Dissipatori / Radiatori di calore: In Generale

Articolo a cura di Ultimo

Ultima modifica apportata il 31/01/2001

In più di un' occasione, mi e' capitato di vedere processori funzionanti ad elevata frequenza di clock, corredati poi di un misero dissipatore di calore. Durante l'acquisto di un nuovo P.C. , molte volte la scelta di tale dispositivo, viene lasciata al caso. In seguito, non dovremo meravigliarci se, il fortunato possessore di tale "mostro" di potenza, sia frustrato per i continui crash dell ' O.S. ,in quanto la produzione di calore, elemento spesso sottovalutato, e' fondamentalmente il nemico principale dei componenti elettronici. Esso, e' causa di problemi, che a prima vista risultano essere inspiegabili ed insormontabili (che portano il più delle volte poi, a trarre conclusioni azzardate, inerenti componenti HW difettosi), e che verrebbero totalmente risolti applicando le giuste modalità tecniche di raffreddamento. A maggior ragione poi, se l'utente di cui sopra, si cimenterà nell' overclock più o meno spinto, il problema si verificherà ancora più frequentemente, tanto da indurlo a non usare più il PC seriamente ;-) , scherzi a parte, ma quanti di voi si sentirebbero sicuri di lavorare con un PC con questi problemi, rischiando di perdere da un momento all' altro, il lavoro riposto nei dati a cui stavamo lavorando, solamente per non aver speso un po' del nostro tempo per migliorare la dissipazione termica ? Ci sono stati dei casi limite, in cui addirittura venivano  trovati immensi adesivi tra processore e dissipatore, ritrovandosi poi, la CPU "inspiegabilmente danneggiata" ;-) . Da tener presente poi, per tutti i newbie - overclockers, di non sottovalutare tale dispositivo, scegliere con criterio il modello più adatto alle proprie esigenze, soprattutto se tentate di raggiungere frequenze particolarmente spinte e/o non vogliate utilizzare sistemi di raffreddamento alternativi. Dopo questa mia particolare premessa, più che altro discorsiva ed amichevole, ritengo sia giunto il momento di capire realmente cosa sono questi dissipatori o radiatori (non quelli dell'automobile ;-) , ma che comunque adempiono principalmente allo stesso scopo), che per semplicità ,talvolta chiamerò anche "dissy" :

Si definisce Dissipatore di calore, o più semplicemente Radiatore, quel dispositivo passivo atto a disperdere (o dissipare) il calore prodotto durante il regolare funzionamento di determinati componenti elettronici (nel nostro caso della C.P.U. o Unita' di Elaborazione Centrale) generato dall' utilizzo di energia elettrica per il normale funzionamento. Quando valutiamo l'effetto della dissipazione termica, non deve essere considerata solo la diminuzione di temperatura che può favorire un dissipatore più performante, ma anche il prolungamento della vita utile per il processore stesso. Il principio generale che favorisce l'ottimizzazione della dissipazione termica è quello di produrre grandi dissipatori, muniti di ventole capaci di garantire elevati C.F.M. .In termini scientifici, la vita utile della CPU e la temperatura, sono in un rapporto inversamente proporzionale. In altre parole, essi seguono il modello della legge dell'energia inversa. Un processore che prosegue a lavorare per molto tempo in condizioni di temperatura elevata, presenterà una diminuzione del periodo di "vita utile". Secondo delle statistiche effettuate, ad esempio, avendo 25° C di temperatura ottimale d'esercizio, la vita utile della CPU è intorno alle 30'000 ore, ma se la temperatura dovesse innalzarsi sino a 70° C, la vita del processore diminuirà assestandosi a 7353 ore. 

              Per essere sicuri di acquistare un buon dissipatore, o che quello che abbiamo sotto mano sia adeguato al nostro scopo, cerchiamo ora di descrivere i principali aspetti tecnici che bisogna tener presenti nella scelta di un buon dissipatore:

Se la temperatura operativa massima della CPU è pari a 75°C, il flusso d'aria all'interno del case è di 1.5m/s, e la temperatura dell'aria è di 45°C, sarà necessario munirsi di un dissipatore di calore con coefficiente di resistenza termica pari o (meglio) inferiore a 1°C/W. Ciò e dovuto al fatto che, bisogna tenere lontano la temperatura di esercizio sotto stress dalla tolleranza massima consentita dal produttore, infatti utilizzando un dissipatore che abbia un coefficiente di resistenza termica pari ad 1°C/W, e tenendo presente che la temperatura operativa deve essere sommata a quella ambientale (nel nostro esempio il case è influenzato dal flusso d'aria di 1.5m/s) la CPU si assesterà a circa 75°C, il suo massimo consentito.

