Dissipador de calor

Um dissipador de calor (também grafado frequentemente apenas como dissipador) é um trocador de calor passivo que transfere o calor gerado por um dispositivo eletrônico ou mecânico para um meio fluido, frequentemente o ar ou um líquido de arrefecimento, onde ele é dissipado para longe do dispositivo, permitindo a regulação da temperatura operacional do equipamento. Em computadores, os dissipadores de calor são utilizados para arrefecer unidades centrais de processamento (CPUs), processadores gráficos (GPUs) e determinados chipsets e módulos de memória RAM. Os dissipadores de calor também são empregados em outros dispositivos semicondutores de alta potência, tais como transistores de potência, e em dispositivos optoeletrônicos, como lasers e diodos emissores de luz (LEDs), nos quais a capacidade de dissipação de calor do próprio componente é insuficiente para moderar sua temperatura.

Um dissipador de calor é projetado para maximizar sua área superficial em contato com o meio de arrefecimento que o circunda, como o ar. A velocidade do ar, a escolha do material, o desenho das protuberâncias e o tratamento de superfície são fatores que afetam o desempenho de um dissipador. Os métodos de fixação do dissipador e os materiais de interface térmica também afetam a temperatura da matriz (die) do circuito integrado. Adesivo térmico ou pasta térmica melhoram o desempenho do dissipador ao preencher as lacunas de ar entre a base do dissipador e o espalhador de calor do dispositivo. Um dissipador de calor é geralmente construído a partir de um material com alta condutividade térmica, como o alumínio ou o cobre.

Princípio de transferência de calor

Um dissipador de calor transfere energia térmica de um dispositivo em temperatura mais alta para um meio fluido em temperatura mais baixa. O meio fluido é frequentemente o ar, mas também pode ser água, fluidos refrigerantes ou até mesmo óleo. Se o meio fluido for a água, o dissipador é frequentemente chamado de placa fria (cold plate). Na termodinâmica, um dissipador de calor atua como um reservatório térmico capaz de absorver uma quantidade arbitrária de calor sem alterar significativamente sua temperatura. Os dissipadores de calor práticos para dispositivos eletrônicos devem ter uma temperatura superior à do ambiente para transferir calor por convecção, radiação e condução. Como as fontes de alimentação e os circuitos eletrônicos não possuem eficiência absoluta, é gerado calor residual que pode ser prejudicial ao funcionamento do dispositivo. Por esse motivo, um dissipador é incorporado ao projeto para dispersar esse calor.

A lei de Fourier da condução de calor estabelece que, quando há um gradiente de temperatura em um corpo, o calor é transferido da região de maior temperatura para a região de menor temperatura. A taxa na qual o calor é transferido por condução, $q_{k}$ , é proporcional ao produto do gradiente de temperatura pela área da seção transversal através da qual o calor flui. Quando simplificada para a forma unidimensional na direção $x$ , pode ser expressa como:

q_{k}=-kA{\frac {dT}{dx}}.

Para um dissipador de calor instalado em um duto por onde o ar escoa, a base do dissipador será tipicamente mais quente do que o ar que se desloca pelo canal. A aplicação do princípio da conservação de energia, para condições de regime permanente, e da lei de resfriamento de Newton aos nós de temperatura mostrados no diagrama fornece o seguinte conjunto de equações:

{\dot {Q}}={\dot {m}}c_{p,{\text{in}}}(T_{\text{air,out}}-T_{\text{air,in}}),

{\dot {Q}}={\frac {T_{\text{hs}}-T_{\text{air,av}}}{R_{\text{hs}}}},

onde:

T_{\text{air,av}}={\frac {T_{\text{air,in}}+T_{\text{air,out}}}{2}}.

{\dot {m}}

é a vazão mássica do ar, em kg/s;

c_{p,{\text{in}}}

é o calor específico do ar de entrada, em J/(kg·°C);

{R_{\text{hs}}}

é a resistência térmica do dissipador de calor.

A utilização da temperatura média do ar é uma simplificação válida para dissipadores de calor relativamente curtos. Quando se calculam trocadores de calor compactos, utiliza-se a temperatura média logarítmica do ar.

