Nella progettazione della soluzione ottimale per la gestione termica di un sistema elettronico, la scelta del materiale rappresenta un fattore determinante: da essa dipendono infatti gran parte delle prestazioni e dei costi della soluzione stessa.
I materiali più comunemente impiegati sono rame, alluminio (e le sue leghe) e acciai inossidabili.
Il rame presenta la più elevata conducibilità termica (390–400 W/mK) e consente quindi di ottenere le migliori prestazioni. Tuttavia, è anche il materiale più pesante e costoso tra quelli considerati.
Le leghe di alluminio, invece, hanno una conducibilità inferiore (150–230 W/mK), ma risultano più leggere ed economiche. A seconda degli elementi di lega, offrono inoltre:
- elevata estrudibilità, utile per ottenere forme complesse e aumentare la superficie di scambio (soprattutto nelle soluzioni ad aria);
- buona resistenza alla corrosione;
- ottimo rapporto resistenza meccanica/peso, ideale per fornire supporto strutturale senza appesantire il sistema.
Le leghe di alluminio possono essere classificate in base al processo produttivo del semilavorato: leghe per deformazione plastica (laminazione o estrusione) e leghe da fonderia. Tra le prime, le più diffuse appartengono alle serie 1xxx (come la 1050), 3xxx, 5xxx, 6xxx (come la 6060) e 8xxx; tra le seconde, le più comuni sono Al EN AC 46000 e Al EN AC 44300.
Nella progettazione di soluzioni per la gestione termica si preferiscono generalmente le leghe per deformazione plastica, poiché gli elementi aggiunti nelle leghe da fonderia per migliorarne la fluidità riducono la conducibilità termica, con perdite comprese tra il 20% e il 50%.
Molte leghe di alluminio, come Al EN AW 6060, 6063, 6101, 3003 e 1050, sono inoltre saldobrasabili, permettendo la realizzazione di geometrie complesse e giunzioni metalliche a tenuta stagna.
Gli acciai inossidabili, pur avendo una conducibilità termica inferiore e un peso maggiore rispetto all’alluminio, offrono un’elevata resistenza meccanica e un’ottima resistenza alla corrosione. Per questo motivo rappresentano una soluzione ideale in ambienti particolarmente aggressivi.
La scelta del materiale, tuttavia, non dipende solo dalle sue proprietà intrinseche, ma anche dal tipo di soluzione in cui verrà utilizzato. Le soluzioni ad aria e quelle a liquido, infatti, presentano esigenze differenti.
Soluzioni ad aria
Nel raffreddamento ad aria, il calore viene trasferito per conduzione dal componente al dissipatore e per convezione (naturale o forzata) dal dissipatore all’aria.
I principali fattori da considerare per massimizzare lo scambio termico sono:
- la conducibilità del materiale;
- l’estensione della superficie di scambio tra dissipatore e aria.
Se questi fossero gli unici parametri, tutti i dissipatori sarebbero realizzati in rame. Tuttavia, nella maggior parte delle applicazioni è necessario contenere peso e costi: per questo motivo, l’alluminio rappresenta la scelta più diffusa, offrendo un eccellente compromesso tra prestazioni, leggerezza ed economicità.
Inoltre, molte leghe di alluminio (come la 6060 e la 6063) sono facilmente estrudibili, consentendo di ottenere geometrie complesse per aumentare la superficie di scambio. Da questa esigenza derivano le classiche forme “a pettine”, ma anche profili custom progettati sulle specifiche esigenze del cliente.
Le nostre soluzioni di dissipazione ad aria
Ai dissipatori in alluminio possono essere applicati diversi trattamenti superficiali per migliorarne le prestazioni:
- trattamento Surtec, per aumentare la resistenza agli agenti atmosferici;
- anodizzazione, per incrementare la durezza superficiale;
- anodizzazione nera, per migliorare lo scambio termico per irraggiamento.
L’anodizzazione può inoltre avere una funzione estetica, grazie all’ampia gamma di finiture disponibili.
Il rame non è comunque da escludere: quando sono richieste prestazioni elevate, si utilizzano inserti o piattini in rame applicati su una base in alluminio. In questo modo, il rame funge da heat spreader, migliorando la distribuzione del calore ed evitando la formazione di hotspot.
Per carichi termici particolarmente elevati si impiegano le heatpipes, elementi in rame (solitamente cilindrici) che sfruttano il cambiamento di fase di un fluido interno (tipicamente acqua) per trasferire quantità di calore superiori rispetto alla sola conduzione.
L’acciaio inox, a causa del peso, della minore conducibilità e della scarsa estrudibilità, risulta generalmente meno adatto alle soluzioni ad aria, nonostante le eccellenti proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione.
Soluzioni a liquido
Nelle soluzioni a liquido, comunemente note come cold plate, il calore viene trasferito per conduzione dai componenti alla piastra e per convezione dalla piastra al fluido che scorre al suo interno.
Poiché la capacità termica del liquido (generalmente acqua o miscele acqua-glicole) è molto superiore a quella dell’aria, la scelta del materiale è spesso guidata dalla compatibilità chimica con il fluido, oltre che dalla conducibilità termica.
Quando si utilizza acqua pura, la scelta ricade sul rame, poiché l’alluminio sarebbe soggetto a corrosione. Per ridurre i costi, è possibile inserire una serpentina in rame all’interno di una piastra in alluminio, combinando i vantaggi dei due materiali.
→ Le nostre soluzioni di raffreddamento a liquido
In presenza di fluidi particolarmente aggressivi, si può adottare una soluzione analoga con serpentine in acciaio inox. Tuttavia, queste configurazioni introducono interfacce termiche tra piastra e serpentina che limitano la distribuzione del calore.
Quando è possibile utilizzare miscele acqua-glicole, si possono realizzare cold plate interamente in alluminio, con numerosi vantaggi:
- minori costi del materiale;
- riduzione delle interfacce termiche;
- maggiore libertà progettuale nella definizione dei canali di raffreddamento.
Attraverso il processo di saldobrasatura è inoltre possibile inserire turbolatori nei canali, aumentando la turbolenza del fluido e migliorando lo scambio termico.
Non tutte le leghe sono però adatte: ad esempio, la Al EN AW 6082, pur essendo brasabile, tende a generare giunti porosi, non compatibili con le elevate pressioni tipiche delle cold plate.
Anche le cold plate in alluminio possono essere sottoposte a trattamenti superficiali per migliorarne le prestazioni.
Conclusioni
La scelta del materiale è un aspetto cruciale nella progettazione di sistemi di dissipazione termica, poiché non tutti i metalli sono adatti a ogni applicazione.
È quindi fondamentale conoscere a fondo le condizioni operative e i requisiti del sistema, così da individuare non solo i materiali compatibili, ma quelli in grado di ottimizzare il risultato sia in termini di prestazioni sia di costi.
Per questo, e per tutti gli aspetti legati alla progettazione, Priatherm è sempre a disposizione per affiancare i clienti nella ricerca della soluzione più efficace per ogni esigenza di thermal management.