principio de un disipador de calor, considere la ley de conducción de calor de Fourier . Simplificado a una forma unidimensional en la dirección x , muestra que cuando hay un gradiente de temperatura en un cuerpo, el calor se transferirá de la región de temperatura más alta a la región de temperatura más baja. La velocidad a la que se transfiere el calor por conducción,, es proporcional al producto del gradiente de temperatura por el área de la sección transversal a través de la cual se transfiere el calor:
Considere un disipador de calor en un conducto, donde el aire fluye a través del conducto. Se supone que la base del disipador de calor tiene una temperatura más alta que el aire. Al aplicar la conservación de energía, para condiciones de estado estacionario, y la ley de enfriamiento de Newton a los nodos de temperatura que se muestran en el diagrama, se obtiene el siguiente conjunto de ecuaciones:
dónde
El uso de la temperatura media del aire es un supuesto válido para disipadores de calor relativamente cortos. Cuando se calculan los intercambiadores de calor compactos, se utiliza la temperatura media logarítmica del aire. es el caudal másico de aire en kg / s.
Las ecuaciones anteriores muestran que:
- Cuando el flujo de aire a través del disipador de calor disminuye, esto da como resultado un aumento en la temperatura promedio del aire. Esto, a su vez, aumenta la temperatura base del disipador de calor. Y, además, también aumentará la resistencia térmica del disipador de calor. El resultado neto es una temperatura base del disipador de calor más alta.
- El aumento de la resistencia térmica del disipador de calor con la disminución del caudal se mostrará más adelante en este artículo.
- La temperatura del aire de entrada se relaciona fuertemente con la temperatura base del disipador de calor. Por ejemplo, si hay recirculación de aire en un producto, la temperatura del aire de entrada no es la temperatura del aire ambiente. Por tanto, la temperatura del aire de entrada del disipador de calor es más alta, lo que también da como resultado una temperatura base del disipador de calor más alta.
- Si no hay flujo de aire alrededor del disipador de calor, no se puede transferir energía.
- Un disipador de calor no es un dispositivo con la "capacidad mágica de absorber el calor como una esponja y enviarlo a un universo paralelo". [4]
La convección natural requiere un flujo de aire libre sobre el disipador de calor. Si las aletas no están alineadas verticalmente, o si las aletas están demasiado juntas para permitir un flujo de aire suficiente entre ellas, la eficiencia del disipador de calor disminuirá.
Factores de diseño
Resistencia termica
Para los dispositivos semiconductores utilizados en una variedad de electrónica industrial y de consumo, la idea de resistencia térmica simplifica la selección de disipadores de calor. El flujo de calor entre el semiconductor y el aire ambiente se modela como una serie de resistencias al flujo de calor; hay una resistencia desde el dado hasta la carcasa del dispositivo, desde la carcasa al disipador de calor y desde el disipador de calor al aire ambiente. La suma de estas resistencias es la resistencia térmica total de la matriz al aire ambiente. La resistencia térmica se define como el aumento de temperatura por unidad de potencia, análoga a la resistencia eléctrica, y se expresa en unidades de grados Celsius por vatio (° C / W). Si se conoce la disipación del dispositivo en vatios y se calcula la resistencia térmica total, se puede calcular el aumento de temperatura del dado sobre el aire ambiente.
La idea de resistencia térmica de un disipador de calor semiconductor es una aproximación. No tiene en cuenta la distribución no uniforme del calor sobre un dispositivo o disipador de calor. Solo modela un sistema en equilibrio térmico y no tiene en cuenta el cambio de temperatura con el tiempo. Tampoco refleja la no linealidad de la radiación y la convección con respecto al aumento de temperatura. Sin embargo, los fabricantes tabulan valores típicos de resistencia térmica para disipadores de calor y dispositivos semiconductores, lo que permite simplificar la selección de disipadores de calor fabricados comercialmente. [5]
Los disipadores de calor de aluminio extruido comerciales tienen una resistencia térmica (disipador de calor al aire ambiente) que va desde 0,4 ° C / W para un disipador grande diseñado para dispositivos TO-3 , hasta 85 ° C / W para un calor con clip fregadero para una pequeña caja de plástico TO-92 . [5] El popular 2N3055 transistor de potencia en un caso TO-3 tiene una resistencia térmica interna de la salida para el caso de 1,52 ° C / W . [6] El contacto entre la carcasa del dispositivo y el disipador de calor puede tener una resistencia térmica entre 0,5 y 1,7 ° C / W , según el tamaño de la carcasa y el uso de grasa o arandela de mica aislante. [5]
Material
Los materiales disipadores de calor más comunes son las aleaciones de aluminio . [7] La aleación de aluminio 1050 tiene uno de los valores de conductividad térmica más altos a 229 W / (m · K), [8] pero es mecánicamente blanda. Las aleaciones de aluminio 6060 (bajo estrés), 6061 y 6063 se utilizan comúnmente, con valores de conductividad térmica de 166 y 201 W / (m · K) respectivamente. Los valores dependen del temple de la aleación. Los disipadores de calor de aluminio de una pieza se pueden fabricar mediante extrusión , fundición , biselado o fresado .