As equações acima demonstram que:

Quando a vazão de ar através do dissipador diminui, isso resulta em um aumento na temperatura média do ar. Isso, por sua vez, eleva a temperatura da base do dissipador. Adicionalmente, a resistência térmica do dissipador também aumenta. O resultado líquido é uma temperatura mais elevada na base do dissipador.
- O aumento na resistência térmica do dissipador com a diminuição da vazão é detalhado mais adiante neste artigo.
A temperatura do ar de entrada relaciona-se fortemente com a temperatura da base do dissipador. Por exemplo, se houver recirculação de ar no interior do equipamento, a temperatura do ar de entrada não será a temperatura ambiente externa. A temperatura do ar de admissão do dissipador torna-se mais alta, resultando igualmente em uma temperatura mais alta na base do dissipador.
Se não houver fluxo de ar ao redor do dissipador, a energia térmica não pode ser transferida de forma eficiente para o ambiente.
Um dissipador de calor não é um dispositivo com a "capacidade mágica de absorver calor como uma esponja e enviá-lo para um universo paralelo".

A convecção natural requer o fluxo livre de ar sobre o dissipador. Se as aletas não estiverem alinhadas verticalmente, ou se estiverem excessivamente próximas para permitir uma circulação de ar adequada entre elas, a eficiência do dissipador diminuirá consideravelmente.

Fatores de projeto

Resistência térmica

Para dispositivos semicondutores utilizados em eletrônica de consumo e industrial, o conceito de resistência térmica simplifica a seleção de dissipadores de calor. O fluxo de calor entre a matriz do semicondutor e o ar ambiente é modelado como uma série de resistências térmicas equivalentes; há uma resistência da matriz para o invólucro do componente, do invólucro para o dissipador e do dissipador para o ar ambiente. A soma dessas resistências é a resistência térmica total da matriz para o ar ambiente. A resistência térmica é definida como a elevação de temperatura por unidade de potência dissipada, de modo análogo à resistência elétrica, e é expressa em graus Celsius por watt (°C/W). Conhecendo-se a dissipação de potência do dispositivo em watts e calculando-se a resistência térmica total, pode-se determinar a elevação de temperatura da matriz em relação ao ar ambiente.

O conceito de resistência térmica aplicado a um dissipador de semicondutor é uma aproximação. Ele não leva em consideração a distribuição não uniforme de calor sobre o dispositivo ou dissipador. Além disso, modela apenas sistemas em equilíbrio térmico, desconsiderando a variação temporal de temperaturas e a não linearidade dos fenômenos de radiação e convecção em relação ao aumento de temperatura. Entretanto, os fabricantes tabelam valores típicos de resistência térmica para dissipadores e componentes semicondutores, o que simplifica significativamente o processo de especificação de dissipadores comerciais.

Dissipadores comerciais de alumínio extrudado apresentam resistências térmicas (do dissipador para o ar ambiente) que variam desde 0,4 °C/W para grandes peças destinadas a dispositivos TO-3, até patamares de 85 °C/W para pequenos dissipadores de encaixe por pressão montados sobre encapsulamentos plásticos TO-92. O popular transistor de potência 2N3055 em invólucro TO-3 apresenta uma resistência térmica interna junção-invólucro de 1,52 °C/W. O contato entre o invólucro do dispositivo e o dissipador pode introduzir uma resistência térmica de contato entre 0,5 e 1,7 °C/W, dependendo do tamanho do encapsulamento e do uso de pasta térmica ou de arruelas isolantes de mica.

Material

Os materiais para dissipadores de calor devem possuir alto calor específico e elevada condutividade térmica a fim de absorver maior energia térmica sem sofrerem elevações excessivas de temperatura, transferindo esse calor de forma eficiente ao meio ambiente. Os materiais mais comuns em dissipadores de calor são as ligas de alumínio. A liga de alumínio 1050 apresenta um dos maiores valores de condutividade térmica, em torno de 229 W/(m·K), e calor específico de 922 J/(kg·K), mas é mecanicamente macia. As ligas de alumínio 6060 (baixa tensão residual), 6061 e 6063 são amplamente utilizadas, com valores de condutividade térmica de 166 e 201 W/(m·K), respectivamente. Esses valores dependem do estado de têmpera/revenimento da liga. Dissipadores de peça única de alumínio podem ser fabricados por extrusão, fundição, desbaste por corte (skiving) ou fresamento.

