Un dissipatore per PCB contribuisce a trasferire il calore da un componente all’aria circostante o a un telaio. Le sue prestazioni dipendono dall’intero percorso termico. Un dissipatore efficace all’aria aperta può comportarsi diversamente all’interno di un involucro, mentre un dispositivo che trasferisce gran parte del calore attraverso la superficie inferiore può beneficiare più di un percorso dalla scheda al telaio che di un dissipatore montato sulla parte superiore.

Analizzate il percorso del calore dal dispositivo al dissipatore previsto e da questo all’ambiente circostante. Verificate il percorso nelle effettive condizioni di montaggio, flusso d’aria, involucro e funzionamento.

Identificare i percorsi di smaltimento del calore dal dispositivo

Un componente può dissipare calore attraverso più vie contemporaneamente. Il PCB può costituire il percorso termico principale, un percorso di supporto o un percorso parallelo rispetto a un dissipatore fissato altrove. Non date per scontato che ogni watt attraversi la stessa sequenza di materiali.

Tre configurazioni rappresentano utili punti di partenza:

Dissipatore montato sul dispositivo: il dissipatore è a contatto con una superficie idonea del package, generalmente tramite un materiale di interfaccia termica (TIM). Il calore attraversa il package e l’interfaccia, raggiunge il dissipatore e viene poi ceduto all’ambiente circostante. Verificate che la superficie del package sia adatta a questo impiego e che il package possa tollerare il metodo di fissaggio.
Dissipatore accoppiato alla scheda: il calore passa dal dispositivo al rame del PCB, eventualmente attraverso vie termiche, e raggiunge un dissipatore o un’altra superficie di raffreddamento accoppiata alla scheda. Il rame, le vie, la struttura della scheda e l’area di contatto influenzano tutti il percorso.
Percorso verso il telaio: il calore raggiunge un involucro o un telaio attraverso un’interfaccia e un sistema di montaggio sul package o sulla scheda. Il telaio deve poter cedere il calore all’ambiente circostante attraverso un percorso plausibile; le sole grandi dimensioni meccaniche non garantiscono un raffreddamento sufficiente.

Questi approcci possono coesistere. Per esempio, un dissipatore montato sulla parte superiore può smaltire parte del calore, mentre il PCB trasporta il resto verso i punti di fissaggio vicini. La ripartizione cambia in funzione della struttura e delle condizioni al contorno; trattare i percorsi come un’unica catena in serie fissa può quindi portare a decisioni progettuali fuorvianti.

Raccogliere i dati prima di scegliere un dissipatore

Partite dal dispositivo e dalle condizioni a cui sarà sottoposto nell’assieme.

Sorgente di calore e potenza dissipata. Identificate ogni componente rilevante che genera calore e la potenza che dissipa nel corso del profilo operativo. La potenza elettrica in ingresso non coincide automaticamente con il calore generato dal componente: considerate la potenza trasferita altrove e gli altri comportamenti specifici del dispositivo. Documentate le condizioni di picco, di funzionamento prolungato e del ciclo di lavoro, includendo le sorgenti vicine che possono riscaldare la stessa scheda o la stessa aria.

Limite di temperatura e riferimento. Stabilite la temperatura di giunzione ammissibile o il limite specificato per il punto di misura sulla base della documentazione applicabile al dispositivo, includendo il margine richiesto dal progetto. Documentate dove sia effettivamente possibile misurare la temperatura. Una misura sulla parte superiore del package, una sulla scheda e la temperatura ambiente non sono intercambiabili.

Informazioni sul package e dati termici. Determinate dove il calore può entrare nel package o uscirne e quali parametri termici sono applicabili alla stima prevista. La struttura del package, i pad esposti e il layout della scheda raccomandato dal produttore del dispositivo possono determinare se un approccio con dissipatore superiore o accoppiato alla scheda sia plausibile.

