Scelta del giusto materiale per l'interfaccia termica: pasta, tampone o pellicola

Scelta del giusto materiale per l'interfaccia termica

Conoscere le esigenze della propria applicazione è fondamentale per selezionare i materiali di interfaccia termica corretti

Quando si tratta di scegliere il giusto materiale per l'interfaccia termica, molte persone non sanno esattamente cosa cercare. In questo articolo vorremmo darti tutto ciò che devi sapere sul materiale dell'interfaccia termica.

Non appena le prestazioni dei componenti aumentano, aumenta di conseguenza anche il fabbisogno di raffreddamento. Come regola generale, il tasso di guasto raddoppia ogni 10°C di aumento della temperatura di giunzione. Di conseguenza, il calore dei componenti deve essere dissipato nel flusso dell'aria ambiente.

La richiesta è grande, tanto che è stato sviluppato un gran numero di nuovi sistemi di gestione termica. Quasi tutti utilizzano ancora materiali di interfaccia termica (TIMS), progettati per consentire il flusso efficace di calore attraverso le interfacce appropriate dei sistemi di raffreddamento.

Il compito principale delle TIM è quello di garantire un efficace trasferimento del calore ai dispositivi di dissipazione come dissipatori di calore o collettori. Quando il calore scorre, incontra ripetutamente una resistenza che complica e impedisce il trasferimento di calore complessivo. I TIM aiutano a superare le resistenze più problematiche. Si tratta della resistenza di contatto tra le controparti (fonte di calore – dissipatore di calore). Questo perché i traferri riducono notevolmente il flusso di calore dal componente caldo al componente freddo. TIM efficace sostituisce le lacune esistenti create dalle superfici di accoppiamento non lisce. Questo viene fatto con l'aiuto di materiale speciale, la cui conduttività termica è significativamente maggiore di quella dell'aria. Qui, la cattiva conduzione dei contatti puntiformi e dell'aria è sostituita da una conduzione significativamente migliorata attraverso i solidi.

La maggior parte dei TIM sono compositi a base di polimeri. Questi sono riempiti con particelle di riempitivo, che sono termicamente conduttive. I riempitivi comuni sono ossido di alluminio (allumina), nitruro di boro, nitruro di alluminio e ossido di magnesio. Se non è richiesto l'isolamento galvanico, possono essere utilizzati anche riempitivi metallici come l'argento.

Per ridurre la resistenza di contatto è necessaria una certa pressione tra le interfacce. Questa pressione comprime quindi le particelle di riempimento, consentendo al materiale di fluire nelle irregolarità della superficie. Una volta che il materiale è a posto, l'effettiva resistenza termica di un TIM include la resistività di massa del materiale e la resistenza di contatto tra il TIM e le sue interfacce.

Problemi applicativi per i materiali di interfaccia termica

Sebbene le interfacce termiche e le TIM siano in genere considerate all'inizio del processo di progettazione, è necessario considerare alcuni fattori specifici quando si seleziona effettivamente il materiale dell'interfaccia termica:

• La specifica più importante è sicuramente l'impedenza termica, che si misura in gradi Kin2/W. È una misura specifica dell'applicazione del rapporto tra la differenza di temperatura tra due superfici di accoppiamento e il flusso di calore in stato stazionario attraverso queste superfici. A causa della pressione di montaggio aggiuntiva e delle dimensioni dell'area, l'impedenza termica in genere diminuisce mentre aumenta con lo spessore del TIM.
• La capacità di un materiale di condurre il calore indipendentemente dal suo spessore è chiamata conducibilità termica e si misura in W/mK. Sebbene i TIM possano essere confrontati con i valori di conducibilità termica, questo valore non indica quanto sia buona la capacità del materiale di ridurre al minimo la resistenza di contatto.
• Anche la distanza (spazio) tra la fonte di calore e il distributore di calore è importante. Normalmente, più sottile è il TIM, meglio è. Tuttavia, le interfacce non sono mai perfette, quindi è necessario uno spessore minimo di materiale per compensare le irregolarità.
• La planarità delle superfici tagliate è un fattore decisivo nella scelta del tipo di materiale. Ad esempio, se entrambe le superfici sono piatte, grasso o film sottili sono un'ottima opzione, ma questo è raramente il caso. Questo perché i circuiti integrati in plastica sono solitamente concavi nel mezzo. Se il dissipatore è molto piatto, la superficie di contatto si riduce, soprattutto sul bordo. Questo lascia una sacca d'aria nel mezzo.
• A volte è richiesto l'isolamento elettrico, misurato in kV. I TIM a base di silicone condividono questa proprietà con materiali più spessi come i riempitivi per fessure. Tuttavia, i materiali e i grassi a cambiamento di fase più sottili non sono necessariamente isolanti elettrici affidabili. La grafite stessa è elettricamente conduttiva.
• Quando si lavora con superfici irregolari, la comprimibilità è un fattore cruciale. Un buon esempio è quando si desidera coprire un'intera gamma di componenti. Ad esempio, se il calore e la pressione in eccesso vengono applicati a un TIM a base di silicone, il silicone può fuoriuscire e migrare lungo il circuito stampato. Se la pressione è insufficiente, ci sarà un'eccessiva resistenza termica all'interfaccia.
• Anche l'intervallo di temperatura in cui il materiale può essere utilizzato è importante. Ad esempio, i TIM a base di silicone possono resistere a temperature più elevate rispetto alle opzioni non in silicone.
• La classificazione della classe di fiamma UL è richiesta per la maggior parte delle applicazioni TIM. La maggior parte dei materiali tra cui scegliere è disponibile con valori V-0 che soddisfano i requisiti tipici.
• In generale, il silicone è un ottimo materiale termico con un intervallo di temperatura elevato. Tuttavia, ci sono aree in cui devono essere utilizzate varianti prive di silicone. Ad esempio, l'uso del silicone nello spazio non è possibile a causa del degassamento.
• Dovresti anche prestare attenzione a una semplice applicazione. Dopotutto, il tipo di allegato è una chiara decisione in termini di costi e prestazioni. Ad esempio, i dissipatori di calore piccoli vengono solitamente fissati semplicemente con nastro termico biadesivo, mentre i dissipatori di calore più grandi richiedono hardware aggiuntivo. Gli adesivi possono essere applicati su entrambi o su un lato del materiale termico secondo necessità. Va notato qui che l'impedenza termica aumenta con ogni strato di adesivo.
• Ci si dovrebbe anche chiedere quanto sia facile gestire i materiali scelti in un ambiente di produzione. I materiali possono essere semplicemente rielaborati se, ad esempio, è necessario rimuovere il dissipatore di calore? I materiali a cambio di fase e il grasso devono essere completamente sostituiti, mentre alcuni riempitivi per fessure possono essere riutilizzati.
• Infine, va considerata anche la stabilità a lungo termine del materiale. Ciò dipende da fattori quali la temperatura di servizio, il tempo, l'applicazione e le proprietà del materiale.

Opzioni del materiale dell'interfaccia termica

Materiali a cambiamento di fase (PCM - dall'inglese: Materiali a cambiamento di fase)

La particolarità dei materiali a cambiamento di fase (PCM) è che subiscono una transizione da una fase solida a una semisolida utilizzando il calore del processore operativo e una leggera pressione di bloccaggio. La fase semisolida ha la proprietà di adattarsi molto facilmente ad entrambe le superfici. La capacità di riempire completamente i vuoti d'aria interfacciali e i vuoti superficiali sotto una leggera pressione di serraggio consente a questo materiale di funzionare alla pari della pasta termica.

Il PCM è molto meno liquido del grasso. Tuttavia, i PCM contengono cere e nel momento in cui viene raggiunta la temperatura di fusione, i PCM possono fuoriuscire da aree ristrette. Per fortuna, i PCM introdotti di recente non sono più a base di cera, quindi non gocciolano.

I PCM sono molto facili da maneggiare a temperatura ambiente normale perché sono solidi. Ciò fornisce un maggiore controllo quando si applicano i cuscinetti solidi alla superficie del dissipatore di calore. Molti pad a cambio di fase creano un legame adesivo molto duraturo tra il dissipatore di calore e il processore. Per questo motivo, è necessario prestare attenzione durante la rimozione del dissipatore di calore dal processore. Un piccolo movimento di torsione o torsione di solito aiuta con la rimozione. Applicare troppa forza può danneggiare il processore.

grassi termici

I grassi termici sono generalmente siliconici arricchiti con riempitivi termicamente conduttivi. Di solito non è necessario l'indurimento e possono scorrere e adattarsi perfettamente alle interfacce. Le interfacce termiche possono essere facilmente rielaborate. Tuttavia, è necessario assicurarsi che sia stata applicata una quantità sufficiente di pasta o grasso prima di installare il dissipatore di calore. Troppo poco grasso può causare spazi tra il dissipatore di calore e il processore. D'altra parte, troppo grasso può anche essere controproducente in quanto può causare traferri e perdite all'esterno dell'interfaccia. Da notare inoltre che con l'uso prolungato e generalmente nel tempo, alcuni grassi possono deteriorarsi o seccarsi. Naturalmente, questo ha un effetto negativo sulle prestazioni di trasferimento del calore. I grassi del materiale di interfaccia (TIM) sono ancora la prima scelta nelle applicazioni con processori ad alte prestazioni, nonostante gli svantaggi sopra menzionati. Ciò è principalmente dovuto al fatto che la conducibilità termica dei grassi termici è dell'ordine di 10 W/mK, che è nettamente superiore ad altri TIM.

