5 Studio analitico delle prestazioni termiche del modulo “Single Sided”
5.1 Descrizione delle resistenze termiche sul modulo single sided
Come si è visto in precedenza, la potenza generata sul silicio e sui chips dell’ibrido viene rimossa dal fluido refrigerante che scorre nei tubi di raffreddamento, in contatto termico con i moduli grazie a delle lastrine di alluminio, (ledges). I moduli vengono montati sui ledges, posti alle estremità del telaio di supporto in fibra di carbonio del modulo (frame).
Il canale di raffreddamento viene incollato con colla conduttrice ai ledges della stringa, e il contatto termico tra il ledges ed il frame in carbonio del modulo e’ assicurato dalla pressione di contatto generata da quattro viti M1 in acciaio inossidabile AISI 316.
In Figura 5.1 sono riportate qualitativamente le dimensioni dei flussi termici rilevati dalle simulazioni agli elementi finiti: la gran parte del calore prodotto dal rivelatore al silicio viene asportato dal ledge “dummy” mentre il calore dell’elettronica di lettura fluisce nel corrispondente ledge più vicino (“read-out”).
Con questo schema i flussi termici rappresentati sono indipendenti e associati ognuno ad una sorgente di calore (generata sull’ibrido di “read-out” e nel rivelatore al silicio).
Per ogni flusso di calore possiamo identificare le resistenze termiche. Il calore prodotto nel rivelatore al silicio fluisce all’interno del semiconduttore con piccoli gradienti, vista l’elevata conducibilità (129 W/m*K pressoché isotropa) e la sezione di passaggio del Si che rispetto ai i flussi termici in gioco sono relativamente elevati; ai bordi si hanno due strati di colla da 50 µm ciascuno ed uno di kapton da 100 µm, che conducono alla fibra di carbonio del frame di supporto. A queste resistenze si deve aggiungere in serie quella di contatto tra il frame con il ledge di alluminio.
Per il lato di read-out le resistenze termiche, a partire dalla sorgente termica, sono: • il chip;
• l’incollaggio tra chip ibrido di read-out e l’ibrido (pochi µm: trascurabile); • l’ibrido e’ un multistrato di FR4 (o allumina) e rame (vedi 5.1.1);
• l’incollaggio dell’ ibrido al frame in carbonio (50µm di colla); • la resistenza di contatto frame – ledge;
• l’alluminio del ledge e del tubo;
• i gradienti di temperatura interni al fluido.
La resistenza termica di interfaccia tra la fibra di carbonio del frame e l’alluminio del ledge è difficile da stimare, vista l’influenza di molti fattori quali le finiture superficiali, la planarità, la rugosità, i moduli di elasticità, la tensione ammissibile di snervamento, la pressione di contatto, la temperatura delle superfici, lo stato di pulizia delle superfici. Come già descritto nel paragrafo 4.3, si è deciso di non utilizzare nessun tipo di pasta o cuscinetto conduttivo.
Al fine di ottenere un buon contatto delle superfici sono state imposte delle stringenti tolleranze di planarità sia sulla fibra di carbonio che sul ledge di alluminio. Inoltre e’ prevista sul ledge una buona finitura superficiale (rugosità 0.8 µm) ottenuta per
lavorazione meccanica e migliorata in seguito da un trattamento superficiale di nitrurazione; sul frame del modulo e’ stata richiesta una rugosità di 0.4 µm.
Dopo il contatto si ha la trasmissione di calore per conduzione attraverso i ledges di alluminio e la colla che li collega ai tubi del sistema di raffreddamento. La colla utilizzata e’ un’epossidica caricata con ceramiche ad alta conducibilità termica che permettono di raggiungere una conducibilità termica dell’ordine di 2.5 W/mK.
Si ha infine uno scambio termico per convezione forzata tra la parete interna del tubo ed il fluido freddo. Il coefficiente di scambio termico dipende dalle caratteristiche del fluido, a dalle sue condizioni fluidodinamiche. Per avere un moto turbolento nella zona dei ledges sono state disposte, in prossimità degli incollaggi (cerchi rossi in Figura 5.2), delle curve di raggio opportuno che favoriscono la turbolenza e, al tempo stesso, permettono di ottenere dei giunti di dilatazione. Nello schema riportato in Figura 5.2, i cerchi indicano le zone di incollaggio dei ledges sul tubo mentre i rettangoli danno un’idea della posizione dei moduli.
Figura 5.2 Stringa di raffreddamento
5.1.1 Evoluzione del substrato dell’ibrido elettronico
L’ibrido montato sul modulo avendo subito molti cambiamenti di configurazione ha imposto delle scadenze stringenti per l’esecuzione delle prove sperimentali ad ogni rilascio di una configurazione aggiornata. Spetta infatti all’INFN di Pisa verificare le prestazioni termiche e meccaniche dei moduli del TIB con diverse versioni dell’ibrido proposte dai progettisti elettronici. Quando vengono distribuiti i prototipi del nuovo ibrido si devono eseguire le comparazioni con le versioni precedenti e riportare i risultati ottenuti alle riunioni internazionali che vengono organizzate presso il CERN di Ginevra.
Durante lo svolgimento della tesi sono state proposte due versioni diverse di ibrido: la prima aveva il substrato in ceramica sinterizzata (allumina Al2O3) ed il secondo era invece di FR4 (vedi paragrafo 5.2 per le proprietà dei materiali).
L’introduzione del nuovo materiale per il substrato dell’ibrido ha creato un po’ di perplessità perché si temeva un brusco calo delle prestazioni termiche del sistema di raffreddamento: la conducibilità termica del FR4 è infatti 0.34 W/m°K, 100 volte inferiore rispetto all’allumina (34 W/m°K) fino ad allora impiegata. Inoltre le caratteristiche meccaniche di questo materiale risultavano molto differenti dalla ceramica, infatti il basso modulo elastico, 20 GPa e l’elevato coefficiente di dilazione termica, 16*10-6 1/C, ne facevano un materiale che in linea di principio non è compatibile con i chip di read-out costruiti in silicio. L’utilizzo di questo materiale può compromettere la resistenza a fatica dei chips se non si adottano particolari misure per assorbire la dilatazione differenziale dei due materiali, così come il trasferimento del calore può essere compromesso dalla bassa conducibilità termica.
Questi timori si sono dimostrati infondati solo dopo l’esecuzione di una serie di prove sperimentali sull’apparecchiatura di prova dell’INFN di Pisa (vedi paragrafo 6.4.2). Queste prove hanno permesso la qualificazione di un modello analitico che predica le temperature del modulo al variare del materiale dell’ibrido, paragrafo 5.2. In realtà la presenza delle piste laminate e dei “via termici” (fori del diametro di 0,5 mm passanti attraverso tutto lo spessore del substrato metallizzati all’interno) in rame ne ha permesso l’ utilizzo.