El cobre tiene excelentes propiedades de disipación de calor en términos de conductividad térmica, resistencia a la corrosión, resistencia a la bioincrustación y resistencia a los antimicrobianos (ver también Cobre en intercambiadores de calor ). El cobre tiene alrededor del doble de conductividad térmica que el aluminio, alrededor de 400 W / (m · K) para el cobre puro. Sus principales aplicaciones son en instalaciones industriales, plantas de energía, sistemas de agua termosolar , sistemas HVAC, calentadores de agua a gas, sistemas de enfriamiento y calefacción de aire forzado, calefacción y enfriamiento geotérmico y sistemas electrónicos.
El cobre es tres veces más denso [7] y más caro que el aluminio. [7] Se pueden fabricar disipadores de calor de cobre de una pieza mediante biselado o fresado . Las aletas de chapa se pueden soldar sobre un cuerpo de cobre rectangular. El cobre es menos dúctil que el aluminio, por lo que no se puede extruir en disipadores de calor. [9] [10]
Eficiencia de las aletas
La eficiencia de las aletas es uno de los parámetros que hace que un material de conductividad térmica más alta sea importante. Se puede considerar que una aleta de un disipador de calor es una placa plana en la que el calor fluye en un extremo y se disipa en el fluido circundante a medida que viaja hacia el otro. [11] A medida que el calor fluye a través de la aleta, la combinación de la resistencia térmica del disipador de calor que impide el flujo y la pérdida de calor debido a la convección, la temperatura de la aleta y, por lo tanto, la transferencia de calor al fluido, disminuirá de la base hasta el final de la aleta. La eficiencia de la aleta se define como el calor real transferido por la aleta, dividido por la transferencia de calor si la aleta fuera isotérmica (hipotéticamente, la aleta tiene una conductividad térmica infinita). Estas ecuaciones son aplicables para aletas rectas: [12]
dónde
- h f es el coeficiente de convección de la aleta:
- 10 a 100 W / (m 2 · K) en aire,
- 500 a 10,000 W / (m 2 · K) en agua,
- k es la conductividad térmica del material de la aleta:
- 120 a 240 W / ( m · K ) para aluminio,
- L f es la altura de la aleta (m),
- t f es el espesor de la aleta (m).
La eficiencia de las aletas aumenta al disminuir la relación de aspecto de las aletas (haciéndolas más gruesas o más cortas) o al usar material más conductor (cobre en lugar de aluminio, por ejemplo).
Resistencia a la propagación
Otro parámetro que concierne a la conductividad térmica del material disipador de calor es la resistencia a la propagación. La resistencia a la propagación se produce cuando la energía térmica se transfiere de un área pequeña a un área más grande en una sustancia con conductividad térmica finita. En un disipador de calor, esto significa que el calor no se distribuye uniformemente a través de la base del disipador de calor. El fenómeno de la resistencia a la propagación se muestra por la forma en que el calor viaja desde la ubicación de la fuente de calor y provoca un gran gradiente de temperatura entre la fuente de calor y los bordes del disipador de calor. Esto significa que algunas aletas están a una temperatura más baja que si la fuente de calor fuera uniforme en la base del disipador de calor. Esta falta de uniformidad aumenta la resistencia térmica efectiva del disipador de calor.
Para disminuir la resistencia a la propagación en la base de un disipador de calor:
- aumentar el espesor de la base,
- elija un material diferente con mayor conductividad térmica,
- utilice una cámara de vapor o un tubo de calor en la base del disipador de calor.