O cobre possui excelentes propriedades térmicas em termos de condutividade térmica, resistência à corrosão, resistência a incrustações biológicas (bioincrustação) e ação antimicrobiana. O cobre tem cerca do dobro da condutividade térmica do alumínio, atingindo cerca de 400 W/(m·K) para o cobre puro. Suas principais aplicações concentram-se em instalações industriais, usinas elétricas, sistemas de aquecimento solar, sistemas de climatização (HVAC), aquecedores de água a gás, sistemas de arrefecimento por ar forçado, sistemas geotérmicos e circuitos eletrônicos avançados.

O cobre é três vezes mais denso e consideravelmente mais caro do que o alumínio, sendo também menos dúctil. Dissipadores de cobre de peça única podem ser produzidos por desbaste (skiving) ou fresamento. Aletas de chapas metálicas também podem ser soldadas sobre um bloco retangular de cobre.

Eficiência da aleta

A eficiência da aleta é um dos parâmetros que justificam o emprego de materiais com maior condutividade térmica. Uma aleta de dissipador pode ser tratada como uma placa plana na qual o calor flui por uma extremidade e é dissipado para o fluido circundante à medida que se propaga em direção à outra extremidade. À medida que o calor se desloca através da aleta, a resistência térmica do material que restringe o fluxo combinada ao calor perdido por convecção faz com que a temperatura da aleta — e, portanto, a taxa de transferência de calor para o fluido — diminua da base em direção à sua ponta. A eficiência da aleta é definida como a taxa real de calor transferido pela aleta dividida pela taxa de calor que seria transferida caso a aleta fosse hipoteticamente isotérmica (possuindo condutividade térmica infinita). As equações aplicáveis para aletas retas são:

\eta _{\text{f}}={\frac {\tanh(mL_{c})}{mL_{c}}},

mL_{c}={\sqrt {\frac {2h_{\text{f}}}{kt_{\text{f}}}}}L_{\text{f}},

onde:

h_{\text{f}}

é o coeficiente de convecção da aleta:

10 a 100 W/(m²·K) no ar;

500 a 10.000 W/(m²·K) na água;

k

é a condutividade térmica do material da aleta:

120 a 240 W/(m·K) para o alumínio;

L_{\text{f}}

é a altura da aleta (m);

t_{\text{f}}

é a espessura da aleta (m).

A eficiência da aleta é aumentada pela redução de sua razão de aspecto (tornando-a mais espessa ou mais curta) ou pelo emprego de um material mais condutivo (cobre em vez de alumínio, por exemplo).

Resistência de espalhamento

Outro parâmetro vinculado à condutividade térmica do material é a resistência de espalhamento (spreading resistance). A resistência de espalhamento manifesta-se quando a energia térmica é transferida de uma área superficial pequena para uma área maior em uma substância com condutividade térmica finita. Em um dissipador de calor, isso significa que o calor não se distribui de maneira uniforme através da base do dissipador. Esse fenômeno faz com que o calor viaje a partir da localização da fonte térmica gerando um gradiente de temperatura acentuado entre a fonte de calor e as bordas externas da base do dissipador. Consequentemente, certas aletas operam em temperatura inferior àquela que teriam caso o fluxo de calor fosse uniformemente distribuído por toda a base, o que aumenta a resistência térmica efetiva global do dissipador.

Para reduzir a resistência de espalhamento na base de um dissipador:

aumenta-se a espessura da base;
seleciona-se um material alternativo dotado de condutividade térmica superior;
utiliza-se uma câmara de vapor (vapor chamber) ou tubo de calor acoplado na base do dissipador.

Arranjos de aletas

Um dissipador de pinos (pin fin) é dotado de hastes cilíndricas, elípticas ou prismáticas quadradas que se projetam a partir de sua base. Uma segunda configuração muito comum é o arranjo de aletas retas longitudinais. Uma variação desse formato é o dissipador com aletas de corte transversal (cross-cut). Uma terceira geometria é o dissipador de aletas alargadas ou inclinadas (flared fin), em que as aletas divergem e não permanecem paralelas entre si. Essa inclinação reduz a resistência ao escoamento, forçando um volume maior de ar a passar pelos canais formados entre as aletas, o que atenua o desvio lateral de fluxo (bypass).

Forghan et al. conduziram ensaios comparando dissipadores de pinos, aletas retas e aletas alargadas. Constataram que, para baixas velocidades de aproximação do ar (tipicamente em torno de 1 m/s), o desempenho térmico das aletas alargadas é pelo menos 20% superior ao dos dissipadores de aletas retas. Lasance e Eggink verificaram igualmente que, nas configurações com desvio de fluxo testadas, o dissipador com aletas alargadas apresentou desempenho superior às demais tipologias avaliadas.

