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La trasmissione del calore dal punto di vista fisico

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Il riscaldamento di un dispositivo elettronico è in parte causato dalla temperatura dell'ambiente ed in parte dall'energia elettrica che il dispositivo stesso utilizza o gestisce. In seguito mi interesserò soprattutto di situazioni ambientali "ragionevoli", caratterizzate cioè da una temperatura dell'aria nettamente inferiore a quella massima di funzionamento di un dispositivo a semiconduttore (per esempio inferiore ai 60 gradi centigradi).

Quindi se vi interessa progettare una sonda per il pianeta Venere quanto qui descriverò non vi serve...

La potenza (intesa in senso fisico) che riscalda una apparecchiatura è data dal prodotto della tensione ai capi del dispositivo stesso moltiplicata per la corrente che in esso scorre:

P = V I

Dove P, V e I rappresentano rispettivamente la potenza (espressa un watt), la tensione (espressa in volt) e la corrente (espressa in ampere). A rigore andrebbe sottratta la potenza meccanica o ottica emessa dal dispositivo ma in genere questi aspetti non riguardano i dispositivi a semiconduttore più comuni.

Qualora le grandezze elettriche fossero variabili nel tempo occorrerà considerare il prodotto dei valori istantanei (non quindi dei valori medi) e procedere alla loro integrazione per un tempo "adeguato".

Tanto maggiore è questa potenza, tanto maggiore è l'energia che il silicio dovrà "buttare via" per non scaldarsi troppo. Il problema è quindi particolarmente sentito nel progetto di dispositivi che:

Evidentemente tanto maggiore è la potenza da dissipare, tanto minore dovrà essere la resistenza che il sistema termico dovrà offrire allo smaltimento del calore, cioè la "resistenza termica" dovrà essere la più bassa possibile.

Una tecnica radicale per ridurre il riscaldamento dei dispositivi è ovviamente quella di intervenire laddove il calore è prodotto. Per questo è opportuno, ovviamente in funzione delle specifiche tecnologie:

Non potendo diminuire oltre certi limiti la potenza dissipata (infatti in molti casi maggiori potenze significano maggiori prestazioni...), occorrerà favorire nel migliore dei modi l'allontanamento del calore dal silicio verso l'ambiente esterno, operazione che dovrà essere favorita sia da chi costruisce il dispositivo sia da chi lo usa.

La temperatura massima del silicio

La temperatura raggiunta dal silicio viene indicata normalmente come Tj (temperatura di giunzione) ed è sempre maggiore di quella del contenitore o dell'ambiente, almeno nelle condizioni ambientali tipiche. Il problema in genere consiste nel mantenere questa temperatura sufficientemente bassa affinché il dispositivo possa svolgere per un tempo adeguatamente lungo la funzione per cui è stato progettato .

Non esiste un confine preciso alla temperatura massima in quanto non si è in genere interessati a temperature ben definite quali potrebbero essere quelle di fusione di materiali.

Il silicio potrebbe (in teoria...) sopportare una Tj ben maggiore di quella specificata nei fogli tecnici dei dispositivi elettronici: per esempio anche a 200-300°C o più non vi sono modificazioni strutturali o chimiche tali da causare la distruzione fisica di un semiconduttore. Nella pratica è in assoluto sconsigliabile raggiungere tali temperature per diversi motivi:

Le grandezze termiche coinvolte

Un veloce ripasso di termologia (mi scusino i fisici che leggeranno queste righe).

La prima grandezza da considerare è il calore prodotto nell'unità di tempo, espressa in watt [W]. Più sopra ho detto che nel caso di dispositivi elettrici questo calore è il prodotto della tensione per la corrente.

La seconda grandezza è la temperatura espressa in gradi centigradi [°C] o, più correttamente, in kelvin [K].

Se si hanno due corpi a diversa temperatura, il calore "scorre" dal corpo caldo a quello freddo. Tale flusso può essere più o meno favorito sfruttando le proprietà termiche dei materiali interposti tra i due corpi. Fisicamente può essere introdotto il concetto di resistenza termica

dissip1 - Rth = (T1 - T2) / P

dove T1 e T2 sono le temperature dei due corpi, P la potenza (cioè il calore prodotto nell'unità di tempo) e Rth la resistenza termica espressa in °C/W (trattandosi di una differenza di temperatura, ho preferito usare la nomenclatura più diffusa, comunque numericamente equivalente se avessi usato i kelvin invece dei gradi centigradi).

La resistenza termica tiene conto del calore trasmesso per conduzione, per convezione e per irraggiamento ed è un'astrazione in quanto differenza di temperatura e calore trasmesso non sono direttamente proporzionali (soprattutto a causa dell'irraggiamento, legato alla differenza del quadrato della temperatura assoluta) e quindi la Rth non è, a rigore, una costante. E' comunque un'utile astrazione, più che adeguata per descrivere il fenomeno nelle normali condizioni di utilizzo dei dispositivi elettronici, con temperature superficiali che difficilmente escono dall'intervallo compreso tra i 50 ed i 150°C.

Una volta ridotta al minimo la potenza dissipata, l'obiettivo è intervenire sulla Rth, cercando di renderla minima compatibilmente con costi e ingombri. Si ricorre spesso ai cosiddetti dissipatori (in inglese heat sink), cioè ampie superfici in metallo che hanno il compito di favorire lo spostamento del calore dal silicio all'ambiente circostante. A volte si usano anche ventole che, attraverso il movimento dell'aria, favoriscono il trasferimento di calore per convezione. Infine, in casi veramente critici, è possibile ricorrere anche a celle di peltier, raffreddamento a liquido o tubi di calore, non senza qualche problemi.

Nelle successive parti del tutorial farò una carrellata delle soluzioni tecnologiche possibili.

I dissipatori di calore: un tutorial


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