La crescente domanda globale di prodotti e servizi di sistemi elettronici, intesi come insieme di componenti elettronici, dai microchip agli apparati più complessi, ha aumentato il consumo energetico totale e le emissioni di carbonio.
Una considerevole parte dell’energia utilizzata per alimentare i sistemi elettronici viene impiegata per il loro raffreddamento, mentre un’altra larga fetta di consumo è dovuta all’inefficienza intrinseca del processo di rimozione del calore esistente a più livelli, dal microchip all’ infrastruttura di raffreddamento.
A seconda del tipo di sistema di raffreddamento, ad aria o a liquido, tale inefficienza può essere notevolmente ridotta utilizzando varie tecniche di Thermal Management (gestione termica) a ogni livello del sistema. Di seguito saranno analizzati i problemi della gestione termica dell’elettronica, sarà inoltre evidenziata la crucialità del ruolo del materiale dell’interfaccia termica per la dissipazione del calore, sia per l’elettronica di consumo, sia per dispositivi ad alte prestazioni.
Introduzione
La miniaturizzazione dei packaging dei dispositivi elettronici, unitamente alla realizzazione di componenti in grado di lavorare a frequenze sempre più elevate e che dissipano una potenza maggiore, ha portato ad un aumento del flusso di calore nei sistemi. Una delle difficoltà più grandi è sempre stata la rimozione del calore generato dal dispositivo in modo tale da soddisfarne i requisiti termici e garantire prestazioni ottimali.
Le tecnologie per la gestione termica di sistemi e componenti elettronici sono considerate fondamentali per la prossima generazione di sistemi elettronici. Si prevede che la dissipazione di potenza dei dispositivi continuerà ad aumentare per la maggior parte dei sistemi nel prossimo futuro e, allo stesso tempo, la riduzione delle dimensioni dei dispositivi e l’integrazione e miniaturizzazione dei micro-sistemi si tradurrà in una densità di flusso di calore sempre crescente.
La gestione termica è una delle aree strategiche di ricerca e sviluppo per i produttori di elettronica nel mondo. Sono stati sviluppati progetti sofisticati di dissipatori, inventati nuovi materiali per il trasferimento di calore e progettato complessi sistemi di raffreddamento. Raffreddatori termoelettrici, tubi di calore e altre tecniche esclusive ad alto costo vengono implementate in molte applicazioni di fascia alta.
In Figura 1 viene mostrato l’andamento del flusso di calore di un dissipatore di calore ad alette verticali con profilo termico a traiettorie vorticose del flusso di convezione forzata.
Considerazioni sulla gestione termica
Esistono varie strategie per la gestione termica dei dispositivi elettronici, dal raffreddamento ad aria per convezione naturale, il sistema più semplice e solitamente più economico, fino a tecniche più sofisticate, quali il raffreddamento a immersione, il raffreddamento termoelettrico e i sistemi a variazione di fase.
Ogni approccio ha i suoi vantaggi e svantaggi e la scelta della soluzione da adottare si basa, solitamente, sulle condizioni di utilizzo dell’applicazione, sulla progettazione complessiva del sistema e sui costi.
Ad esempio, i dispositivi palmari e altri dispositivi elettronici portatili a basso costo, sono limitati nelle dimensioni e la dissipazione di potenza in essi è limitata a causa della capacità della batteria. La maggior parte dei dispositivi portatili o dei micro-sistemi, quindi, si basa su conduzione, convezione naturale e radiazione.
Thermal management nei sistemi elettronici ad alte prestazioni e consumer
Lo sviluppo del modulo multi-chip è il risultato della necessità di realizzare dispositivi ad alte prestazioni. Tuttavia, poiché la distanza tra i chip è stata ridotta, la densità di potenza a livello di modulo è aumentata notevolmente. Ciò ha richiesto progetti specializzati per affrontare i problemi termici e meccanici che si presentano. È stato riscontrato che problemi di progettazione meccanica o di tolleranza molto stretta provocano un significativo deterioramento termico del sistema. Esistono molti progetti multi-chip e diversi approcci alla gestione termica per il rispetto degli impegnativi requisiti termomeccanici.