Ambiente e involucro. Definite la condizione ambiente peggiore ragionevolmente prevedibile nel luogo di funzionamento dell’assieme. Considerate come il riscaldamento dell’involucro, i componenti adiacenti e le aperture limitate influenzino l’aria che raggiunge il dissipatore. La temperatura ambiente usata per un calcolo o una prova deve essere definita in modo coerente; la temperatura della stanza all’esterno di un involucro chiuso non coincide necessariamente con quella dell’aria attorno al dispositivo.

Spazio, flusso d’aria e orientamento. Documentate il volume disponibile per il dissipatore, l’interfaccia e gli elementi di fissaggio. Includete le zone di esclusione, l’accessibilità per l’assemblaggio e i percorsi del flusso d’aria. L’orientamento può influenzare la convezione naturale, mentre ventole, ostacoli vicini e ricircolo possono modificare il flusso d’aria forzato. Il valore dichiarato per un dissipatore è legato alle condizioni di prova del produttore, che possono differire notevolmente da quelle dell’assieme installato.

Vincoli di installazione ed elettrici. Identificate le superfici di fissaggio consentite, le esigenze di isolamento elettrico, le distanze di sicurezza e i carichi meccanici ammissibili. Stabilite se la scheda o il package richiedono un supporto contro le forze di montaggio e le sollecitazioni dovute alla movimentazione. Anche il miglior contatto termico è inutile se l’installazione provoca un guasto elettrico o sollecita l’assieme.

Definire un bilancio termico senza confondere i parametri

Un bilancio termico mette in relazione la potenza dissipata con l’aumento di temperatura che il progetto può tollerare. Come concetto iniziale, sottraete la temperatura di riferimento pertinente dalla temperatura ammissibile della giunzione o del punto di misura. Si ottiene così l’aumento di temperatura disponibile per la condizione scelta. Il progetto deve quindi prevedere un percorso termico che mantenga il dispositivo entro tale margine alla potenza dissipata nelle condizioni operative ragionevolmente prevedibili.

Per un percorso singolo in serie a scopo illustrativo, l’aumento di temperatura può essere stimato moltiplicando il flusso di calore per la somma delle resistenze termiche applicabili. Questa approssimazione è utile solo se le resistenze descrivono il percorso effettivo, le relative condizioni al contorno sono coerenti e si è tenuto conto del calore che attraversa percorsi paralleli. Un percorso dal package al dissipatore e poi all’aria non rappresenta automaticamente l’intero sistema se anche il PCB conduce via una quantità significativa di calore.

Prestate particolare attenzione ai parametri del package riportati nella scheda tecnica:

Non sommate la resistenza giunzione-ambiente RθJA della scheda tecnica a una resistenza separata del percorso attraverso il dissipatore. RθJA si riferisce a una scheda di prova e a un ambiente definiti e può variare notevolmente in funzione della struttura della scheda, del flusso d’aria e delle condizioni circostanti. Aggiungere a questo valore un percorso attraverso il dissipatore come se si trattasse di una resistenza del solo package può portare a conteggiare due volte o a rappresentare in modo errato il flusso di calore.
Non trattate un parametro psi come una resistenza termica. Un parametro di caratterizzazione termica mette in relazione una stima della temperatura di giunzione con una misura di riferimento specificata, nelle condizioni definite; non è intercambiabile con una resistenza in una rete in serie arbitraria.
Associate ogni parametro alla sua temperatura di riferimento e alla sua definizione. Un valore previsto per un determinato punto di misura o una determinata condizione di prova non dovrebbe essere applicato a un altro senza le indicazioni del produttore.

Il documento Texas Instruments, Semiconductor and IC Package Thermal Metrics, SPRA953D, spiega la dipendenza dei parametri del package dalle condizioni di prova e la distinzione tra resistenze e parametri di caratterizzazione. Per le misure e la modellazione, seguite le indicazioni del produttore del dispositivo. Una stima è uno strumento di valutazione preliminare; non dimostra le prestazioni dopo l’installazione quando la ripartizione del flusso di calore o le condizioni al contorno non sono note.