Arreglos de aletas
Un disipador de calor de aleta de clavija es un disipador de calor que tiene clavijas que se extienden desde su base. Los pasadores pueden ser cilíndricos, elípticos o cuadrados. Un pin es uno de los tipos de disipadores de calor más comunes disponibles en el mercado. [ cita requerida ] Un segundo tipo de disposición de aletas de disipador de calor es la aleta recta. Estos recorren toda la longitud del disipador de calor. Una variación del disipador de calor de aleta recta es un disipador de calor de corte transversal. Un disipador de calor de aleta recta se corta a intervalos regulares.
En general, cuanta más superficie tenga un disipador de calor, mejor funcionará. [4] Sin embargo, esto no siempre es cierto. El concepto de un disipador de calor de aleta de alfiler es tratar de empaquetar tanta área de superficie en un volumen dado como sea posible. [4] Además, funciona bien en cualquier orientación. Kordyban [4] ha comparado el rendimiento de un disipador de calor de aleta de clavija y uno de aleta recta de dimensiones similares. Aunque la aleta tiene una superficie de 194 cm 2 mientras que la aleta recta tiene 58 cm 2 , la diferencia de temperatura entre la base del disipador de calor y el aire ambiente para la aleta es de 50 ° C , pero para la aleta recta era 44 ° C, o 6 ° C mejor que el pin-fin. El rendimiento del disipador de calor con aletas de clavija es significativamente mejor que las aletas rectas cuando se utilizan en su aplicación prevista, donde el fluido fluye axialmente a lo largo de las clavijas en lugar de solo tangencialmente a través de las clavijas.
Tipo de aleta de disipador de calor | Ancho [cm] | Longitud [cm] | Altura (cm] | Superficie [cm 2 ] | Volumen [cm 3 ] | Diferencia de temperatura, caso T - T aire [° C] |
---|---|---|---|---|---|---|
Derecho | 2.5 | 2.5 | 3.2 | 58 | 20 | 44 |
Alfiler | 3.8 | 3.8 | 1,7 | 194 | 24 | 51 |
Otra configuración es el disipador de calor de aleta abocinada; sus aletas no son paralelas entre sí, como se muestra en la figura 5 [ aclarar ] . El ensanchamiento de las aletas disminuye la resistencia al flujo y hace que pase más aire a través del canal de aletas del disipador de calor; de lo contrario, más aire pasaría por alto las aletas. Inclinarlos mantiene iguales las dimensiones generales, pero ofrece aletas más largas. Forghan y col. [13] han publicado datos sobre pruebas realizadas en disipadores de calor de aleta plana, de aleta recta y de aleta abocinada. Descubrieron que para una velocidad de aproximación de aire baja, generalmente alrededor de 1 m / s, el rendimiento térmico es al menos un 20% mejor que los disipadores de calor de aleta recta. Lasance y Eggink [14] también encontraron que para las configuraciones de derivación que probaron, el disipador de calor abocinado funcionó mejor que los otros disipadores de calor probados.
Cavidades (aletas invertidas)
Las cavidades (aletas invertidas) incrustadas en una fuente de calor son las regiones formadas entre las aletas adyacentes que representan los promotores esenciales de la ebullición o condensación nucleadas. Estas cavidades se utilizan generalmente para extraer calor de una variedad de cuerpos generadores de calor a un disipador de calor. [15] [16]
Placa gruesa conductora entre la fuente de calor y el disipador de calor
La colocación de una placa gruesa conductora como interfaz de transferencia de calor entre una fuente de calor y un fluido que fluye frío (o cualquier otro disipador de calor) puede mejorar el rendimiento de enfriamiento. En tal disposición, la fuente de calor se enfría debajo de la placa gruesa en lugar de enfriarse en contacto directo con el fluido refrigerante. Se muestra [ cita requerida ] que la placa gruesa puede mejorar significativamente la transferencia de calor entre la fuente de calor y el fluido refrigerante al conducir la corriente de calor de una manera óptima. Las dos ventajas más atractivas de este método son que no hay potencia de bombeo adicional ni área de superficie de transferencia de calor adicional, que es bastante diferente de las aletas (superficies extendidas).
Color de la superficie
La transferencia de calor del disipador de calor se produce por convección del aire circundante, conducción a través del aire y radiación .
La transferencia de calor por radiación es una función tanto de la temperatura del disipador de calor como de la temperatura del entorno al que está acoplado ópticamente el disipador de calor. Cuando ambas temperaturas están en el orden de 0 ° C a 100 ° C, la contribución de la radiación en comparación con la convección es generalmente pequeña, y este factor a menudo se pasa por alto. En este caso, los disipadores de calor con aletas que operan en convección natural o flujo forzado no se verán afectados significativamente por la emisividad de la superficie .
