Cómo mantener la calma: Lo básico de la selección y aplicación de un disipador térmico

La continua reducción del tamaño de la mayoría de los componentes electrónicos -especialmente los microprocesadores y microcontroladores- ha dado lugar a un aumento de la densidad de calor. Una consecuencia de esta evolución es que el diseño y la gestión térmica se ha convertido en una importante preocupación de diseño, ya que la esperanza de vida, la fiabilidad y el rendimiento están inversamente relacionados con la temperatura de funcionamiento de un dispositivo. Por lo tanto, incumbe a los diseñadores tener una clara comprensión de la gestión térmica eficaz y de las soluciones de disipación de calor disponibles para mantener la temperatura de funcionamiento de un dispositivo dentro de los límites establecidos por el proveedor.

Los disipadores térmicos funcionan aumentando la superficie del dispositivo expuesta al refrigerante (aire). Cuando se montan correctamente, los disipadores térmicos reducen la temperatura de un dispositivo mejorando la transferencia de calor al aire ambiente más frío a través del límite entre el sólido y el aire.

Este artículo ofrece una visión general de la selección del disipador térmico y proporciona orientación sobre el diseño adecuado, la selección de componentes y las mejores prácticas para lograr un excelente rendimiento de enfriamiento. Las soluciones de disipación térmica de Ohmite se utilizarán como ejemplos prácticos.

El circuito térmico

La energía se disipa de las uniones de los transistores activos dentro de un circuito integrado (CI) en forma de calor, siendo la temperatura de la unión proporcional a la energía disipada. Los fabricantes especifican la temperatura máxima de unión, aunque generalmente es de unos 150 °C. Exceder esta temperatura de unión generalmente resulta en daños al dispositivo, por lo que los diseñadores deben buscar maneras de sacar el mayor calor posible del CI. Para ello, pueden basarse en un modelo bastante simple para medir el flujo de calor, similar a la ley de Ohm para los cálculos eléctricos basados en el concepto de resistencia térmica, simbolizado por θ (Figura 1).

Figura 1: El modelo de circuito térmico para un CI con un disipador térmico basado en el concepto de resistencia térmica simbolizado por θ. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La resistencia térmica es la resistencia que el calor encuentra cuando fluye de un medio a otro. Se mide en unidades de grados centígrados por vatio (°C/vatio) y se define como:

 Ecuación 1

Donde:

θ es la resistencia térmica a través de una barrera térmica en °C/vatio.

∆T es la diferencia de temperatura a través de la barrera térmica en °C.

P es la potencia disipada en la unión en vatios.

Mirando la disposición física del CI y el disipador térmico, hay un número de interfaces térmicas. El primero está entre la unión y el caso del CI, que está modelado por la resistencia térmica θ_jc.

El disipador de calor está unido al CI mediante un material de interfaz térmica (TIM) - ya sea pasta térmica o cinta térmica - con el fin de mejorar la conductividad térmica entre los dos dispositivos. Esta capa, que generalmente es de baja resistencia, está modelada como parte de la resistencia térmica del sumidero de calor,_θcs. La etapa final es la interfaz del disipador de calor con el ambiente,_θsa.

Las resistencias térmicas se añaden en serie como las resistencias de un circuito electrónico. La suma de todas las resistencias térmicas produce la resistencia térmica total de la unión al aire ambiente.

La resistencia térmica de unión a carcasa es generalmente especificada, ya sea implícita o explícitamente, por el proveedor de CI. La especificación puede ser en forma de una temperatura máxima de caso, eliminando uno de los elementos de resistencia térmica. El diseñador que aplica el CI no tiene control sobre la característica de resistencia térmica de unión a carcasa. Sin embargo, el diseñador consigue seleccionar las características de TIM y del disipador térmico necesarias para enfriar el CI lo suficiente como para mantener la temperatura de unión por debajo del máximo especificado. En general, cuanto más baja sea la resistencia térmica del TIM y el disipador térmico, más baja será la temperatura de la caja del CI que se está enfriando.

Ejemplo de selección de un disipador térmico

Ohmite ofrece la Serie BG de disipadores térmicos diseñados para trabajar con unidades centrales de procesamiento (CPU) de red de bolas (BGA) o de plástico (PGBA), unidades de procesamiento gráfico (GPU), o procesadores similares con huellas de paquete cuadrado (Figura 2).

Figura 2: Los disipadores térmicos de la serie BG son adecuados para los circuitos integrados empaquetados BGA, incluyendo CPU, GPU y otros con una huella cuadrada similar. (Fuente de la imagen: Ohmite)

Hay diez diseños de disipadores de calor en la línea, con huellas que coinciden con las configuraciones comunes de CI de 15 x 15 milímetros (mm) a 45 x 45 mm, y áreas de aletas que van de 2.060 a 10.893 mm² (Tabla 1). Estos disipadores térmicos que cumplen con la normativa RoHS están hechos de una aleación de aluminio anodizado negro 6063-T5.