Em termos gerais, quanto maior a área superficial de um dissipador de calor, melhor tende a ser o seu desempenho. O rendimento prático, no entanto, depende criticamente da geometria e da aplicação. O conceito de um dissipador com aletas de pinos é concentrar o máximo de área superficial em um determinado volume físico, mantendo eficiência em qualquer orientação do fluxo fluido. Kordyban comparou o desempenho térmico entre um dissipador de pinos e um de aletas retas de dimensões comparáveis: embora o modelo de pinos apresentasse uma área superficial de 194 cm² contra 58 cm² do modelo de aletas retas, a diferença de temperatura entre a base do dissipador e o ar ambiente foi de 50 °C para os pinos e de 44 °C para as aletas retas (uma vantagem de 6 °C a favor das aletas retas). O desempenho de dissipadores de pinos supera o de aletas retas predominantemente em aplicações ótimas nas quais o fluido escoa axialmente ao longo do comprimento dos pinos, em vez de passar apenas tangencialmente através deles.

Comparação entre dissipadores de aletas de pinos e de aletas retas de dimensões semelhantes
Tipo de aleta do dissipador	Largura [cm]	Comprimento [cm]	Altura [cm]	Área superficial [cm²]	Volume [cm³]	Diferença de temperatura, $T_{\text{invólucro}}-T_{\text{ar}}$ [°C]
Reta	2,5	2,5	3,2	58	20	44
Pinos	3,8	3,8	1,7	194	24	51

Cavidades (aletas invertidas)

Cavidades (aletas invertidas) integradas a uma fonte térmica são regiões formadas entre aletas adjacentes que atuam como promotoras fundamentais dos processos de ebulição nucleada ou condensação. Essas cavidades são comumente empregadas para extrair calor de corpos geradores térmicos em direção a um dissipador.

Placa espessa condutiva entre a fonte de calor e o dissipador

O posicionamento de uma placa espessa termicamente condutiva como interface de transferência de calor entre a fonte térmica e um fluido refrigerante em escoamento (ou qualquer outro dissipador) pode aprimorar o desempenho do sistema de arrefecimento. Nesse arranjo, a fonte de calor é arrefecida sob a placa espessa em vez de permanecer em contato direto com o fluido de arrefecimento. Demonstra-se que a placa espessa pode melhorar significativamente a transferência de calor ao conduzir a corrente térmica de maneira otimizada. As duas maiores vantagens desse método residem no fato de dispensar potência adicional de bombeamento e não requerer área superficial estendida complementar, diferenciando-se fundamentalmente das aletas convencionais.

Cor da superfície

A transferência de calor a partir do dissipador ocorre por convecção do ar circundante, condução através do ar e radiação térmica.

A transferência de calor por radiação é função direta tanto da temperatura do dissipador quanto da temperatura dos corpos circundantes aos quais o dissipador está opticamente acoplado. Quando ambas as temperaturas estão na faixa de 0 °C a 100 °C, a contribuição da radiação em comparação com a convecção é tipicamente pequena, sendo esse fator muitas vezes desconsiderado em análises de rotina. Nesses casos, dissipadores aletados operando sob convecção natural ou convecção forçada não são significativamente afetados pela emissividade da superfície.

Em contrapartida, em situações onde a convecção é reduzida, como em painéis planos sem aletas expostos a baixo fluxo de ar, o resfriamento radiativo pode se tornar preponderante. Nesses cenários, as propriedades da superfície tornam-se um critério de projeto relevante: superfícies com acabamento preto fosco irradiam calor com eficiência substancialmente superior à de metais polidos aparentes. Uma superfície metálica polida brilhante possui baixa emissividade. A emissividade de um material é altamente dependente do comprimento de onda e correlaciona-se com sua absortividade. Para a maior parte das substâncias, a emissividade no espectro visível é similar à emissividade no infravermelho térmico; contudo, ocorrem exceções notáveis, a exemplo de certos óxidos metálicos aplicados como "superfícies seletivas".

No vácuo ou no espaço sideral, a convecção inexiste; logo, nesses ambientes, a radiação é o único mecanismo físico responsável pela troca de calor entre o dissipador e o meio externo. Para um satélite em órbita, uma superfície a 100 °C (373 K) voltada para o Sol absorverá elevada radiação térmica direta, visto que a temperatura superficial do Sol é de quase 6.000 K; por outro lado, a mesma superfície voltada para o espaço profundo irradiará calor intensamente, dado que o espaço interestelar apresenta uma temperatura efetiva de apenas alguns Kelvin.