Consideriamo un esempio di sistema di raffreddamento ad aria di un apparato elettronico multi-chip. I moduli multichip in questo sistema vengono raffreddati utilizzando un sistema di robusti getti di aria che raffreddano i singoli moduli. In ogni modulo, in genere, è presente un dissipatore di calore in alluminio.
Il dissipatore di calore è fissato ad un cappuccio in ceramica che ha il duplice scopo di fornire una chiusura ermetica dei chip nel modulo, e creare un percorso di trasferimento del calore tra il chip e il dissipatore di calore. Un grasso termico messo tra il chip e il cappuccio in ceramica funge da percorso diretto per il trasferimento del calore da uno all’altro elemento.
Aziende specializzate, come KERAFOL, producono diversi tipi di materiali dedicati al thermal management. La sua gamma di prodotti è distribuita da EDO Components, e si basa su materiali come grasso termico, siliconi, grafite, ceramica e termo trasmettitori. Tra questi, particolarmente degno di nota è il GFL – Gap Filler Liquid – un materiale a trasferimento di calore liquido, a base di silicone e ceramica, che si solidifica dopo l’inserimento sul componente elettronico (Figura 2).
La gestione termica sta diventando più impegnativa anche nel settore dell’elettronica di consumo in cui i costi e i fattori di forma rendono non applicabili le soluzioni di raffreddamento a liquido più complesse e costose per questa categoria di prodotti. Questi sistemi spaziano dall’elettronica da scrivania come PC e laptop, fino a dispositivi elettronici portatili come telefoni cellulari, fotocamere digitali o tablet. Questi prodotti si basano su ottimi progetti di gestione termica, utilizzando la conduzione, la convezione naturale e, in alcuni casi, la convezione forzata.
Sebbene nei più classici prodotti elettronici portatili non vi siano dispositivi ad alta dissipazione di potenza a causa di considerazioni sull’alimentazione a batteria, il percorso di raffreddamento termico deve essere progettato per ridurre al minimo la temperatura di giunzione del chip.
Il percorso di raffreddamento termico include tipicamente dissipatori di calore e diffusori utilizzati per ridurre al minimo la resistenza termica della giunzione al case. I dissipatori di calore o diffusori di calore sono fissati al dispositivo a semiconduttore utilizzando un materiale di interfaccia termica, comunemente noti come TIM (thermal interface material) che, generalmente, è un adesivo riempito con particelle termicamente conduttive. Il calore generato nel chip viene trasferito attraverso il materiale di interfaccia termica al dissipatore di calore.
Conclusioni
La richiesta di energia dei sistemi elettronici è in rapido aumento nel mondo e il suo tasso di crescita dovrebbe accelerare nei prossimi anni. Attualmente, nei sistemi elettronici avanzati complessi, quasi la metà del consumo totale dell’energia utilizzata per l’alimentazione dei sistemi elettronici viene impiegata per alimentare i loro sistemi di raffreddamento. Pertanto, è urgentemente richiesto un efficace miglioramento energetico e un’adeguata gestione termica per la riduzione del carico di raffreddamento dei cicli di refrigerazione. A seconda del tipo di sistema di raffreddamento, devono essere considerate idonee soluzioni avanzate da adottare. Per i sistemi elettronici raffreddati ad aria, l’efficienza energetica può essere migliorata sia a livello di chip sia di sistema di raffreddamento. Riguardo il raffreddamento a liquido, la sua adozione dovrebbe essere incentivata da altri promettenti fattori come il miglioramento delle prestazioni del chip, una riduzione significativa dei costi operativi e di manutenzione, o dalla necessità di installazione del sistema di recupero del calore residuo. Sebbene siano ora disponibili le conoscenze e le tecnologie fondamentali per il raffreddamento a liquido diretto e indiretto, il loro sviluppo è stato principalmente limitato ai laboratori di ricerca e a diverse aziende ad alta tecnologia e volumi come il settore automobilistico. Pertanto, l’industria continuerà a preferire soluzioni di raffreddamento ad aria fino a quando i requisiti di rumore termico e acustico non saranno più soddisfatti.