En situaciones donde la convección es baja, como un panel plano sin aletas con bajo flujo de aire, el enfriamiento radiativo puede ser un factor significativo. Aquí, las propiedades de la superficie pueden ser un factor de diseño importante. Las superficies de color negro mate irradian de manera mucho más eficiente que el metal desnudo brillante. [17] [18] Una superficie de metal brillante tiene baja emisividad. La emisividad de un material depende enormemente de la frecuencia y está relacionada con la absortividad (de la cual las superficies metálicas brillantes tienen muy poca). Para la mayoría de los materiales, la emisividad en el espectro visible es similar a la emisividad en el espectro infrarrojo [ cita requerida ] ; sin embargo, hay excepciones, en particular, ciertos óxidos metálicos que se utilizan como " superficies selectivas ".
En el vacío o en el espacio exterior , no hay transferencia de calor por convección, por lo tanto, en estos entornos, la radiación es el único factor que rige el flujo de calor entre el disipador de calor y el entorno. Para un satélite en el espacio, una superficie de 100 ° C (373 kelvin) frente al Sol absorberá una gran cantidad de calor radiante, porque la temperatura de la superficie del Sol es de casi 6000 kelvin, mientras que la misma superficie que mira hacia el espacio profundo irradiará mucho. de calor, ya que el espacio profundo tiene una temperatura efectiva de solo varios kelvin.
Aplicaciones de ingeniería
Refrigeración por microprocesador
La disipación de calor es un subproducto inevitable de los dispositivos y circuitos electrónicos. [11] En general, la temperatura del dispositivo o componente dependerá de la resistencia térmica del componente al medio ambiente y del calor disipado por el componente. Para asegurarse de que el componente no se sobrecaliente , un ingeniero térmico busca encontrar una ruta de transferencia de calor eficiente desde el dispositivo al medio ambiente. La ruta de transferencia de calor puede ser desde el componente a una placa de circuito impreso (PCB), a un disipador de calor, al flujo de aire proporcionado por un ventilador, pero en todos los casos, eventualmente al medio ambiente.
Dos factores de diseño adicionales también influyen en el rendimiento térmico / mecánico del diseño térmico:
- El método por el cual el disipador de calor se monta en un componente o procesador. Esto se discutirá en la sección métodos de conexión .
- Para cada interfaz entre dos objetos en contacto entre sí, habrá una caída de temperatura en la interfaz. Para tales sistemas compuestos, la caída de temperatura a través de la interfaz puede ser apreciable. [12] Este cambio de temperatura puede atribuirse a lo que se conoce como resistencia de contacto térmico. [12] Los materiales de interfaz térmica (TIM) disminuyen la resistencia al contacto térmico.
Métodos de fijación
A medida que aumenta la disipación de energía de los componentes y disminuye el tamaño del paquete de componentes, los ingenieros térmicos deben innovar para garantizar que los componentes no se sobrecalienten . Los dispositivos que funcionan a menor temperatura duran más. El diseño de un disipador de calor debe cumplir tanto con sus requisitos térmicos como mecánicos. Con respecto a este último, el componente debe permanecer en contacto térmico con su disipador de calor con golpes y vibraciones razonables. El disipador de calor podría ser la lámina de cobre de una placa de circuito o un disipador de calor independiente montado en el componente o placa de circuito. Los métodos de fijación incluyen cinta termoconductora o epoxi, clips en Z en forma de alambre, clips de resorte planos, espaciadores de separación y pasadores de empuje con extremos que se expanden después de la instalación.
- Cinta termoconductora
La cinta termoconductora es uno de los materiales de fijación del disipador de calor más rentables. [19] Es adecuado para disipadores de calor de baja masa y para componentes con baja disipación de potencia. Consiste en un material portador térmicamente conductor con un adhesivo sensible a la presión en cada lado.
Esta cinta se aplica a la base del disipador de calor, que luego se une al componente. Los siguientes son factores que influyen en el rendimiento de la cinta térmica: [19]
- Las superficies tanto del componente como del disipador de calor deben estar limpias, sin residuos como una película de grasa de silicona .
- La presión de precarga es esencial para asegurar un buen contacto. Una presión insuficiente da como resultado áreas sin contacto con el aire atrapado y da como resultado una resistencia térmica de la interfaz más alta de lo esperado.
