Un altro fattore importante è l'elevata frequenza del segnale in molti dispositivi, che, combinata con le correnti che li attraversano, aumenta la dissipazione di potenza. Inoltre, la maggiore integrazione dei dispositivi a semiconduttore genera una maggiore densità di calore per unità di area, e la rimozione di questo calore dal dispositivo diventa essenziale per la sua durata.
Il fattore chiave per dissipare il calore generato dal semiconduttore all'esterno del dispositivo è la minimizzazione della resistenza termica tra la giunzione del dispositivo e l'aria circostante. Come in un circuito, esiste una rete di resistenze termiche in serie tra la giunzione del semiconduttore e l'aria. Come mostrato nel diagramma seguente, il circuito che trasporta la temperatura dall'interno del dispositivo (Tj) all'esterno (Ta) è composto da:
- Resistenza termica tra la giunzione del semiconduttore Tj e il package Tc (RthG), espressa in K/W (Kelvin/Watt). Questa resistenza è determinata dal produttore del semiconduttore ed è caratteristica del processo di fabbricazione. Non può essere ridotta a meno che non si scelga un dispositivo a semiconduttore diverso.
- Resistenza termica tra il package del semiconduttore Tc e il dissipatore di calore Ts (RthG/K), espressa in K/W. Questa può essere minimizzata utilizzando grassi, composti e altri agenti di trasferimento termico, che tratteremo in seguito.
- Resistenza termica tra il dissipatore di calore Ts e l'aria ambiente Ta (RthK), espressa in K/W. Questo valore viene utilizzato nella scheda tecnica del produttore per selezionare il dissipatore di calore appropriato. È importante scegliere un dissipatore di calore con un RthK inferiore al valore ottenuto tramite i calcoli di progettazione. L'RthK è inversamente proporzionale al prodotto del coefficiente di scambio termico convettivo (hc) (la capacità di dissipazione del dissipatore di calore) e della sua area della sezione trasversale (A). 
A sua volta, hc differisce per la convezione naturale rispetto alla convezione forzata (facilitata nella dissipazione da ventilatori o soffiatori). Questo articolo considera solo i calcoli per la convezione naturale.
Pertanto, la resistenza termica totale incontrata dal calore mentre tenta di dissiparsi è:
RthTot = RthG + RthG/K + RthK
RthTot può essere ridotto diminuendo la somma dei suoi termini componenti.
L'importanza dell'utilizzo di dispositivi di dissipazione del calore risiede nel fatto che l'aria è un pessimo conduttore di calore. L'utilizzo di dispositivi di dissipazione del calore può ridurre drasticamente la resistenza termica, consentendo così una maggiore dissipazione di potenza.
La metodologia di progettazione si
basa su:
1) Conoscere la temperatura ambiente Ta (K) e la temperatura di giunzione del semiconduttore Tj (K) (ottenute dal datasheet del produttore). Sottrarre 25 K da Tj come margine di sicurezza, poiché Tj non deve mai essere superata.
2) Conoscere la RthG dal datasheet del produttore del semiconduttore.
3) Conoscere la potenza (W) dissipata dal semiconduttore (Ptot). Per i transistor, questa può essere Ptot = Vce · Ic + Vbe · Ib, e per i diodi, Ptot = If · Vf.
4) Conoscere i criteri di progettazione, come lo spazio disponibile sul package, sulla scheda, le possibilità di assemblaggio, ecc.
La seguente formula mette in relazione, in un semiconduttore accoppiato a un dissipatore di calore, la potenza dissipata dal dispositivo e la differenza di temperatura tra la giunzione Tj e l'ambiente Ta.
Come discusso in precedenza, la diminuzione della somma delle resistenze termiche aumenta la potenza totale che il dispositivo può dissipare per un dato aumento di temperatura.
Riscrivendo questa funzione, è possibile determinare la massima resistenza termica che un dissipatore di calore, unitamente alla sostanza o al fluido che interagisce con l'incapsulamento del semiconduttore, può avere.
Pertanto, ci troviamo con due incognite la cui somma non deve superare il membro di destra dell'equazione.
L'aria, in quanto interfaccia tra l'incapsulamento e il dissipatore di calore, ha una resistività termica RthG/K molto elevata, poiché è un cattivo conduttore di calore; tuttavia, un composto che agisce da interfaccia termica può ridurre questa resistenza termica di diversi ordini di grandezza e quindi ottimizzare il trasferimento di calore.
Schlegel Electronic Materials offre diversi modelli nella serie OpTIM Thermal Management Solutions con valori di RthG/K molto bassi e che consentono varie configurazioni.
Per ulteriori informazioni sui diversi composti e sulle loro conduttività termiche, si prega di visitare il sito web di Schlegel.
http://www.schlegelemi.com/thermal
È inoltre possibile accedere a diversi cataloghi in formato PDF disponibili sul sito web www.rcmicro.es
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Schlegel_TIM_shortform.pdf
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/SCHLEGEL_Thermal Materials.pdf
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/SCHLEGEL_OP-400.pdf
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Schlegel_OpTIM_2012.pdf
L'esempio seguente mostra la selezione di un dissipatore di calore per il transistor 2N3055 con contenitore TO-3 in base ai dati sopra menzionati:
Supponendo:
Tj = 200 °C meno 25 °C margine di sicurezza = 175 °C
Ta = 45 °C
RthG = 1,5 K/W
RthG/K = 0,2 K/W (a causa della scelta di un composto di interfaccia termica).
Ptot = 30 W
Lunghezza massima del dissipatore di calore = 50 mm.
NOTA: È importante tenere presente che Kelvin e Celsius sono equivalenti quando si parla di aumenti di temperatura, poiché 1 K = 1 °C
Per scegliere il dissipatore di calore più adatto, è possibile consultare il catalogo ASSMANN, che offre una vasta gamma di dissipatori. Cercate quelli con una resistenza termica pari o inferiore a 2,6 K/W, in quanto ciò garantisce una temperatura di giunzione (Tj) inferiore a 175 °C. Tenete inoltre presente il limite di lunghezza di 50 mm, determinato dalle specifiche di progettazione dell'applicazione. Una possibile opzione è il profilo Assmann V 4493 F.
I seguenti link mostrano le diverse famiglie di radiatori e accessori Assmann:
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Radiadores_Componentes_PCB_1.zip
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Radiadores_Componentes_PCB_3.zip
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Radiadores_Componentes_PCB_4.zip
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Radiadores_Perfiles.zip
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Pastas_y_Accesorios_Montaje_Radiadores.pdf
