Trasferire il calore dai semiconduttori
Non la intitoliamo "raffreddare i semiconduttori", ma
"trasferire il calore", perchè è questo quello che viene fatto.
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Rivediamo più in dettaglio il percorso che fa il calore generato dal
nostro componente elettronico "caldo". Nella situazione minima
abbiamo che:
- il calore è generato al centro del componente, nel "die",
ovvero nelle giunzioni del silicio
- il calore passa dal die al package (per conduzione)
- il calore passa dal package all' ambiente (per convezione e
irraggiamento)
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Abbiamo detto che alcuni materiale conducono bene il calore, altri meno e,
nella realtà, troviamo una intera gamma di sostanze che vanno dall' ottima
conduzione del calore dei metalli a quella pessima del legno o di molte
materie plastiche.
Siamo in una situazione del tutto analoga a quella della conducibilità
elettrica: i diversi materiali presentano una
"resistenza" più o meno grande al passaggio della corrente,
resistenza che si esprime in ohm. L' argento ha una bassissima resistenza
specifica e quindi è un ottimo conduttore; il ferro ha una resistenza
maggiore e farà passare meno facilmente la corrente elettrica. Il vetro ha
una elevatissima resistenza e si opporrà al passaggio della
corrente. Questo concetto basilare dell'elettrologia elementare, che si esplica
nella Legge di Ohm, ha un analogo nel campo del calore.
Se vediamo il calore come un flusso di "elettroni termici", i vari
materiali risulteranno dotati di una conducibilità termica più o meno buona,
dal rame, con una ottima conducibilità, al legno con una pessima
conducibilità, alle plastiche, che sono isolanti termici. In altre parole, giustifichiamo in modo più "scientifico" il fatto
che rimestare la minestra con il cucchiaio di legno non scotta le dita come il
farlo con quello di metallo. E, analogamente all'isolamento elettrico,
vediamo come materiali a bassissima conduzione termica, come la bachelite,
costituiscono le impugnature dei manici di pentole e padelle, proprio per
"isolare" la mano dal calore.
Possiamo rappresentare il passaggio del calore dal die
all' aria ambientale con l'equivalente del circuito elettrico.
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E si avrà che:
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la sorgente del calore, la giunzione, è analoga ad un generatore.
- la differenza di temperatura è analoga alla differenza di
potenziale
- una corrente di elettroni scorre dal punto di potenziale
maggiore a quello di potenziale minore. Il calore è analogo alla
corrente
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- Il calore viene
spinto attraverso il materiale del package, che offrirà una certa "resistenza
termica", dipendente dalla natura del materiale stesso e dalla sua costruzione.
Questa resistenza è un parametro fornito dal costruttore e si definisce come Rθjc
, ovvero resistenza termica tra giunzione e case.
- La superficie del case passa questo calore all' aria circostante, con una
certa resistenza che dipende dalla sua natura, dalla superficie, dal colore,
ecc. Questa resistenza si indica come Rθca, resistenza termica tra case e
ambiente.
Solitamente il costruttore del dispositivo fornisce la Rθjc
, che ci serve nel calcolo dell' eventuale dissipatore
da collegare al semiconduttore; e la Rθja
, resistenza termica tra giunzione e ambiente, che serve a valutare quale è
la massima potenza in calore trattabile dal case senza dissipatore esterno.
Come le resistenze elettriche si misurano in ohm, così queste resistenze termiche si misurano in:
- gradi Celsius/watt [°C/W] o in
-
gradi Kelvin/watt [K/W].
Il senso di questa unità di misura, apparentemente complessa, è semplice: essa indica di
quanti gradi salirà la temperatura dell' oggetto in funzione dei watt
applicati.
Quindi, minore è il valore della resistenza termica, minore sarà la
temperatura raggiunta a pari potenza.
Ad esempio, una potenza di 10W applicata ad una resistenza termica Rθ
di 3°C/W produce un aumento di temperatura di:
T = P * Rθ
= 10 * 3 = 30°C
Se la temperatura dell' ambiente è 25°C, il corpo si
troverà a 25 + 30 = 55°C.
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