Progettare il percorso termico sul lato scheda

Il rame può diffondere il calore lontano da un componente e distribuirlo verso un dissipatore, un contatto con il telaio o un’altra area della scheda. La sua efficacia dipende dalla geometria del rame disponibile, dai collegamenti tra gli strati, dalle sorgenti di calore vicine e dai punti in cui il calore può uscire dall’assieme. Un’ampia area di rame racchiusa in un involucro caldo può diffondere il calore senza riuscire a cederne una quantità sufficiente.

Le vie termiche possono collegare regioni di rame su strati diversi e contribuire ad allontanare il calore da un pad esposto o da un altro contatto del dispositivo. Il loro contributo dipende dall’intero stackup e dai dettagli di fabbricazione. Un maggior numero di vie non garantisce un miglioramento lineare: il fattore limitante potrebbe invece essere l’interfaccia del package, la diffusione nel rame, il contatto tra scheda e dissipatore o la cessione del calore all’esterno della scheda.

Per le opzioni di costruzione della scheda, consultate la pagina APTPCB sulla scelta dei PCB ad alta conducibilità termica. Quando le vie si trovano all’interno di un pad saldabile, la guida alla fabbricazione via-in-pad illustra le relative decisioni di fabbricazione e assemblaggio.

Coordinate il layout con i requisiti di fabbricazione e assemblaggio:

Identificate gli strati di rame collegati dalle vie e verificate se tali collegamenti siano elettricamente consentiti. Un pad termico o un contatto con il telaio può avere un potenziale elettrico specificato o richiedere isolamento.
Documentate la posizione delle vie rispetto ai pad saldabili. Le vie all’interno o in prossimità di un pad possono sottrarre saldante durante l’assemblaggio, compromettendo il giunto. Concordate un trattamento appropriato con i responsabili della fabbricazione e dell’assemblaggio, invece di presumere che ogni via sia riempita di rame o chiusa in altro modo.
Preservate l’area saldabile e le caratteristiche di collegamento richieste dal dispositivo. Le modifiche termiche non devono compromettere la funzione elettrica o la producibilità del pad.
Verificate stackup, caratteristiche del rame e dettagli delle vie rispetto al processo previsto prima del rilascio. Un disegno che indichi soltanto «aggiungere vie termiche» lascia irrisolte scelte importanti.
Considerate come viene sostenuta la scheda in corrispondenza del contatto con il dissipatore o con il telaio. Un’interfaccia termica non può compensare una flessione eccessiva della scheda, un allineamento inadeguato o la perdita di contatto durante l’installazione.

NXP AN11753 fornisce indicazioni su vie e dissipatori per un dispositivo specifico. Anche Texas Instruments TIDA030 illustra un percorso termico specifico per un dispositivo. Applicate tali indicazioni ai dispositivi e alle condizioni a cui si riferiscono, senza considerarne universali le dimensioni o le prestazioni.

Coordinare interfaccia e montaggio

Un dissipatore deve garantire un contatto ripetibile con la superficie che deve raffreddare. Il TIM riempie le imperfezioni tra le superfici a contatto, ma il suo comportamento dopo l’installazione dipende dal materiale scelto, dall’area di contatto, dallo spessore dello strato e dalle condizioni di montaggio. Un disegno dovrebbe definire come applicare o installare l’interfaccia, non limitarsi a indicare una famiglia di materiali.

Verificate planarità e tolleranze di package, scheda, dissipatore ed eventuale contatto con il telaio. Determinate come gli elementi di fissaggio stabiliscono il contatto e se applicano il carico nei punti in cui package e scheda possono sostenerlo in sicurezza. Prevedete il fissaggio meccanico, l’accessibilità per l’installazione e gli eventuali supporti necessari a evitare flessioni. Evitate di fare affidamento su una pressione di contatto o uno spessore dello strato ipotizzati che l’assemblaggio non può garantire con continuità.