- Las cintas más gruesas tienden a proporcionar una mejor "humectabilidad" con superficies de componentes irregulares. La "humectabilidad" es el porcentaje de área de contacto de una cinta con un componente. Sin embargo, las cintas más gruesas tienen una mayor resistencia térmica que las cintas más delgadas. Desde el punto de vista del diseño, es mejor lograr un equilibrio seleccionando un grosor de cinta que proporcione la máxima "humectabilidad" con una mínima resistencia térmica.
- Epoxy
El epoxi es más caro que la cinta, pero proporciona una mayor unión mecánica entre el disipador de calor y el componente, así como una conductividad térmica mejorada. [19] El epoxi elegido debe estar formulado para este propósito. La mayoría de los epóxicos son formulaciones líquidas de dos partes que deben mezclarse completamente antes de aplicarse al disipador de calor y antes de colocar el disipador de calor sobre el componente. Luego, el epoxi se cura durante un tiempo específico, que puede variar de 2 horas a 48 horas. Se puede lograr un tiempo de curado más rápido a temperaturas más altas. Las superficies a las que se aplica el epoxi deben estar limpias y libres de cualquier residuo.
La unión de epoxi entre el disipador de calor y el componente es semipermanente / permanente. [19] Esto hace que la repetición de trabajos sea muy difícil y, en ocasiones, imposible. El daño más típico causado por el retrabajo es la separación del disipador de calor de la matriz del componente de su paquete.
- Clips en Z en forma de alambre
Más caro que la cinta y el epoxi, los clips en forma de Z de alambre sujetan los disipadores de calor mecánicamente. Para usar los clips en Z, la placa de circuito impreso debe tener anclajes. Los anclajes se pueden soldar a la placa o empujarlos. Cualquiera de los dos tipos requiere que se diseñen agujeros en el tablero. Se debe permitir el uso de soldadura RoHS porque dicha soldadura es mecánicamente más débil que la soldadura tradicional de Pb / Sn.
Para ensamblar con un clip en Z , fije un lado a uno de los anclajes. Desvíe el resorte hasta que el otro lado del clip se pueda colocar en el otro anclaje. La deflexión desarrolla una carga de resorte sobre el componente, que mantiene un muy buen contacto. Además del accesorio mecánico que proporciona el z-clip, también permite el uso de materiales de interfaz térmica de mayor rendimiento, como los tipos de cambio de fase. [19]
- Clips
Disponibles para procesadores y componentes de matriz de rejilla de bola (BGA), los clips permiten la conexión de un disipador de calor BGA directamente al componente. Los clips hacen uso del espacio creado por la matriz de rejilla de bolas (BGA) entre la parte inferior del componente y la superficie superior de la PCB. Por lo tanto, los clips no requieren agujeros en la PCB. También permiten un fácil reprocesamiento de componentes.
- Pasadores de empuje con resortes de compresión
Para disipadores de calor más grandes y precargas más altas, los pasadores de empuje con resortes de compresión son muy efectivos. [19] Las clavijas de empuje, generalmente hechas de latón o plástico, tienen una lengüeta flexible en el extremo que encaja con un orificio en la PCB; una vez instalada, la lengüeta retiene el pasador. El resorte de compresión mantiene unido el conjunto y mantiene el contacto entre el disipador de calor y el componente. Es necesario tener cuidado en la selección del tamaño de la clavija de empuje. Una fuerza de inserción demasiado grande puede resultar en el agrietamiento de la matriz y la consiguiente falla del componente.
- Separadores roscados con resortes de compresión
Para disipadores de calor muy grandes, no hay sustituto para el método de unión por resorte de compresión y separador roscado. [19] Un separador roscado es esencialmente un tubo de metal hueco con roscas internas. Un extremo está asegurado con un tornillo a través de un orificio en la PCB. El otro extremo acepta un tornillo que comprime el resorte, completando el montaje. Un ensamblaje de disipador de calor típico usa de dos a cuatro separadores, lo que tiende a hacer de este el diseño de accesorio de disipador de calor más costoso. Otra desventaja es la necesidad de agujeros en la PCB.