Aplicações em engenharia

Arrefecimento de microprocessadores

A dissipação de calor é um subproduto inevitável de circuitos e dispositivos eletrônicos operando sob carga elétrica. De maneira geral, a temperatura atingida por um componente dependerá da resistência térmica entre ele e o meio circundante, bem como da potência por ele dissipada. Para assegurar que o componente não sofra superaquecimento, o engenheiro térmico deve estruturar um caminho eficiente de transporte de calor do dispositivo para o ambiente. Esse trajeto pode envolver a condução para a placa de circuito impresso (PCB), para um dissipador acoplado e para o fluxo de ar fornecido por uma ventoinha, descarregando por fim a energia no ar ambiente.

Dois fatores de projeto complementares exercem grande impacto sobre o desempenho térmico e mecânico da montagem:

O método pelo qual o dissipador é fixado mecanicamente sobre o processador ou componente (detalhado na seção métodos de fixação).
A interface física entre dois corpos em contato: existirá invariavelmente uma queda abrupta de temperatura através da junção, atribuída à chamada resistência térmica de contato. A aplicação de materiais de interface térmica (TIM) visa atenuar essa resistência térmica interfacial.

Métodos de fixação

À medida que a dissipação de potência dos componentes aumenta e suas dimensões físicas diminuem, os projetos térmicos tornam-se mais rigorosos para prevenir o superaquecimento de matrizes de silício. Dispositivos que operam em temperaturas mais baixas apresentam maior confiabilidade e vida útil. O projeto de um dissipador deve satisfazer tanto a requisitos térmicos quanto mecânicos: no aspecto mecânico, o componente deve permanecer firmemente acoplado ao dissipador sob condições operacionais de choque e vibração. O dissipador pode consistir em planos de cobre da própria placa de circuito impresso ou em uma estrutura metálica independente fixada sobre o componente. Os métodos de montagem incluem fitas termocondutoras, adesivos epóxi, grampos de arame conformados em formato de "Z" (Z-clips), presilhas elásticas planas, espaçadores rosqueados e pinos de pressão expansíveis (push pins).

Fitas termicamente condutoras

A fita termicamente condutora é um dos materiais de fixação de dissipadores com melhor relação custo-benefício. É adequada para dissipadores de baixa massa mecânica e para circuitos integrados com baixo consumo de potência. É constituída por uma matriz carreadora termicamente condutiva revestida em ambas as faces por um adesivo sensível à pressão.

Essa fita é aplicada na base do dissipador, o qual é então colado sobre o componente. Os fatores que influenciam seu desempenho englobam:

As superfícies do componente e do dissipador devem estar perfeitamente limpas, isentas de resíduos ou filmes de desmoldantes e óleos;
A pressão mecânica de assentamento inicial é essencial para garantir o contato íntimo: pressões insuficientes criam bolsões de ar retidos, elevando substancialmente a resistência térmica interfacial;
Fitas mais espessas conferem melhor molhabilidade interfacial em componentes de superfícies irregulares, embora fitas espessas apresentem resistência térmica interna superior à de fitas delgadas. O projeto requer selecionar a espessura ótima de equilíbrio.

Resinas epóxi

Resinas epóxi termicamente condutoras são mais onerosas que as fitas, porém proporcionam fixação mecânica estrutural permanente e condutividade térmica superior. A formulação deve ser especificamente projetada para aplicações térmicas. A maioria consiste em sistemas bicomponentes que requerem homogeneização prévia à aplicação. A cura varia tipicamente de 2 a 48 horas à temperatura ambiente, podendo ser acelerada termicamente em estufas.

Como a adesão por epóxi é semipermanente ou permanente, o retrabalho em placas de circuito torna-se complexo ou inviável, com riscos frequentes de delaminação e fratura da pastilha de silício ou do encapsulamento ao se tentar destacar a peça.

Presilhas de arame em "Z" (Z-clips)

Mais caros que fitas e epóxi, os grampos mecânicos de arame conformados em formato de "Z" fixam o dissipador por pressão elástica. Para sua utilização, a placa de circuito impresso deve incorporar âncoras soldadas ou passantes. A furação da PCB deve ser planejada previamente no layout. Na utilização de ligas de solda em conformidade com as diretivas RoHS, deve-se considerar que tais ligas possuem menor resistência mecânica à fadiga do que as tradicionais ligas de chumbo/estanho (Pb/Sn).