L’isolamento elettrico può aggiungere un’altra interfaccia al percorso. Dove è richiesto, valutate l’intera configurazione dell’interfaccia e del montaggio rispetto ai requisiti sia termici sia elettrici, comprese le distanze di sicurezza e gli stessi elementi di fissaggio. Uno strato isolante non sostituisce la verifica del progetto assemblato.

Per approfondire la scelta dei materiali, consultate la guida alla selezione dei materiali di interfaccia termica. Per le considerazioni ottiche, di montaggio e termiche specifiche dei LED, consultate la guida alla gestione termica dei PCB per LED.

Confronto ipotetico: dissipatore superiore o percorso dalla scheda al telaio?

Scenario ipotetico: un progettista sta integrando un dispositivo di potenza non LED in un assieme racchiuso in un involucro. Sopra il package è disponibile un certo spazio e una parte della scheda si trova vicino a una superficie di montaggio sul telaio. Sia un dissipatore montato sulla parte superiore sia un percorso dalla scheda al telaio sembrano meccanicamente possibili. Non si presume alcun risultato di raffreddamento.

Un dissipatore montato sulla parte superiore è una possibile soluzione se la documentazione del dispositivo supporta il trasferimento di calore attraverso la superficie del package, se il dissipatore può essere fissato senza danneggiare il package e se può essere raggiunto da un flusso d’aria utile. Il progettista dovrebbe inoltre verificare che l’involucro lasci spazio sufficiente attorno alle alette e che i componenti vicini non preriscaldino né ostacolino l’aria.

Un percorso dalla scheda al telaio è una possibile soluzione se il package può trasferire efficacemente il calore al PCB, se lo stackup e il rame possono trasportarlo verso il contatto e se l’interfaccia con il telaio è realizzabile. Il progettista deve verificare il supporto della scheda, le tolleranze dell’interfaccia, l’isolamento elettrico e il modo in cui il telaio cede calore nell’ambiente di installazione.

Nessuna delle due opzioni dovrebbe essere scelta soltanto perché presenta una maggiore quantità di metallo visibile. Il package può favorire un percorso, mentre le condizioni dell’involucro o i vincoli di assemblaggio possono favorire l’altro. Può valere la pena valutare un approccio combinato, se ciascun percorso è compatibile dal punto di vista meccanico ed elettrico.

Elenco delle evidenze per la decisione:

Potenza dissipata dal dispositivo nel corso del profilo operativo, temperatura ammissibile e indicazioni applicabili al package.
Superfici previste per il trasferimento di calore e definizioni dei parametri termici utilizzati.
Stackup della scheda, dettagli del rame e delle vie per l’opzione accoppiata al telaio.
Dimensioni e tolleranze del dissipatore, dell’interfaccia e del montaggio per ciascuna soluzione candidata.
Orientamento dell’involucro, flusso d’aria e condizioni ambiente ragionevolmente prevedibili.
Un piano di misurazione o modellazione che rappresenti ogni configurazione installata, inclusi i percorsi termici paralleli.
Criteri di accettazione concordati e un responsabile della risoluzione di eventuali anomalie o discrepanze.

Validare l’assieme installato

Pianificate la validazione sia per le condizioni transitorie sia per le condizioni di funzionamento a regime. Un breve evento ad alta dissipazione può produrre un picco di temperatura che una media a lungo termine nasconde. Viceversa, un progetto che supera una prova breve può comunque accumulare calore durante il funzionamento prolungato. Definite la sequenza operativa e il criterio utilizzato per stabilire se le temperature si sono stabilizzate; non presumete che una prova sostituisca l’altra.

Posizionate e documentate i punti di misura in modo che le temperature rilevate possano essere interpretate secondo le indicazioni applicabili al dispositivo. Per ogni risultato, registrate lo stato operativo della sorgente di calore, il riferimento di temperatura ambiente, la configurazione dell’involucro, l’orientamento, il flusso d’aria e le condizioni di montaggio. Quando la giunzione non può essere misurata direttamente, utilizzate il metodo prescritto dal produttore e dichiarate le ipotesi e l’incertezza della stima.

