Un dissipatore di calore è uno dei componenti fondamentali utilizzati per raffreddare i dispositivi elettronici. Quando una fonte di calore non riesce a dissiparlo efficacemente per conduzione e richiede un raffreddamento più efficiente, si utilizza un dissipatore di calore per trasferire il calore dalla fonte e dissiparlo attraverso una conduzione e una convezione ottimizzate.

I dissipatori di calore sono ampiamente utilizzati nell'elettronica di potenza, nelle apparecchiature per le telecomunicazioni, nei server, nell'illuminazione a LED, nell'elettronica automobilistica e nei dispositivi industriali.

struttura di base di un dissipatore di calore

Un tipico dissipatore di calore è costituito principalmente da due parti:

• base

• Fino a

La base è solitamente una superficie piana che entra in contatto diretto con la fonte di calore. La sua funzione è quella di trasferire il calore dal punto caldo e distribuirlo uniformemente sulle alette.

Le alette sono progettate per aumentare la superficie totale del dissipatore di calore. Possono essere realizzate in un'ampia gamma di geometrie e sono tipicamente posizionate verticalmente dalla base per massimizzare la dissipazione del calore.

L'obiettivo principale nella progettazione di un dissipatore di calore è massimizzare la superficie, consentendo così un maggiore trasferimento di calore all'aria circostante.

materiali per dissipatori di calore

Salvo rarissime eccezioni, i dissipatori di calore sono realizzati in metalli termicamente conduttivi, più comunemente alluminio o rame.

alluminio

L'alluminio è il materiale più utilizzato per i dissipatori di calore.

• conducibilità termica: 235 W/mK

• leggero

• conveniente

• facile da produrre

Queste caratteristiche rendono l'alluminio ideale per soluzioni di dissipazione del calore leggere ed economiche.

rame

Il rame è un altro materiale molto diffuso per i dissipatori di calore.

• conducibilità termica: ~400 W/mk

• maggiore capacità di trasferimento del calore

Sebbene il rame sia più pesante e costoso, è spesso necessario nelle applicazioni termiche ad alte prestazioni.

convezione naturale contro convezione forzata

I dissipatori di calore vengono generalmente classificati in due categorie in base alle condizioni del flusso d'aria.

convezione naturale (raffreddamento passivo)

I dissipatori di calore passivi si affidano esclusivamente al flusso d'aria naturale per rimuovere il calore.

Sono progettati per:

• massimizzare la superficie

• consentire la circolazione naturale dell'aria

• funzionare senza componenti attivi aggiuntivi

I dissipatori di calore passivi sono comunemente utilizzati nei dispositivi elettronici a basso consumo energetico.

convezione forzata (raffreddamento attivo)

I dissipatori di calore attivi utilizzano ventole o soffiatori per forzare l'aria attraverso le alette.

Questo flusso d'aria forzato crea turbolenza, aumentando significativamente l'efficienza del trasferimento di calore e le prestazioni di raffreddamento.

Le soluzioni di raffreddamento attivo sono ampiamente utilizzate in:

• pedali

• elettronica di potenza

• sistemi di calcolo ad alte prestazioni

tipi comuni di dissipatori di calore

Per la produzione di dissipatori di calore vengono utilizzate diverse tecnologie, ognuna adatta a differenti requisiti termici e applicazioni.

1. Dissipatori di calore stampati (a livello di scheda)

I dissipatori di calore stampati vengono prodotti a partire da lamiere metalliche mediante processi di stampaggio progressivo. Ogni fase di stampaggio aggiunge caratteristiche e dettagli man mano che il metallo passa attraverso lo stampo.

Questi dissipatori di calore sono in genere progettati per specifici tipi di componenti elettronici al fine di garantire un adattamento ottimale sui circuiti stampati (PCB).

Possono funzionare in modalità passiva oppure includere una ventola per aumentare il flusso d'aria sulla scheda.

vantaggi

• Ideale per applicazioni a bassa potenza (0–5 W)

• montaggio rapido e semplice

• bassi costi di produzione

• scalabile per la produzione ad alto volume

• disponibile per molti tipi di confezione

svantaggi

• non adatto per applicazioni superiori a 5 W

• dimensioni limitate (generalmente inferiori a 50 mm)

• progettato per raffreddare un solo dispositivo

2. Dissipatori di calore in alluminio estruso

L'estrusione è uno dei metodi di produzione di dissipatori di calore più diffusi ed economici.

Le dimensioni dei dissipatori di calore estrusi variano a seconda dell'applicazione. Le versioni più piccole sono utilizzate per il raffreddamento a livello di scheda, mentre quelle più grandi sono progettate per la gestione termica di potenza media.

Possono essere ottimizzate sia per il raffreddamento passivo che per quello attivo, a seconda della geometria e della spaziatura delle alette.