A montagem ocorre prendendo-se uma das extremidades da presilha a uma âncora e flexionando a mola sobre o dissipador até travar o outro lado na âncora oposta. A deflexão elástica aplica uma força compressiva contínua sobre a interface térmica, o que viabiliza o uso de materiais de mudança de fase (PCM) e pastas de alto desempenho.

Presilhas de encaixe (Clips)

Disponíveis para processadores e componentes em encapsulamentos BGA (ball grid array), permitem prender o dissipador diretamente sobre o corpo do chip. As garras aproveitam o vão livre criado pelas esferas de solda do BGA entre o componente e a superfície da PCB. Dispensam furações na placa e viabilizam fácil remoção e retrabalho em manutenção.

Pinos de pressão com molas de compressão (Push pins)

Para dissipadores volumosos com altas exigências de carga de assentamento, os pinos de pressão com molas de compressão helicoidais são altamente eficazes. Fabricados em latão ou plásticos técnicos, possuem garras terminais flexíveis que se expandem após passarem pelos orifícios da PCB, travando-se na face inferior da placa. As molas mantêm compressão uniforme e constante entre a base do dissipador e o componente. A força de inserção deve ser dimensionada para prevenir trincas por estresse mecânico na matriz de silício durante a montagem.

Espaçadores rosqueados com molas de compressão

Para dissipadores de grande porte e peso expressivo, o método de fixação com espaçadores tubulares metálicos rosqueados e molas de compressão constitui a solução estrutural padrão. Uma das extremidades do espaçador é fixada com parafusos a partir da face posterior da placa, e a face superior recebe os parafusos que comprimem as molas contra as abas do dissipador. Tipicamente utilizam-se de dois a quatro pontos de fixação por conjunto. Essa montagem é a mais cara e exige furações dedicadas na placa de circuito impresso.

Resumo dos métodos de fixação de dissipadores de calor
Método	Vantagens	Desvantagens	Custo relativo
Fita térmica	Fácil aplicação; baixo custo.	Não provê retenção mecânica segura para dissipadores pesados ou ambientes sujeitos a vibração; requer limpeza rigorosa das superfícies; condutividade térmica moderada a baixa.	Muito baixo
Resina epóxi	Elevada adesão mecânica estrutural; custo relativamente baixo.	Dificulta ou impede o retrabalho em manutenção, podendo danificar o encapsulamento; exige cura e limpeza rigorosa.	Muito baixo
Grampos em "Z" (Z-clips)	Forte fixação mecânica; facilidade de desmontagem e retrabalho; aplica pré-carga constante sobre o material de interface térmica, melhorando o desempenho térmico.	Exige furos ou âncoras soldadas na placa de circuito; custo mais elevado que fitas e epóxi; projetos frequentemente dedicados.	Baixo
Presilhas de engate (Clip-on)	Aplica pré-carga à interface térmica; dispensa furos ou âncoras na PCB; permite fácil remoção e retrabalho.	Exige zona de segurança livre (keep-out) ao redor do BGA; etapas de montagem adicionais.	Baixo
Pinos de pressão com molas (Push pins)	Fixação mecânica firme; elevada pré-carga na interface térmica; montagem e desmontagem simples.	Exige furos passantes na placa, restringindo o roteamento de trilhas elétricas na PCB.	Moderado
Espaçadores rosqueados com molas	Maior rigidez mecânica; máxima pré-carga na interface térmica; ideal para dissipadores pesados e de grandes dimensões.	Exige furação da PCB, reduzindo área de trilhas; montagem mais complexa e demorada.	Elevado

Materiais de interface térmica

A resistência térmica de contato decorre de rugosidades microscópicas, imperfeições geométricas e desvios de planicidade existentes nas superfícies metálicas em contato. Os vazios microscópicos formados nessa junção acabam preenchidos por ar ambiente, cuja condutividade térmica é de apenas 0,022 W/(m·K). Consequentemente, o calor flui apenas pelos pontos de contato metal-metal real e, em grau muito menor, por condução/radiação através das microbolsas de ar. Para atenuar essa barreira, utilizam-se materiais de interface térmica (TIM), que deslocam o ar confinado, preenchendo as cavidades com substâncias de condutividade térmica substancialmente superior (0,3 a mais de 5 W/(m·K)).

