El truco oculto para dimensionar los disipadores térmicos para la tecnología moderna

Los ingenieros quieren que sus diseños electrónicos se conviertan en la compra más popular de la temporada, pero no exactamente. Cada componente electrónico de un dispositivo genera calor que se acumula. Si la temperatura es demasiado alta, puede dañar permanentemente los circuitos y convertir un dispositivo querido en un pisapapeles.

Para evitar diseños "inoperables", los ingenieros deben asegurarse de que todos los componentes funcionen a una temperatura segura. Tradicionalmente, se utiliza un cálculo simple para dimensionar los disipadores térmicos adecuados. Pero, ¿son seguros estos cálculos rápidos en realidad?

Cómo dimensionar tradicionalmente los disipadores térmicos

Después de algunas suposiciones y simplificaciones, la transferencia de calor entre un componente electrónico y la atmósfera se puede estimar mediante el siguiente cálculo:

Aquí, Q es la potencia total disipada por el sistema. T_A es la temperatura del área circundante, T_J es la temperatura del componente en su unión y R_ϑ,T es la resistencia térmica total del sistema. Cuando no se utiliza ningún disipador térmico, la única interfaz es entre el componente y su entorno. Entonces, R_ϑ,T es igual a R_ϑ,JA, la resistencia térmica entre la unión y el aire.

El STGF7NB60SL, un dispositivo IGBT con potencia nominal de 600 V, 15 A y 25 W en un paquete TO-220FP. (Imagen: STMicroelectronics.)

Supongamos que el componente en cuestión es el STGF7NB60SL, un IGBT con una potencia nominal de 600 V, 15 A y 25 W en un paquete TO-220FP de STMicroelectronics. En su ficha técnica, se indica que R_ϑ,JA es igual a 62.5 °C/W y su temperatura máxima de funcionamiento T_J,max es de 150 °C. Suponiendo que se disipan 2 W y que el aire está a unos cálidos 50 °C, debido a las fuentes de calor circundantes, el cálculo determina que T_J es de 175 °C. Esto está muy por encima de los márgenes de seguridad del componente, por lo que se necesita un disipador térmico.

Además del disipador térmico, el sistema también necesita un material de interfaz térmica (TIM). Las superficies del dispositivo y del disipador térmico son rugosas, en términos microscópicos, generando un espacio. Si el aire llena ese vacío, actuará como aislante. El TIM es una pasta térmicamente conductora que llena el espacio.

Las incorporaciones de disipador térmico y TIM se pueden ver en el diagrama a continuación.

Un disipador térmico montado en una caja de semiconductores. El flujo de calor, las temperaturas y las resistencias térmicas en el diagrama (izquierda) se pueden modelar como una red de resistencias en serie (derecha). (Fuente de la imagen: Aavid Thermalloy en la publicación, ahora Boyd).

Para calcular R_ϑ,T es necesario tratar todas las resistencias térmicas individuales entre la caja, la unión, el TIM y el disipador térmicos como resistencias en serie. En otras palabras, R_ϑ,JC, R_ϑ,CS y R_ϑ,SA se suman para encontrar la resistencia total. Por lo tanto, el cálculo se convierte en:

R_ϑ,JC es fácil de encontrar, ya que está en la misma ficha técnica que R_ϑ,JA. Según el documento, R_ϑ,JC es de 5 °C/W.

Supongamos que se selecciona para el sistema un disipador térmico 507302B00000G, diseñado para enfriar un dispositivo TO-220 de 2.5 W a 60 °C de Boyd. Según su ficha técnica, con una convección natural que disipa 2 W, la temperatura aumentará en 50 °C. Por lo tanto, R_ϑ,SA = 50 °C / 2 W = 25 °C/W.

El 507302B00000G es un disipador térmico de aluminio diseñado para enfriar un dispositivo TO-220 2.5 W a 60 °C. (Fuente de la imagen: Boyd)

Para el TIM, considere Thermalcote, un compuesto de silicona térmica de Boyd. Su conductividad térmica (k) es de 0.765 W/(m °C). Suponiendo un espesor de 1 mm (L), R_ϑ,CS se puede calcular utilizando el área de superficie del disipador térmico (A = 19,05 mm x 19,05 mm).

Thermalcote, un compuesto térmico de silicona. (Fuente de la imagen: Boyd)

Entonces, al conectar todo en la ecuación:

T_J es ahora igual a 117.2 °C, muy por debajo de la temperatura nominal máxima para el dispositivo. Por lo tanto, este disipador térmico es una buena opción para mantener el componente funcionando. Pero, ¿es la mejor opción?

Las simulaciones podrían ser el camino a seguir

Los cálculos anteriores siguen siendo una buena opción para muchos escenarios de ingeniería. Sin embargo, la electrónica es cada vez más ligera, pequeña, compleja, potente y competitiva. Por lo tanto, los ingenieros necesitan optimizar los dispositivos comerciales y la manera en que se enfrían para reducir costos y mejorar la confiabilidad. Aquí, los cálculos rápidos no serán suficientes.

Además, estos cálculos utilizan suposiciones que pueden quedar obsoletas a medida que los componentes electrónicos se reducen. Por ejemplo, la temperatura atmosférica es de 50 °C y el calor se disipa uniformemente a través del disipador térmico.

Finalmente, ¿qué sucede si se agrega un flujo de aire forzado? El modelo no tiene en cuenta cómo fluye el aire dentro del espacio confinado ni cómo eso puede afectar al rendimiento.

La mejor manera de comprender completamente la transferencia de calor dentro de la electrónica de consumo moderna y, por lo tanto, dimensionar los disipadores térmicos y los ventiladores de manera óptima, es usar simulaciones. Con la simulación, los ingenieros ya no observarán cada componente de forma aislada. En cambio, pueden calcular el flujo de calor a través de todo el dispositivo. Esto les permite optimizar mejor los diseños, los disipadores térmicos y los ventiladores. Algunos de los programas de simulación más populares para esta tarea son Simcenter Flotherm, Ansys Icepak, Celsius Studio, Altair SimLab, SimScale y SOLIDWORKS Flow Simulation. Para obtener más información sobre los disipadores térmicos que se pueden agregar a esas simulaciones, haga clic aquí.