T.tot = [(C°/W)(W)] + T.amb 

ove T.tot indica la temperatura finale, C°/W il coeff. di resistenza termica del dissipatore, W il n° dei Watt utilizzati dal processore e T.amb la temperatura ambiente. Quindi

• Caduta di pressione: espressa in mm di acqua (H2O), e' la resistenza incontrata dall'  aria muovendosi attraverso le alette del dissipatore, idealmente dovrebbe essere un valore il più basso possibile.

 

• Rapporto alette di raffreddamento/superficie (densità): Rappresenta la percentuale di riduzione espressa in maniera proporzionale, tra la base del radiatore e l'area dello stesso in cui non siano presenti le alette di raffreddamento. Più semplicemente prendendo come esempio, un ipotetico dissipatore, che presenti nella sua superficie una quantità di alette pari al 100% della superficie stessa, utilizzando tale formula, ricaveremo la reale efficienza del dissipatore in esame comparato con il dissy ipotetico. Qui di seguito riporto la formula da utilizzare:

• Altezza delle alette di raffreddamento: Come è logico aspettarsi, un dissipatore, più grande è, meglio è, però il fattore altezza, soprattutto quando ci accingiamo ad installarlo su un processore su Slot (sia 1 che A), o su qualsiasi adattatore di sorta, è un fattore limitante o meno dalla progettazione della motherboard. Infatti se nella superficie destinata al dissipatore, si trovano condensatori, connettori per moduli RAM troppo vicini, questi saranno il fattore limitante, e precluderanno l'utilizzo di un dissipatore dalle generose dimensioni. Superato tale ostacolo, bisogna anche tener presente che, in un dissipatore più alto, intercorre maggiore distanza tra la base (intesa come maggior fonte di calore e superficie di scambio termico) e la/e ventola/e di raffreddamento. Ciò implica l'utilizzo di ventole più efficienti, con maggiori C.F.M. e di conseguenza più rumorose. 

• Rapporto superficie Cpu / Dissipatore: Per spiegare questo punto, ho preferito avvalermi di un esempio pratico, ovvero un utilizzo concreto dei Datasheets (fogli tecnici) presenti nei siti dei relativi produttori di un processore, e di altre informazioni reperite nel Web. In questo modo sarete in grado, quando necessario di calcolarvi mediante il Datasheet e le qui presenti formule, partendo da informazioni concrete, la capacità di dissipazione del vostro dissipatore in base al rapporto tra le superfici dello stesso e del processore.

ESEMPIO:

0.21°C/W con una sorgente di calore di 50mm quadrati

 0.23°C/W con una sorgente di calore di 25mm quadrati

 

Ciò corrisponde ad un incremento di resistenza termica pari a 0.02°C/W per una riduzione dell'area di 1/4 (la superficie del Core di un processore Celeron è di 25mm quadrati). Il Core del Processore Intel Pentium III presenta un'area di 120mm. Una riduzione dell'area pari ad 1/4 dai 625mm (25mm quadrati) risulta 156,25mm. 120mm/156,25mm indica un rapporto pari a 0.768. Rapportando 0.25/0.768 risulta 0,325 rappresentante la porzione aggiuntiva di 1/4 di riduzione della superficie. Usando tale valore per ottenere l'incremento di resistenza termica passando da un'area di 156,25mm ad una di 120mm [(0,25/0,768)(0,02°C/W)] = 0,0065°C/W. Sommando tale valore alla resistenza termica di 0,25°C/W otterremo che un Core di dimensioni pari a 156,25mm possiede un coefficiente di resistenza termica di 0,2565°C/W. Nella pagina 47 del Datasheet dell' intel Pentium III, vengono indicati per ogni frequenza di lavoro, i Watt dissipati dai vari processori utilizzando il voltaggio nominale. Tutto ciò magari può sembrarvi privo di significato, ma posso assicurarvi che non lo è, infatti come avrete visto, non bisogna avere una superficie del Core estesa per una migliore dissipazione termica, ma sfruttare al meglio la superficie di rapporto fra CPU e dissipatore, ed ottimizzare al massimo la superficie di quest' ultimo.