Ao selecionar um TIM, a condutividade térmica nominal informada pelo fabricante deve ser avaliada em conjunto com a resistência térmica de contato nas superfícies, visto que uma pasta ou elastômero com alta condutividade pode apresentar desempenho térmico global insatisfatório caso não se amolde adequadamente sob a pressão mecânica de montagem.

A especificação de um TIM baseia-se em três parâmetros operacionais principais: o espaçamento ou folga da interface (gap), a pressão mecânica de contato aplicada e as exigências de rigidez dielétrica (isolamento elétrico).

Seleção de TIM com base na folga interfacial (*gap*)
Dimensão da folga interfacial		Tipos de produtos disponíveis
< 0,05 mm	< 2 mil	Pastas térmicas, adesivos epóxi condutivos, materiais de mudança de fase (PCM)
0,05–0,1 mm	2–5 mil	Materiais de mudança de fase, fitas de poliimida, grafite ou alumínio
0,1–0,5 mm	5–18 mil	Mantas elastoméricas revestidas com silicone
> 0,5 mm	> 18 mil	Almofadas térmicas de preenchimento (gap fillers)

Seleção de TIM com base na pressão mecânica de contato
Faixa de pressão de contato	Faixas típicas de pressão	Tipos de produtos disponíveis
Muito baixa	< 70 kPa	Almofadas de preenchimento (gap fillers)
Baixa	< 140 kPa	Pastas térmicas, epóxi, fitas de poliimida, grafite ou alumínio
Alta	2 MPa	Mantas de tecido com revestimento de silicone

Seleção de TIM com base no isolamento elétrico
Isolamento elétrico	Nível de rigidez dielétrica	Valores típicos		Tipos de produtos disponíveis
Não exigido	N/D	N/D	N/D	Pasta térmica, epóxi, materiais de mudança de fase, fitas de grafite ou alumínio
Exigido	Baixo	10 kV/mm	< 300 V/mil	Mantas revestidas de silicone, almofadas térmicas (gap fillers)
Exigido	Alto	60 kV/mm	> 1.500 V/mil	Fitas de poliimida (Kapton)

Notas de aplicação dos materiais de interface térmica (TIM)
Categoria do produto	Notas de aplicação prática	Desempenho térmico relativo
Pasta térmica	Aplicação suscetível a sujeira; requer mão de obra especializada; montagem mais demorada.	++++
Epóxi térmico	Estabelece junção adesiva mecânica permanente.	++++
Mudança de fase (PCM)	Permite pré-aplicação nas peças; amolece na temperatura de operação amoldando-se às microimperfeições; retrabalhável em campo.	++++
Fitas térmicas (grafite, poliimida, alumínio)	Aplicação limpa e simples; confere alguma rigidez mecânica.	+++
Mantas de silicone	Fornecem amortecimento mecânico e vedação enquanto conduzem calor.	+
Almofadas de preenchimento (gap fillers)	Absorvem tolerâncias dimensionais entre componentes de alturas distintas e o dissipador; naturalmente aderentes.	++

Lâmpadas de diodos emissores de luz (LED)

O rendimento luminoso, a eficiência energética e a vida útil dos diodos emissores de luz (LEDs) são funções inversas diretas de sua temperatura de junção semicondutora. O gerenciamento térmico eficaz é, portanto, mandatório em luminárias de estado sólido. O dimensionamento de dissipadores para módulos de iluminação a LED requer validação por métodos múltiplos concordantes (teórico, experimental e numérico computacional), buscando-se desvios mútuos inferiores a 10% para assegurar confiabilidade preditiva.

Em processos de soldagem

Dissipadores térmicos temporários são frequentemente afixados aos terminais de componentes eletrônicos sensíveis durante procedimentos de soldagem manual em bancada, evitando a condução excessiva de calor para o interior de cápsulas semicondutoras ou chaves magnéticas (reed switch). Na forma mais simples, tais dissipadores consistem em pinças metálicas pesadas, alicates de pressão ou pinças hemostáticas travadas sobre o terminal condutor entre a região de solda e o corpo do componente.

Métodos para determinação de desempenho

O desempenho de um dissipador de calor é função da condutividade térmica do material, da geometria e dimensões das aletas, do coeficiente de transferência de calor, da vazão de ar e da configuração do canal ou duto envolvente. A determinação desse desempenho pode ser realizada por meio de modelagem analítica teórica, ensaios experimentais em túneis de vento ou simulações numéricas por dinâmica dos fluidos computacional (CFD).

