Dissipare il calore

Se il semiconduttore va isolato

Se è necessario interporre un isolante (mica, plastica conduttiva, ecc) per isolare elettricamente il package dal dissipatore, il modello deve tenerne conto.a

La resistenza termica tra package e dissipatore, Rθch è quella del pad isolante,  in quanto l' isolamento ha anch' esso una resistenza termica che può essere anche significativa. Infatti, sfortunatamente per questa applicazione, materiali con buon isolamento elettrico sono cattivi conduttori termici.

Nella tabella seguente vediamo la resistenza termica di alcuni materiali

La mica è probabilmente il più classico isolatore usato, ma ha limitazioni nel costo e nella fragilità. Questo fa si che il sistema più diffuso sia, attualmente, quello dei sil-pad, o plastiche termo conduttive, elastomeri che hanno una elevata elasticità e una buona conduzione del calore; questi non sono ottimali dal punto di vista della resistenza termica, ma sono quanto mai economici e di facile uso.
Ossido di berillio e ossido di alluminio sono ottimi isolati elettrici, ma sono costosi e fragili.

In tutti i casi, nell' accoppiamento meccanico delle superfici, è importante escludere spazi di aria, dato che l'aria è un ottimo isolante termico.  Anche le più piccole sacche di aria che esistono tra il case del semiconduttore e il radiatore aumentano drammaticamente la resistenza termica dell' accoppiamento, anche tenendo presente la piccolissima superficie offerta dal package del semiconduttore.
Questo viene compensato con l' uso di una pasta termo conduttiva il cui scopo è quello di fornire una superficie di contatto priva di spazi di aria.

In questa direzione, si potrà osservare che un package di dimensioni maggiori ha una superficie maggiore e quindi una resistenza termica minore. Questo dipende anche dal fatto che il costruttore utilizzerà un package proporzionato alla potenza da trattare. Ecco alcuni esempi

Package	Aspetto	Esempio	Rthjc	Rthja
T0-3 TO-204		2N3055 MJ11015	1.5 0.87	35
TO-220		TIP121 IRF540N RFP50N05	1.92 1.15 1.14	62.5 62 62
TO-247		IRFP250 SJDP120R085 RFG50N05	0.83 1.1 1.14	30 50 30
SOT-227		MCO100 IXTN62N50L	0.35 0.156
hockey puck		W0642W160	0.09

Se applichiamo un isolante tra package e dissipatore, aggiungiamo un elemento alla catena di resistenze termiche tra la giunzione e l' ambiente, che può non essere trascurabile, sopratutto se si devono scaricare elevate potenze.
La tabella seguente dà una idea di massima:  

I valori in tabella sono del tutto indicativi ed hanno una variabilità molto grande, in quanto dipendono dai materiali utilizzati, che possono essere diversissimi tra di loro: ad esempio, i pad possono essere realizzati con molti elastomeri termo conduttivi, dalle caratteristiche differenti. Anche le paste termo conduttive sono con composti chimici differenti.
Essenzialmente quello che si vuole individuare è che:

• la migliore connessione di un semiconduttore o resistenza o altro al dissipatore non è il contatto diretto, ma l' uso di un compound termo conduttivo. Questo arriva a dimezzare (o più) la resistenza termica di contatto.
   

• l' applicazione di un pad isolante introduce una ulteriore resistenza nella catena delle resistenze termiche, peggiorando il trasferimento di calore rispetto alla soluzione compund.
  

• La mica è un ottimo isolante elettrico, ma non un buon conduttore termico. Usare miche dello spessore minimo possibile con la tensione di isolamento richiesta e inserire sempre compound termico sui due lati.
  

• un pad può anche essere migliorativo rispetto al collegamento a secco, sopratutto con prodotti di buona qualità.

Una valutazione precisa di vantaggi/svantaggi può essere fatta solamente in base alle caratteristiche dei materiali usati. Importerà anche la qualità dell' assemblaggio (pressione, planarità, correttezza dello strato di compound, ecc).

Grossi packages "speciali", come SOT-227 non sono previsti per essere isolati dal dissipatore: dato che possono trattare potenze di molte centinaia di watt occorre la minore resistenza termica tra package e dissipatore.
Altrettanto si può dire di altre forme; ad esempio gli hockey-puck, tipici di semiconduttori per alte correnti ed alte tensioni sono raffreddati sui due lati e non isolati. Isolato dall' ambiente sarà il dissipatore, solitamente montato su isolatori in ceramica o resine plastiche, dato che si tratta di semiconduttori che possono trattare, oltre correnti di centinaia di ampere, anche tensioni di vari kV.

Più comune è l' isolamento di TO-220, TO-126, TO3, TO3P, TO-220 e simili, che trovano posto in apparecchiature di dimensioni limitate e con tensioni non eccessive (ad esempio, alimentatori per PC, UPS, elettrodomestici). 

	Ad esempio, vediamo nella foto a alto due diodi doppi, uno in TO-220 e l' altro nel più grande TO-247, installati sulla stessa aletta di raffreddamento. Dato che appartengono a circuiti diversi è necessario isolare i packages dalla superficie metallica del dissipatore per evitare corto circuiti. Qui sono utilizzati degli isolatori in plastica termo conduttiva, visibili come rettangoli grigi tra i diodi e il dissipatore. Da osservare come per il TO-220 che ha una aletta metallica (tab) occorre anche isolare la vite di fissaggio.
	Kit di isolamento per semiconduttori sono facilmente reperibili. Ecco ad esempio il p/n 4880G di AAVID per TO-220. 1 - isolatore in mica 2 - anello isolante per la vite 5 3/6/4 - dado con rondella e rondella elastica Queste ultime parti meccaniche sono indispensabili per assicurare una tenuta della vite in presenza di vibrazioni o forti variazioni termiche.
	Esistono poi sistemi di isolamento per ogni altro genere di package previsto per essere collegato ad un dissipatore. A lato, il kit MST3 di Fischer per semiconduttori in TO-3. Avendo due punti di fissaggio, sono richieste due viti e relativi accessori, mentre l' isolatore assume la forma tipica ovale del package. I componenti di isolamento sono disponibili anche separatamente ed in una grande varietà di forme, modelli, materiali.

Vale sempre l' uso di pasta termo conduttiva per migliorare l' accoppiamento, anche se utilizzando elastomeri termo conduttivi, non è strettamente necessario; in commercio esistono anche pad isolanti pre caricati con il compound termo conduttivo. Una idea della vasta possibilità di scelta per il progettista la da il catalogo di Fischer.

Alcuni package sono realizzati in modo da non avere bisogno di isolamento; in questa categoria si trovano regolatori lineari a tre terminali, transistor e MOSFET per alte tensioni. In particolare sono comuni TRIAC isolati, dato che sono normalmente sottoposti alla tensione di rete e questo renderebbe pericoloso il contatto con il dissipatore se non isolato. Si tratta di soluzioni molto comode, in quanto non viene richiesto il kit di isolamento ed il tempo aggiuntivo necessario al suo montaggio. Vanno verificate, però,le resistenze termiche e le potenze massime dissipabili, in quanto è probabile che siano peggiorative rispetto ai componenti non isolati.