Método | Pros | Contras | Costo |
Cinta térmica | Fácil de colocar. Barato. | No se puede proporcionar un accesorio mecánico para disipadores de calor más pesados o para entornos de alta vibración. La superficie debe limpiarse para una adhesión óptima. Conductividad térmica moderada a baja. | Muy bajo |
Epoxy | Fuerte adherencia mecánica. Relativamente barato. | Hace que el retrabajo de la placa sea difícil ya que puede dañar el componente. La superficie debe limpiarse para una adhesión óptima. | Muy bajo |
Clips en Z en forma de alambre | Fuerte fijación mecánica. Fácil remoción / reelaboración. Aplica una precarga al material de la interfaz térmica, mejorando el rendimiento térmico. | Requiere agujeros en la placa o anclajes de soldadura. Más caro que la cinta o el epoxi. Diseños personalizados. | Bajo |
Clip-on | Aplica una precarga al material de la interfaz térmica, mejorando el rendimiento térmico. No requiere agujeros ni anclajes. Fácil remoción / reelaboración. | Debe tener una zona de "exclusión" alrededor del BGA para el clip. Pasos de montaje adicionales. | Bajo |
Pasador de empuje con resortes de compresión | Fuerte fijación mecánica. Precarga de material de interfaz térmica más alta. Fácil instalación y desmontaje. | Requiere agujeros en la placa, lo que aumenta la complejidad de los rastros en PCB. | Moderar |
Separadores con resortes de compresión | Accesorio mecánico más fuerte. La precarga más alta para el material de interfaz térmica. Ideal para grandes disipadores de calor. | Requiere agujeros en el tablero, lo que aumenta la complejidad del diseño de la traza. Montaje complicado. | Elevado |
Materiales de interfaz térmica
La resistencia al contacto térmico se produce debido a los huecos creados por los efectos de la rugosidad de la superficie, los defectos y la desalineación de la interfaz. Los huecos presentes en la interfaz se llenan de aire. Por lo tanto, la transferencia de calor se debe a la conducción a través del área de contacto real y a la conducción (o convección natural) y la radiación a través de los espacios. [12] Si el área de contacto es pequeña, como ocurre con las superficies rugosas, la mayor contribución a la resistencia la hacen los huecos. [12] Para disminuir la resistencia al contacto térmico, se puede disminuir la rugosidad de la superficie mientras se aumenta la presión de la interfaz. Sin embargo, estos métodos de mejora no siempre son prácticos o posibles para los equipos electrónicos. Los materiales de interfaz térmica (TIM) son una forma común de superar estas limitaciones.
Los materiales de interfaz térmica aplicados correctamente desplazan el aire que está presente en los espacios entre los dos objetos con un material que tiene una conductividad térmica mucho más alta. El aire tiene una conductividad térmica de 0.022 W / (m · K) [20] mientras que los TIM tienen conductividades de 0.3 W / (m · K) [21] y más.
Al seleccionar un TIM, se debe tener cuidado con los valores proporcionados por el fabricante. La mayoría de los fabricantes dan un valor a la conductividad térmica de un material. Sin embargo, la conductividad térmica no tiene en cuenta las resistencias de la interfaz. Por lo tanto, si un TIM tiene una conductividad térmica alta, no significa necesariamente que la resistencia de la interfaz sea baja.
La selección de un TIM se basa en tres parámetros: el espacio de interfaz que debe llenar el TIM, la presión de contacto y la resistividad eléctrica del TIM. La presión de contacto es la presión aplicada a la interfaz entre los dos materiales. La selección no incluye el costo del material. La resistividad eléctrica puede ser importante dependiendo de los detalles del diseño eléctrico.
