Nei sistemi di gestione termica, la funzione principale di un dissipatore di calore è condurre e dissipare in modo efficiente il calore. Le sue prestazioni dipendono in gran parte dalle proprietà termofisiche, dall'adattabilità alla lavorazione e dalla tolleranza ambientale dei materiali utilizzati. Attualmente, i materiali principali del settore includono leghe di alluminio, rame, compositi di rame-alluminio e nuovi materiali compositi ad alta conduttività termica, ciascuno con i propri vantaggi e adatto a diversi scenari applicativi.
Le leghe di alluminio sono la scelta più comune per i dissipatori di calore raffreddati ad aria- grazie alla loro leggerezza, conduttività termica moderata (circa 160–230 W/m·K), buona lavorabilità e costi controllabili. I processi di stampaggio per estrusione possono-produrre in massa strutture di alette regolari per soddisfare le esigenze di dissipazione del calore di apparecchiature elettroniche su larga-scala e di apparecchiature industriali generali. Dopo l'anodizzazione, la resistenza alla corrosione è notevolmente migliorata, rendendolo adatto ad ambienti con temperatura normale o umidità moderata. Tuttavia, l’alluminio puro ha una conduttività termica inferiore rispetto al rame e le sue prestazioni sono soggette a colli di bottiglia nelle applicazioni ad alta densità di flusso termico.
Il rame è rinomato per la sua eccellente conduttività termica (circa 390 W/m·K), che consente un rapido trasferimento laterale del calore da fonti di calore concentrate a superfici di dissipazione del calore di ampia-area. È ampiamente utilizzato nei chip ad alta-potenza, nei moduli elettronici di potenza e nelle piastre di raffreddamento a liquido che richiedono design compatti. Tuttavia, la sua densità e il suo costo sono superiori a quelli dell'alluminio, con conseguente maggiore usura degli utensili durante la lavorazione e requisiti di saldatura e sigillatura più rigorosi. Per bilanciare la conduttività termica e il design leggero, l'industria utilizza spesso strutture composite in rame-alluminio, come piastre di base in rame con alette in alluminio, che garantiscono un'efficiente conduzione del calore nell'area di contatto della fonte di calore riducendo al contempo il peso complessivo e i costi di produzione.
Con le crescenti richieste di gestione termica, alcuni settori-di fascia alta stanno introducendo grafite ad alta conduttività termica, substrati compositi diamantati o compositi a matrice ceramica. La grafite presenta una conduttività termica anisotropa, superiore a 400 W/m·K nella direzione planare, che la rende adatta a scenari con vincoli di spazio-che richiedono dissipazione del calore direzionale. I materiali compositi diamantati possono raggiungere una conduttività termica di 600–2000 W/m·K, ma a causa della difficoltà di lavorazione e dei costi, vengono utilizzati principalmente nel settore aerospaziale, delle microonde e in altri campi specializzati. I materiali ceramici come il nitruro di alluminio e il carburo di silicio possiedono sia un'elevata conduttività termica che un eccellente isolamento, rendendoli adatti alle esigenze di dissipazione del calore in condizioni operative di isolamento ad alta-tensione o ad alta-frequenza.
La selezione dei materiali richiede una considerazione completa del carico termico, dei vincoli di spazio, dei limiti di peso, dei requisiti di resistenza alla corrosione e dell’efficienza economica. Ad esempio, l'elettronica di consumo tende a favorire l'alluminio leggero per ottimizzare la portabilità, i dispositivi di trasmissione industriale e di energia preferiscono il rame per gestire carichi elevati e continui, mentre i campi tecnologici all'avanguardia stanno esplorando nuovi materiali con conduttività termica ultra{2}}elevata per superare i limiti di dissipazione del calore. Comprendere le caratteristiche dei vari materiali e i relativi limiti di compatibilità aiuta a ottenere una corrispondenza precisa durante la fase di progettazione, a ottenere un funzionamento efficiente e affidabile del sistema di gestione termica e a fornire una solida base per il miglioramento delle prestazioni delle apparecchiature e l'aggiornamento industriale.