 

• Forma e disposizione delle alette di raffreddamento:  Questo parametro viene influenzato direttamente dal tipo di raffreddamento che intendiamo utilizzare nel processore. Infatti, se adotteremo una ventilazione in grado di garantire un flusso d'aria unidirezionale, i migliori risultati saranno ottenuti in presenza di alette parallele disposte a matrice (foto B), se altrimenti il flusso d'aria presente e' variabile / omnidirezionale, 

foto A                foto B

• Superficie di contatto: La superficie di contatto di un dissipatore di calore, a meno che non siate fortunati possessori di dissipatori professionali,  non risulterà mai essere perfettamente piatta, o per dirlo in gergo tecnico, mancherà di planarità. E' molto facile infatti accorgersi di tale "anomalia" di produzione, semplicemente facendo aderire la superficie di contatto del dissipatore con quella del processore, dirigendoli ora verso una sorgente di luce, ci  accorgeremo di tale inconveniente. Nei normali dissipatori commerciali, quindi, sarà molto semplice imbattersi in una mancanza, più o meno marcata, di planarità, dovuta a convessità o concavità, della superficie di contatto del dissipatore stesso. E' molto probabile trovare superfici presentanti porosità e/o rigature verticali/longitudinali, o verniciate. Avendo a disposizione un' ipotetico microscopio elettronico, o più semplicemente sfruttando la nostra immaginazione, sarà molto semplice farsi un' idea del percorso che deve essere seguito dal calore in un dissipatore con tali difetti. Infatti, ingrandendo centinaia di volte le suddette irregolarità, ci accorgeremo che il calore dovrà letteralmente saltare da una superficie all 'altra per passare dal processore al dissipatore.  Va' ricordato infine che la conducibilità termica risulta essere migliore nel caso in cui vi sia contatto tra due superfici metalliche (metallo <> metallo), rispetto al caso metallo <> ceramica (materiale utilizzato nella costruzione di alcuni processori). Fortunatamente, tutti questi imprevisti per un' ottima dissipazione termica, sono facilmente risolvibili applicando un sottilissimo strato di Pasta Termoconduttiva o, per ottenere risultati più marcati, eseguendo la Tecnica del Lapping al dissipatore ed anche al processore (non in tutti i casi !!)  . Per un  approfondimento sulla Pasta Termoconduttiva clicka qui. Per un maggior approfondimento sulla tecnica del  Lapping clicka qui.

• Sistema di serraggio cpu/dissipatore/Socket: Più comunemente chiamate clip d'aggancio, o clip di ritenzione, tale meccanismo risulta essere  un elemento determinante per l'ancoraggio al socket e di contatto tra processore e radiatore. Spesso viene sottovalutato, ma la combinazione tra una clip esercitante troppa pressione ed il posizionamento errato del dissipatore può provocare la rottura o scheggiatura del Core (vedi Intel Cu-mine o peggio ancora AMD Duron/Thunderbird). Non ha alcun senso avere una superficie perfettamente piana o magari tirata a specchio, quando poi la clip non applica sufficiente pressione. Generalmente tale pressione nei modelli di clip tradizionali viene misurata in libbre, ma alcuni modelli richiedono semplicemente la rotazione del corpo dissipatore (Golden Orb). La clip generica può essere modificata a piacimento, mediante l'utilizzo di una pinza (state attendi a non rovinare il metallo stesso) in modo da imprimere più o meno pressione. Se possedete un buon dissipatore ma con una clip che richieda un sforzo sovrumano per una corretta installazione, sconsiglio di armeggiare all'interno del case, ma di posizionare la motherboard con processore su di una superficie piana, ed agire cautamente per non danneggiare irreparabilmente piste o componenti elettronici nelle zone circostanti ed anche il Core del processore stesso. Da evitare decisamente dissipatori con clip che si sganciano troppo facilmente o perlomeno modificate la clip gradatamente, verificando ogni volta l'effettiva tensione applicata, senza esagerare. Vorrei comunque ricordare di agire con cautela, visto che ci sono stati alcuni casi di rotture dei ganci plastici dei Socket a causa di una pressione molto elevata della clip stessa. Ho inserito qui sotto due immagini rappresentanti tipologie di clip totalmente differenti, infatti la foto A rientra nelle clip tradizionali però con una leva senz'altro più facile da utilizzare, mentre nella foto B viene mostrata la particolare clip a cui accennavo prima adottata nel dissipatore Golden Orb.

     foto A                                               foto B

• Peso del dissipatore: Come vedremo nel paragrafo di seguito, esistono diversi materiali impiegati nella costruzione di un dissipatore. Se utilizziamo un comune dissipatore di alluminio non ci dovrebbero essere problemi, nella sua installazione, ma se è costruito in rame, bisogna tener presente il suo notevole aumento di peso a parità di dimensioni, ed è quindi richiesto un sistema di serraggio più sicuro, in modo da garantire un buon contatto con il processore, ed una buona stabilità fisica, che ricordo, verrà sollecitata anche dalle vibrazioni della/e ventola/e. 