Valores de brecha de interfaz | Tipos de productos disponibles | |
---|---|---|
<0,05 mm | <2 mil | Grasa térmica, epoxi, materiales de cambio de fase |
0,05-0,1 mm | 2-5 mil | Materiales de cambio de fase, cintas de poliimida , grafito o aluminio |
0,1–0,5 mm | 5-18 mil | Tejidos recubiertos de silicona |
> 0,5 mm | > 18 mil | Rellenos de huecos |
Escala de presión de contacto | Rangos de presión típicos | Tipos de productos disponibles |
---|---|---|
Muy bajo | <70 kPa | Rellenos de huecos |
Bajo | <140 kPa | Cintas de grasa térmica, epoxi, poliimida, grafito o aluminio |
Elevado | 2 MPa | Tejidos recubiertos de silicona |
Aislamiento electrico | Resistencia dieléctrica | Valores típicos | Tipos de productos disponibles | |
---|---|---|---|---|
No requerido | N / A | N / A | N / A | Grasa térmica , epoxi , materiales de cambio de fase , grafito o cintas de aluminio. |
Requerido | Bajo | 10 kV / mm | <300 V / mil | Tejidos recubiertos de silicona , rellenos de huecos |
Requerido | Elevado | 60 kV / mm | > 1500 V / mil | Cinta de poliimida |
Tipo de producto | Notas de aplicación | Rendimiento térmico |
---|---|---|
Pasta termica | Desordenado. Laborioso. Tiempo de montaje relativamente largo. | ++++ |
Epoxy | Crea un enlace de interfaz "permanente". | ++++ |
Cambio de fase | Permite la fijación previa. Suaviza y se adapta a los defectos de la interfaz a temperaturas operativas. Se puede reposicionar en el campo. | ++++ |
Cintas térmicas, incluidas cintas de grafito, poliimida y aluminio | Fácil de aplicar. Alguna resistencia mecánica. | +++ |
Tejidos recubiertos de silicona | Proporciona amortiguación y sellado al tiempo que permite la transferencia de calor. | + |
Relleno | Puede usarse para acoplar térmicamente componentes de diferentes alturas a un disipador de calor o disipador de calor. Naturalmente de mal gusto. | ++ |
Lámparas de diodos emisores de luz
El rendimiento y la vida útil de los diodos emisores de luz (LED) son funciones importantes de su temperatura. [22] Por tanto, una refrigeración eficaz es fundamental. Un estudio de caso de un downlighter basado en LED muestra un ejemplo de los cálculos realizados para calcular el disipador de calor necesario para la refrigeración eficaz del sistema de iluminación. [23] El artículo también muestra que para tener confianza en los resultados, se requieren múltiples soluciones independientes que den resultados similares. Específicamente, los resultados de los métodos experimentales, numéricos y teóricos deben estar todos dentro del 10% entre sí para dar una alta confianza en los resultados.
En soldadura
A veces se utilizan disipadores de calor temporales al soldar placas de circuito, lo que evita que el calor excesivo dañe los dispositivos electrónicos sensibles cercanos. En el caso más simple, esto significa sujetar parcialmente un componente con una pinza de cocodrilo de metal pesado, una pinza hemostática o una pinza similar. Los dispositivos semiconductores modernos, que están diseñados para ensamblarse mediante soldadura por reflujo, generalmente pueden tolerar temperaturas de soldadura sin sufrir daños. Por otro lado, los componentes eléctricos, como los interruptores de lengüeta magnéticos, pueden funcionar mal si se exponen a soldadores más calientes, por lo que esta práctica todavía se utiliza mucho. [24]
Métodos para determinar el desempeño
En general, el rendimiento de un disipador de calor es función de la conductividad térmica del material, las dimensiones, el tipo de aleta, el coeficiente de transferencia de calor , el caudal de aire y el tamaño del conducto. Para determinar el rendimiento térmico de un disipador de calor, se puede hacer un modelo teórico. Alternativamente, el rendimiento térmico se puede medir experimentalmente. Debido a la naturaleza compleja del flujo altamente 3D en las aplicaciones actuales, también se pueden utilizar métodos numéricos o dinámica de fluidos computacional (CFD). Esta sección discutirá los métodos antes mencionados para la determinación del rendimiento térmico del disipador de calor.
Un modelo teórico de transferencia de calor
Uno de los métodos para determinar el rendimiento de un disipador de calor es utilizar la teoría de la dinámica de fluidos y la transferencia de calor. Uno de estos métodos ha sido publicado por Jeggels, et al., [25] aunque este trabajo se limita al flujo por conductos. El flujo por conductos es donde el aire se ve obligado a fluir a través de un canal que encaja firmemente sobre el disipador de calor. Esto asegura que todo el aire pase por los canales formados por las aletas del disipador de calor. Cuando el flujo de aire no se canaliza, un cierto porcentaje del flujo de aire pasará por alto el disipador de calor. Se encontró que la derivación de flujo aumenta con el aumento de la densidad de las aletas y el espacio libre, mientras permanece relativamente insensible a la velocidad del conducto de entrada. [26]
El modelo de resistencia térmica del disipador de calor consta de dos resistencias, a saber, la resistencia en la base del disipador de calor, , y la resistencia en las aletas, . La resistencia térmica de la base del disipador de calor,, se puede escribir de la siguiente manera si la fuente se aplica uniformemente a la base del disipador de calor. Si no es así, entonces la resistencia base es principalmente resistencia de propagación:
- (4)
dónde es el espesor de la base del disipador de calor, es la conductividad térmica del material del disipador de calor y es el área de la base del disipador de calor.
