miniatura|upright=1.5|Um dissipador de calor arrefecido por ventoinha sobre o processador de um computador pessoal. À direita, observa-se um dissipador menor que arrefece outro circuito integrado da placa-mãe. miniatura|direita|330px|Combinação típica de dissipador e ventoinha encontrada em um computador portátil de consumo. Os tubos de calor (heat pipes), que contêm um fluido de trabalho, fazem contato direto com a CPU e a GPU, conduzindo o calor para longe dos componentes e transferindo-o para o conjunto de aletas montado na abertura de exaustão da ventoinha de arrefecimento. O conjunto de aletas atua como um trocador de calor fluido-fluido, transferindo energia térmica do fluido de trabalho no interior do(s) tubo(s) de calor para o ar ambiente em condição de estado morto. miniatura|Um dissipador de calor (alumínio) com seus tubos de calor (cobre) e ventoinha (preta).
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, , 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 , pode ser expressa como:
miniatura|upright=2|Esquema de um dissipador de calor em um duto utilizado para derivar as equações governantes a partir da conservação de energia e da lei de resfriamento de Newton.
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:
onde:
é a vazão mássica do ar, em kg/s; é o calor específico do ar de entrada, em J/(kg·°C); 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 miniatura|Dissipadores de calor para transistores de potência. À esquerda, para encapsulamento TO-3; à direita, para encapsulamento TO-220; ao centro, para dois encapsulamentos TO-220.
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.Nello Sevastopoulos et al., National Semiconductor Voltage Regulator Handbook, National Semiconductor Corp., 1975, capítulos 4, 5 e 6.
Dissipadores comerciais de alumínio extrudado apresentam resistências térmicas (do dissipador para o ar ambiente) que variam desde para grandes peças destinadas a dispositivos TO-3, até patamares de 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 .Type 2N3055 N-P-N Single Diffused Mesa Silicon Power Transistor, folha de dados, Texas Instruments, boletim número DL-S-719659, agosto de 1967, revisado em dezembro de 1971. O contato entre o invólucro do dispositivo e o dissipador pode introduzir uma resistência térmica de contato entre , 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.Anon, Unknown, "Heat sink selection", Mechanical engineering department, San Jose State University, 27 de janeiro de 2010. 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:Incropera, F.P. and DeWitt, D.P., 1985, Introduction to heat transfer, John Wiley and sons, NY.
onde: é o coeficiente de convecção da aleta: 10 a 100 W/(m2·K) no ar; 500 a 10.000 W/(m2·K) na água; é a condutividade térmica do material da aleta: 120 a 240 W/(m·K) para o alumínio; é a altura da aleta (m);