Per ulteriori indicazioni sull’interpretazione delle osservazioni della temperatura superficiale, consultate la guida alla termografia dei PCB.

Problema osservato	Verifica a livello di sistema	Evidenze necessarie
La temperatura del dispositivo aumenta durante il funzionamento prolungato	Verificare l’aria nell’involucro, le ostruzioni al flusso d’aria, il contatto del dissipatore e le altre sorgenti di calore, non solo le dimensioni del dissipatore	Registrazioni della potenza dissipata in esercizio e delle temperature ambiente e locali, configurazione installata e ispezione del contatto
Un breve evento operativo produce un picco di temperatura	Verificare la potenza dissipata e la durata effettive, la massa termica e la risposta del sistema di misura	Profilo operativo e misure di temperatura allineati nel tempo, con la posizione dei punti di prova
La scheda vicino al dispositivo è calda, ma il contatto con il telaio è più freddo	Verificare il percorso attraverso rame e vie, la posizione del contatto, l’accoppiamento dell’interfaccia e il supporto della scheda	Stackup e layout, dimensioni dell’interfaccia, evidenze del contatto nell’assieme e temperature in punti definiti
I risultati variano tra assiemi	Verificare l’applicazione del TIM, le tolleranze, la sequenza di montaggio e la costanza del flusso d’aria	Registrazioni di assemblaggio, specifiche dell’interfaccia e degli elementi di fissaggio, configurazione di prova e variazioni misurate

Assegnate un responsabile al piano di validazione prima dell’inizio delle prove. Tale responsabile dovrebbe assicurare che le condizioni e i criteri di accettazione siano concordati, che i risultati siano confrontati con i limiti del dispositivo e del progetto e che le modifiche siano controllate. I responsabili del dispositivo, della parte meccanica, del PCB e dell’assemblaggio potrebbero dover risolvere aspetti diversi di un’anomalia. La sola verifica del processo di fabbricazione o assemblaggio non dimostra che il prodotto finito soddisfi i requisiti termici.

Elenco di controllo per il passaggio di consegne del progetto

Documentate nel pacchetto di rilascio il percorso termico previsto e le relative ipotesi, in modo che i responsabili possano valutare le modifiche successive. Includete:

Sorgenti di calore: identificazione dei componenti, potenza dissipata, stati operativi e profilo del ciclo di lavoro, con la fonte di ogni ipotesi.
Limiti del dispositivo: temperatura ammissibile della giunzione o del punto di misura, indicazioni sul trasferimento di calore del package, definizioni dei parametri termici e relative temperature di riferimento.
Percorso nel PCB: stackup, geometria del rame, dettagli di pad e vie, collegamenti elettrici ed eventuali requisiti di fabbricazione o assemblaggio che influiscono sulla saldatura o sul contatto.
Dissipatore e interfaccia: dimensioni, superfici di contatto, specifica del TIM, spessore previsto dello strato, metodo di montaggio, planarità e tolleranze di assemblaggio.
Vincoli elettrici e meccanici: isolamento, distanze di sicurezza, elementi di fissaggio, supporto della scheda, carichi di installazione e requisiti di accessibilità.
Ambiente: configurazione dell’involucro, orientamento, flusso d’aria, contatti con il telaio e condizioni ambiente ragionevolmente prevedibili.
Validazione: punti di prova, sequenza operativa, condizioni transitorie e prolungate, criteri di accettazione, metodo di misura e responsabile.
Controllo delle modifiche: quali sostituzioni di dissipatore, TIM, elementi di fissaggio, scheda, involucro o modifiche al flusso d’aria richiedono una revisione e una nuova validazione, e chi le approva.

Quando discutete della scheda con APTPCB, condividete le sorgenti di calore e le potenze dissipate, i dettagli dello stackup e delle vie, nonché le interfacce del dissipatore e dell’assieme. Contattate APTPCB o richiedete un preventivo, includendo i requisiti di validazione. Confermate l’ambito di eventuali attività di assemblaggio del dissipatore o di prova termica previste per il vostro progetto.