La resistencia térmica desde la base de las aletas al aire, , se puede calcular mediante las siguientes fórmulas:
- (5)
- [12] (6)
- [12] (7)
- (8)
- (9)
- [27] (10)
- [27] (11)
- (12)
- (13)
El caudal se puede determinar mediante la intersección de la curva del sistema de disipador de calor y la curva del ventilador. La curva del sistema de disipador de calor se puede calcular mediante la resistencia al flujo de los canales y las pérdidas de entrada y salida como se hace en los libros de texto de mecánica de fluidos estándar, como Potter, et al. [28] y White. [29]
Una vez que se conocen las resistencias de la base y la aleta del disipador de calor, entonces la resistencia térmica del disipador de calor, se puede calcular como:
- (14).
Usando las ecuaciones 5 a 13 y los datos dimensionales en, [25] se calculó la resistencia térmica de las aletas para varios caudales de aire. Los datos para la resistencia térmica y el coeficiente de transferencia de calor se muestran en el diagrama, que muestra que para un caudal de aire creciente, la resistencia térmica del disipador de calor disminuye.
metodos experimentales
Las pruebas experimentales son una de las formas más populares de determinar el rendimiento térmico del disipador de calor. Para determinar la resistencia térmica del disipador de calor, es necesario conocer el caudal, la potencia de entrada, la temperatura del aire de entrada y la temperatura base del disipador de calor. Los datos proporcionados por el proveedor se proporcionan comúnmente para los resultados de las pruebas en conductos. [30] Sin embargo, los resultados son optimistas y pueden proporcionar datos engañosos cuando se utilizan disipadores de calor en una aplicación sin conductos. Se pueden encontrar más detalles sobre los métodos de prueba del disipador de calor y los descuidos comunes en Azar, et al. [30]
Métodos numéricos
En la industria, los análisis térmicos a menudo se ignoran en el proceso de diseño o se realizan demasiado tarde, cuando los cambios de diseño son limitados y se vuelven demasiado costosos. [11] De los tres métodos mencionados en este artículo, se pueden utilizar métodos teóricos y numéricos para determinar una estimación del disipador de calor o las temperaturas de los componentes de los productos antes de que se haya realizado un modelo físico. Normalmente se utiliza un modelo teórico como estimación de primer orden. Las calculadoras de disipadores de calor en línea [31] pueden proporcionar una estimación razonable del rendimiento del disipador de calor por convección forzada y natural basada en una combinación de correlaciones derivadas teóricas y empíricamente. Los métodos numéricos o la dinámica de fluidos computacional (CFD) proporcionan una predicción cualitativa (y a veces incluso cuantitativa) de los flujos de fluidos. [32] [33] Lo que esto significa es que dará un resultado visual o posprocesado de una simulación, como las imágenes en las figuras 16 y 17, y las animaciones CFD en las figuras 18 y 19, pero la precisión cuantitativa o absoluta del resultado es sensible a la inclusión y precisión de los parámetros apropiados.
CFD puede dar una idea de los patrones de flujo que son difíciles, costosos o imposibles de estudiar utilizando métodos experimentales. [32] Los experimentos pueden dar una descripción cuantitativa de los fenómenos de flujo utilizando mediciones para una cantidad a la vez, en un número limitado de puntos e instancias de tiempo. Si un modelo a escala real no está disponible o no es práctico, se pueden utilizar modelos a escala o modelos ficticios. Los experimentos pueden tener una gama limitada de problemas y condiciones de funcionamiento. Las simulaciones pueden proporcionar una predicción de los fenómenos de flujo utilizando el software CFD para todas las cantidades deseadas, con alta resolución en el espacio y el tiempo y prácticamente cualquier problema y condiciones de funcionamiento realistas. Sin embargo, si es crítico, es posible que sea necesario validar los resultados. [4]
Ver también
- Refrigeración por computadora
- Difusor de calor
- Tubo de calor
- Bomba de calor
- Conductividad térmica del diamante.
- Radiador
- Material de interfaz térmica
- Gestión térmica (electrónica)
- Resistencia termica
- Refrigeración termoeléctrica
Referencias
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enlaces externos
- Disipador de calor: conceptos básicos
- El diseño de los disipadores de calor
- Calculadora de disipador de calor