Modelo teórico de transferência de calor

Um dos métodos analíticos clássicos foi formulado por Jeggels et al., para escoamentos canalizados em dutos sem desvio de fluxo (ducted flow). Em escoamentos abertos desprovidos de duto, frações expressivas do ar contornam o dissipador em vez de penetrar nos canais entre as aletas.

A resistência térmica total do dissipador decompõe-se na resistência de condução na base ( $R_{b}$ ) e na resistência térmica de convecção das aletas ( $R_{f}$ ). Para uma fonte de calor uniformemente distribuída na base, a resistência condutiva da base expressa-se por:

R_{b}={\frac {t_{b}}{kA_{b}}}

(4)

onde $t_{b}$ é a espessura da base, $k$ a condutividade térmica do material e $A_{b}$ a área da base.

A resistência térmica das aletas para o escoamento de ar ( $R_{f}$ ) é calculada através das relações:

R_{f}={\frac {1}{nh_{f}W_{f}\left(t_{f}+2\eta _{f}L_{f}\right)}}

(5)

\eta _{f}={\frac {\tanh {mL_{c}}}{mL_{c}}}

(6)

mL_{c}={\sqrt {\frac {2h_{f}}{kt_{f}}}}L_{f}

(7)

D_{h}={\frac {4A_{ch}}{P_{ch}}}

(8)

Re={\frac {4{\dot {G}}\rho }{n\pi D_{h}\mu }}

(9)

f=(0.79\ln Re-1.64)^{-2}

(10)

Nu={\frac {(f/8)(Re-1000)Pr}{1+12.7(f/8)^{0.5}(Pr^{\frac {2}{3}}-1)}}

(11)

h_{f}={\frac {Nuk_{air}}{D_{h}}}

(12)

\rho ={\frac {P_{atm}}{R_{a}T_{in}}}

(13)

A vazão volumétrica efetiva de ar decorre da interseção da curva de perda de carga do sistema com a curva característica de pressão/vazão da ventoinha utilizada, conforme as formulações clássicas da mecânica dos fluidos.

Conhecidas a resistência condutiva da base e a resistência convectiva das aletas, a resistência térmica global do dissipador ( $R_{hs}$ ) é dada pela soma:

R_{hs}=R_{b}+R_{f}

(14).

Métodos experimentais

A realização de testes em bancada experimental e túneis de vento é um dos métodos mais adotados para determinar o desempenho térmico real de dissipadores. Para o cálculo da resistência térmica, monitoram-se a vazão de ar, a potência elétrica dissipada na fonte simuladora de calor, a temperatura do ar de admissão e a temperatura na base do dissipador. Dados de catálogos fornecidos por fabricantes baseiam-se em ensaios em dutos perfeitamente ajustados. Tais medições podem se revelar excessivamente otimistas caso o componente venha a ser montado em gabinetes abertos sujeitos a recirculação e desvios de ar (bypass).

Métodos numéricos

Dissipador de calor radial com perfil térmico e trajetórias de fluxo em convecção forçada turbilhonar previstas através de software de CFD.

Nas indústrias, a análise térmica computacional permite prever campos térmicos e comportamentos de escoamento antes da prototipagem física. Ferramentas analíticas e calculadoras dedicadas fornecem estimativas de primeira ordem com base em correlações semi-empíricas. Por sua vez, a dinâmica dos fluidos computacional (CFD) viabiliza simulações tridimensionais detalhadas acoplando as equações de Navier-Stokes e a equação da energia.

A modelagem por CFD fornece visualizações dos vetores de velocidade, vórtices, perdas de carga e gradientes de temperatura locais em geometrias complexas, auxiliando a detectar zonas de estagnação e aperfeiçoar o posicionamento de aletas e defletores.

Dissipador de aletas de pinos com perfil térmico e trajetórias de escoamento em convecção livre obtidos por CFD.	Dissipador de pinos cilíndricos com 38 mm de diâmetro e 50 mm de altura com perfil térmico e trajetórias animadas de convecção forçada sob ventoinha axial tubular calculadas em CFD.
Dissipador de aletas retas de 60 mm por 60 mm por 10 mm com perfil térmico e trajetórias animadas de escoamento sob ventoinha axial tubular calculadas em CFD.

Ver também

Referências

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Ligações externas

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