Formas De Propagação De Calor Condução

O que realmente acontece quando o calor se move por condução

A condução é o transporte de energia térmica através de um material sem movimento macroscópico da matéria. Os átomos vibram mais rápido onde está o calor e passam essa energia para os vizinhos. Em metais, os elétrons livres também carregam calor, e por isso condutores bons elétricamente quase sempre são bons térmicos. A relação entre essas duas condutividades é descrita pela Lei de Wiedemann-Franz, que você vai encontrar útil em cálculos de dissipação real. Quando eu trabalhava com integração térmica de placas de potência, me deparei com um caso que parecia simples mas que travou a homologação do projeto por semanas. O dissipador tinha boa área superficial, o ventilador estava dimensionado certo, mas a junção superava os 110°C em carga plena. O problema não era o ar. Era a interface entre o IGBT e o dissipador. A superfície do metal tinha micro-rugosidades visíveis apenas ao microscópio, e entre essas irregularidades ficava ar. Ar tem condutividade térmica de cerca de 0,026 W/(m·K). Ou seja, o calor encontrava uma barreira quase isolante antes mesmo de chegar ao dissipador. A solução prática foi usar pasta térmica de sílica em óleo silicone com condutividade de 3 a 5 W/(m·K) e, no caso de módulos de potência maiores, uma junta de grafite compensatória antes do aperto. Sem isso, a resistência de contato térmico dominava o cálculo inteiro, e todo o resto virava detalhe. O que a maioria das pessoas esquece é que a condução em situações reais quase nunca é unidimensional. Quando você mede a temperatura com um termopar tipo K colado na carcaça de um componente, o calor está caminhando por múltiplos caminhos simultaneamente: pelo terminal metálico, pelo substrato cerâmico, pelos fios de ligação e pelo PCB. O valor que aparece no termômetro é uma média daquilo que o sensor consegue captar nos pontos de contato. Se você precisa de precisão, o caminho correto é usar simulação por elementos finitos ou, no mínimo, um circuito térmico equivalente com resistências distribuídas. Isso muda completamente a leitura que você faria apenas aplicando a lei de Fourier de forma ingênua.

A equação fundamental da condução é q = -k · A · dT/dx. O sinal negativo indica que o fluxo vai do quente para o frio, e k é a condutividade térmica do material. Na prática, a maioria dos engenheiros transforma isso em uma resistência térmica Rth = espessura / (k · A) e monta uma rede análoga à lei de Ohm. Isso funciona muito bem para geometrias simples e materiais isotrópicos. Quando o material é compósito, como um substrato DBC de alumínio com camadas de cerâmica, a isotropia desaparece e a condutividade no plano é bem maior que a condutividade transversal. Se você usar o valor nominal do catálogo cegamente, o erro pode passar de 30% em temperaturas de junção estimadas. O catálogo geralmente dá o valor transversal porque é o que importa para o casamento elétrico-isolante, mas a dissipação lateral também existe e não pode ser descartada. Um detalhe que vejo todo mundo ignorando é a dependência térmica da condutividade. O alumínio puro perde condutividade gradualmente conforme a temperatura sobe, e materiais como o silício têm uma queda acentuada a partir de cerca de 100°C. Isso significa que o Rth que você calculou a 25°C não é o mesmo Rth a 85°C. Para projetos sérios, use a curva k(T) do fabricante e refaça o cálculo em iteração, ou simplesmente confie na ferramenta do fabricante que já inclui essa não linearidade. Em componentes de baixa potência, o erro é tolerável. Em sistemas de alta densidade como inversores fotovoltaicos, esse detalhe define se o projeto passa em burn-in ou se você volta para a prancheta no terceiro lote. Outro ponto que causa confusão é a diferença entre difusividade térmica e condutividade térmica. A difusividade térmica = k / ( · cp) diz quão rápido uma mudança de temperatura se propaga, enquanto a condutividade k diz quanta energia é transportada em regime permanente. Um material pode ter condutividade alta e difusividade baixa se a capacidade térmica volumétrica for grande. Isso é relevante quando você está lidando com transientes, como picos de corrente curtos em drivers de motor. Se o seu foco é resposta rápida, olhe a difusividade. Se o seu foco é temperatura de regime, olhe a condutividade. As duas são necessárias, e tratar uma como substituta da outra gera erros sutis que aparecem apenas em campo.

Quem trabalha com eletrônica de potência também esbarra na questão do TIM, ou Thermal Interface Material. Pasta térmica, pads de silicone, solda, metal líquido. Cada opção tem uma história. Pasta térmica seca com o tempo, especialmente em ciclos térmicos repetidos, e a resistência aumenta. Pads de silicone são mais estáveis mecanicamente, mas a compressibilidade varia muito com a espessura e a pressão de aperto. Metal líquido, tipo Galinstan, tem condutividade próxima a 25 W/(m·K), mas é corrosivo com alumínio e exige vedação total. Solda prata oferece o menor Rth, mas exige rework controlado e acabamento de superfície adequado. A escolha certa depende do ciclo de vida esperado, da manutenção permitida e do custo por unidade. Não existe solução universal. Se o seu objetivo é apenas entender o conceito para uma prova, a definição clássica basta. Se o seu objetivo é projetar algo que não supere temperaturas críticas em campo, trate a condução como um problema de rede de resistências com parâmetros dependentes de temperatura, geometria real e interface malha a malha. A partir daí, os outros dois modos de propagação, convecção e radiação, entram naturalmente como limites externos do sistema térmico. Mas isso já é assunto para outro momento.