 

 

• Materiale impiegato: Per quanto riguarda il materiale impiegato nella costruzione di un dissipatore, a prima vista penseremmo ad un materiale con elevata conducibilita' termica, ma la cosa non e' sempre fattibile. Il perché di tutto ciò, e' presto detto: la maggior parte, dei dissipatori che troviamo in commercio, sono costruiti con l'alluminio anodizzato, leghe diverse identificando la malleabilità durante la lavorazione, o la durezza del metallo stesso, sempre compatibilmente alla forma del dissipatore (A6063 ,categoria A2000, alluminio puro, ecc.), ma pur sempre di alluminio stiamo parlando. Per comprendere meglio tutto ciò , vi mostrerò un'immagine comparativa tra più metalli: 

Come e' facilmente intuibile dal grafico, l'ideale sarebbe utilizzare un dissipatore d'argento, ma indubbiamente i costi sarebbero proibitivi. Ed e' per questo motivo, per la facile  lavorazione dell'alluminio soprattutto nelle alette di raffreddamento, nonché la facile reperibilità ed il suo costo relativamente limitato, che le principali industrie vengono spinte ad una produzione su larga scala. E' pur vero che ci sono produttori che impiegano nella superficie di contatto del dissipatore, e precisamente nel centro, uno strato di rame, senza dubbio migliore come conducibilità rispetto all'alluminio, in modo di far corrispondere tale materiale, in corrispondenza del Core del processore. Ultimamente ci sono alcuni produttori che hanno messo in commercio dissipatori interamente in rame. Senza dubbio un passo avanti, soprattutto per gli Overclockers ;-) però bisogna dire che purtroppo presentano due principali svantaggi: il primo come avrete già intuito è la relativa malleabilità del materiale che facilita si la lavorazione, ma rende anche il prodotto facilmente deformabile o peggio ritrovarsi una superficie prima tirata a specchio e dopo per una piccola disattenzione, con evidenti segni di graffi. Il secondo implica direttamente l'utilizzo di tale materiale come causa di effetto inverso. Mi spiego meglio: il rame contrariamente all' alluminio tende a cedere calore all'aria circostante meno velocemente. Ecco perché riprendendo il discorso di poche righe fa' , sia preferibile un dissipatore in rame (base) + alluminio, in modo di ottimizzare sia la superficie di scambio termico (rame migliore), che il corpo del dissipatore stesso (alluminio) nello scambio con l'aria stessa. Comunque devo dire che tale difetto è sormontabile utilizzando ventole con RPM e CFM elevati, sicuramente più efficaci a generare un rapidissimo ricambio d'aria, ma senz'altro più rumorose. Anche il prezzo è più elevato rispetto ad un dissipatore convenzionale, ma sicuramente giustificato dalle prestazioni termiche. Ho riportato qui di fianco, per puro scopo didattico anche un grafico di materiali termoisolanti. Come è possibile notare, la pasta termoconduttiva utilizzata tra processore e dissipatore per facilitare la dissipazione termica, altro non è che un materiale termoisolante nel caso in cui venga impiegato in grandi quantità. Ciò è dovuto sostanzialmente alla presenza di una grande percentuale siliconica e pochissima metallica (ossido o metallo puro a seconda del tipo), ovvero la parte che realmente conduce calore.  Per questo si consiglia sempre di applicarne un velo sottilissimo, la giusta quantità senza esagerare.  

• Colore del dissipatore: Potrà sembrarvi una sciocchezza, ma anche il colore dell' alluminio anodizzato influisce positivamente o meno sulle "performance termiche" di un radiatore. Infatti, i risultati di alcuni test, dimostrano che quando la velocità dell'aria e' relativamente bassa (0.5 m/s), l'alluminio anodizzato nero risulta essere il migliore. Ciò fa' pensare che il colore nero dissipi maggior calore radiante. Tuttavia, se nelle vicinanze del dissipatore sono localizzate altre fonti di calore, il colore nero, tenterà questa volta di assorbire calore radiante, quindi la scelta deve esser fatta tenendo presente la temperatura dell'ambiente circostante il radiatore stesso.