Tabla 1: La Serie BG se extiende en el área de las aletas de 2.060 a 20.893 mm². (Fuente de la tabla: DigiKey)

Los valores de resistencia térmica de la tabla son para el enfriamiento por convección natural. La convección forzada mediante un ventilador disminuye la resistencia térmica proporcional a la velocidad del aire de refrigeración. El enfriamiento por aire forzado puede reducir la resistencia térmica en un factor de dos o tres a uno (Figura 3).

Figura 3: El rendimiento térmico de los disipadores térmicos de la serie BG de Ohmite para el enfriamiento por aire forzado. (Fuente de la imagen: Ohmite)

Materiales de interfaz térmica

En el caso de la serie BG de Ohmite, el material de interfaz térmica utilizado entre la caja del CI y el disipador térmicos es una cinta térmica de doble cara, que se suministra con el disipador térmico. El uso de la cinta de doble cara simplifica la instalación, ya que la cinta no requiere ningún diseño mecánico o fabricación.

Los TIM suelen especificarse por su conductividad térmica en unidades de vatios por metro-Celsius (vatios/(m°C)) o vatios por metro-Kelvin (vatios/(m°K)). La resistencia térmica de la capa de TIM depende del grosor de la cinta y del área sobre la que se aplica. La resistencia térmica puede ser calculada usando la ecuación:

Ecuación 2

Donde:

El grosor se expresa en metros (m).

El área se expresa en metros cuadrados (m²).

La conductividad térmica se expresa en vatios/(m°C) o vatios/(m°K).

Celsius y Kelvin son intercambiables porque ambos utilizan la misma unidad de incremento de la medición de la temperatura, y es la diferencia de temperatura la que se calcula (por ejemplo, un cambio de 10 °C en la temperatura equivale a un cambio de 10°K en la temperatura).

Al mirar el disipador térmico BGAH150-075E de Ohmite de 15 x 15 x 7.5 mm (conectado a un dispositivo de 15 x 15 mm), el área del TIM es de 225 mm² (225 E^-6 m²). El grosor de la cinta térmica suministrada es de 0.009 pulgadas o 0.23 mm (0.00023 m). La conductividad térmica especificada es de 1.4 vatios/(m°K). Al usar estos valores en la Ecuación 2, se obtiene un rendimiento:

Ecuación3

La resistencia térmica del TIM será generalmente mucho más pequeña que la del disipador térmico y será menor para los disipadores térmicos con una mayor área de huella.

Un ejemplo de la determinación de la resistencia térmica mínima requerida en un disipador térmico para mantener el CI dentro de su límite de temperatura comienza con el CI. Consideremos un CI de 15 x 15 mm con una temperatura máxima de caso especificada de 85 °C, que en funcionamiento normal disipa 2 vatios, funcionando en un recinto con una temperatura ambiente de 45 °C.

Determinar la disipación de energía de un procesador puede ser difícil debido a la amplia gama de modos de funcionamiento. Algunos fabricantes intentan simplificarlo especificando la potencia de diseño térmico o TDP. El TDP es la energía disipada cuando está corriendo una "aplicación real". Se está debatiendo la idoneidad de esta calificación, ya que depende de la aplicación. También es posible determinar la máxima disipación de energía haciendo referencia a los requisitos de corriente de la fuente de alimentación para cada uno de los voltajes de suministro de la CPU. Este valor puede ser mayor que la disipación descrita por el TDP. Los diseñadores deben consultar los datos técnicos del proveedor para determinar la mejor estimación de la disipación de potencia nominal de un CI.

Volviendo al ejemplo, la resistencia térmica mínima (θ) del disipador térmico y el TIM requeridos puede determinarse utilizando la ecuación 4:

Ecuación 4

El Ohmite BGAH150-075E tiene una resistencia térmica de 18°C/vatio; con la resistencia añadida del TIM, 0.73°C/vatio, el total es de 18.73°C/vatio. Esto es más bajo que la resistencia térmica mínima calculada y funcionará. Si se selecciona este disipador de calor, basado en un cálculo inverso utilizando la Ecuación 1 con la temperatura ambiente mantenida constante, la temperatura máxima estimada del caso sería de 82.5°C.

Como disipador de calor alternativo, la selección BGAH150-125E de Ohmite de 15 x 15 x 12.5 mm, con una mayor superficie debido a la mayor altura de las aletas, reduce la resistencia térmica total del disipador de calor y del TIM a 11 °C/vatio. Esto reduciría la temperatura de la caja a unos 67 °C por aproximadamente el mismo costo y proporcionaría un mayor margen de temperatura.

Otras consideraciones podrían ser el espacio disponible para el disipador térmico o la posible necesidad de un ventilador de refrigeración.

Conclusión:

La selección de un disipador térmico es relativamente sencilla desde el punto de vista térmico. Como se muestra, los disipadores térmicos de la serie BG de Ohmite ofrecen una solución viable a los problemas de enfriamiento de los circuitos integrados empaquetados BGA.