I dissipatori di calore estrusi a livello di scheda sono comunemente utilizzati per componenti quali:

• bga

• fpga

Il processo di estrusione inizia con una matrice di profilatura che definisce la struttura delle alette, la spaziatura e le dimensioni della base. L'alluminio riscaldato viene quindi spinto attraverso la matrice per creare un lungo profilo, che viene successivamente tagliato alla lunghezza desiderata e ulteriormente lavorato.

vantaggi

• ideale per applicazioni di media potenza

• produzione economicamente vantaggiosa

• altamente scalabile per la produzione di massa

• facile personalizzazione

• costruzione monoblocco a bassa resistenza termica

svantaggi

• non adatto ad applicazioni ad altissima potenza

• Limiti di dimensioni (circa 23 pollici di larghezza e 47 pollici di lunghezza)

• I profili di grandi dimensioni potrebbero presentare limitazioni in termini di finitura.

3. dissipatori di calore con alette smussate

La scarnitura è un processo di lavorazione meccanica che permette di formare le alette direttamente da un blocco di metallo solido. Sottili strati vengono tagliati dalla base e ripiegati verso l'alto per creare le alette.

Poiché le alette e la base sono formate dallo stesso pezzo di materiale, non ci sono giunzioni o interfacce, il che riduce la resistenza termica.

Questo processo consente inoltre di ottenere alette molto sottili e un'elevata densità di alette, aumentando significativamente la superficie totale.

A differenza dell'estrusione, la scarnitura non richiede attrezzature specifiche, il che riduce i costi di attrezzaggio e consente una prototipazione più rapida.

vantaggi

• elevata efficienza di raffreddamento

• pinne sottili e alta densità di pinne

• costi di attrezzaggio inferiori

• economico per dissipatori di calore in rame

svantaggi

• Non ideale per applicazioni ad altissima potenza.

• limitazioni di dimensioni

• le pinne sottili possono essere più fragili

• meno adatto a volumi di produzione molto elevati

4. Dissipatori di calore con alette incollate e alette brasate

I dissipatori di calore a alette incollate sono costituiti da due componenti principali:

• una base (estrusa o lavorata)

• alette singole fissate mediante adesivo termoconduttivo, resina epossidica o brasatura

Le alette sono in genere stampate da lamiere sottili, mentre la base può essere estrusa, pressofusa o lavorata meccanicamente.

Per migliorare le prestazioni, nella base possono essere integrate anche tecnologie termiche aggiuntive come tubi di calore o camere di vapore.

I dissipatori di calore con alette incollate offrono maggiore flessibilità di progettazione e consentono una maggiore densità di alette in un ingombro ridotto.

vantaggi

• design compatto per applicazioni in spazi ristretti

• elevate prestazioni termiche

• adatto alla convezione forzata

• spaziatura ravvicinata delle pinne

• elevati rapporti di aspetto delle pinne

• integrazione di design flessibile

• costi di attrezzaggio inferiori

svantaggi

• non ideale per ambienti con forti vibrazioni

• Non adatto quando la resistenza termica richiesta è inferiore a 0,01 °C/W

5. Dissipatori di calore a alette con cerniera

Le pinne a cerniera sono realizzate con una serie di alette di lamiera stampate singolarmente, piegate e incastrate tra loro.

queste pinne possono essere disposte in uno dei seguenti modi:

• canali chiusi per il flusso d'aria direzionato

• configurazioni aperte per flusso d'aria multidirezionale

Il gruppo di alette viene solitamente fissato alla base del dissipatore di calore o ai tubi di calore tramite saldatura, brasatura o incollaggio con resina epossidica.

Questo design offre un'eccellente stabilità meccanica e un'elevata flessibilità per soluzioni termiche integrate.

vantaggi

• elevate prestazioni termiche

• ideale per applicazioni con flusso d'aria forzato

• integrazione di design flessibile

• costi di attrezzaggio inferiori

• leggero

• può migliorare l'efficienza dei tubi di calore

• maggiore stabilità meccanica

svantaggi

• alcune limitazioni per requisiti di resistenza termica estremamente bassi

6. dissipatori di calore a alette piegate

Le alette piegate si ottengono piegando sottili lamiere metalliche in forme complesse per aumentare la superficie.

Queste alette vengono in genere incollate o brasate a una base per formare l'assemblaggio finale del dissipatore di calore. La tecnologia delle alette piegate può essere utilizzata anche nelle soluzioni con piastre di raffreddamento a liquido.

vantaggi

• superficie aumentata

• elevata efficienza delle alette

• compatibile con diversi materiali

• struttura leggera

svantaggi

• Le prestazioni sono ottimali quando il flusso d'aria viene convogliato direttamente attraverso le alette.

• costi di produzione più elevati in alcuni casi

7. Dissipatori di calore pressofusi

I dissipatori di calore pressofusi sono prodotti come strutture monoblocco utilizzando metallo fuso iniettato in stampi personalizzati.

Questo metodo di produzione è ideale per la produzione di grandi volumi e consente di realizzare geometrie complesse che sarebbero difficili da ottenere con altri processi.

Dopo la fusione, sono necessarie lavorazioni meccaniche e finiture minime per ottenere il prodotto finale.

vantaggi

• ideale per la produzione ad alto volume

• adatto a forme complesse

• bassa o quasi nulla resistenza termica

svantaggi

• elevati costi iniziali di attrezzature e stampi