Gap filler

Uno dei più grandi segmenti di mercato per TIM sono i gap filler. Questi possono essere forniti in diversi punti di forza. Questi materiali efficienti, morbidi e altamente termicamente conduttivi possono coprire fessure fino a 15 mm. I pratici riempitivi per fessure possono coprire diversi componenti di diverse altezze e quindi trasferire il calore a un comune dissipatore di calore. Queste pastiglie sono popolari e spesso utilizzate quando sono richieste basse forze di compressione. La comprimibilità relativamente elevata è quindi una caratteristica importante di questo tipo di TIM. I riempitivi possono anche essere sagomati individualmente e in particolare le nuove connessioni di riempimento degli spazi vuoti sono un'opzione popolare per l'automazione di grandi volumi.

lamine termiche

I film termici non solo gestiscono il trasferimento di calore, ma forniscono anche isolamento elettrico. Per quanto riguarda lo strappo e il taglio delle imperfezioni sui dissipatori di calore, le lamine termiche offrono un'eccellente resistenza. Rientrano in questa categoria i materiali siliconici, non siliconici (ad es. poliuretano caricato con ceramica) e grafite. La gamma di potenze termiche e fasce di prezzo è ampia, in modo che tutti possano trovare una buona soluzione.

Cuscinetti termici

I cuscinetti termici consistono tipicamente nello stampaggio di silicone non rinforzato con riempitivi conduttivi. I rinforzi a tampone termico sono in genere vetro intrecciato, lamine metalliche o film polimerici. I pratici cuscinetti termici sono solitamente pretagliati in diverse dimensioni per ospitare componenti di dimensioni diverse. Mentre i materiali a cambiamento di fase e la pasta termica sono chiaramente superiori in termini di conduzione, i pad termici hanno il vantaggio di essere opzioni convenienti e convenienti per applicazioni con requisiti di raffreddamento inferiori.

fogli di grafite

Questa opzione conveniente è stata utilizzata per molto tempo. Le lamine sono elettricamente conduttive e possono essere utilizzate a temperature molto elevate fino a 500 ºC. Alcuni fornitori allineano le fibre orizzontalmente. Ciò si traduce in misurazioni della conducibilità termica molto diverse. C'è materiale che mostra 7,0 W / mK sull'asse x e 150,0 W / mK sull'asse yz: una chiara differenza.

Nastri termici biadesivi

Un nastro termico può essere costituito da una rete di rame nichelata finemente intrecciata che si adatta perfettamente alle superfici di montaggio irregolari. Per fissare piccoli dissipatori di calore ai componenti, molto spesso vengono utilizzati nastri biadesivi termoconduttivi in ​​PSA. I fattori importanti qui sono la resistenza alla pelatura, la resistenza al taglio per sovrapposizione e punzonatura, la forza di tenuta e la resistenza termica. Per quanto riguarda le prestazioni in termini di conduzione del calore dei nastri biadesivi, si colloca nella fascia media. Anche se si risparmia su parti di assemblaggio aggiuntive, i nastri hanno problemi con le superfici irregolari dei componenti e sono quindi di uso limitato. I circuiti integrati in plastica sono in genere concavi al centro e le superfici del dissipatore di calore variano, il che può causare traferri nell'interfaccia.

adesivi termici

Gli adesivi termici - detti anche adesivi termici - possono essere sia sistemi mono che bicomponenti. Questi sono dotati di riempitivi conduttivi. L'applicazione viene solitamente eseguita mediante dosaggio o stampa a stencil. L'indurimento dell'adesivo è necessario per consentire una reticolazione sicura del polimero, che fornisce la proprietà adesiva. Il fatto che gli adesivi termici forniscano supporto strutturale, eliminando la necessità di serraggi meccanici, è sicuramente il più grande vantaggio di questa TIM.

gel termici

I gel sono un materiale simile ai grassi che è leggermente reticolato. Il comportamento è corrispondentemente simile, con la riduzione del sanguinamento del materiale.

TIM in metallo

Le interfacce in metallo possono essere realizzate in tutti i tipi di forme e attualmente non sono più limitate alle applicazioni di saldatura. In numerose applicazioni, le TIM in metallo possono essere rilavorate molto bene e possono anche essere riciclate senza problemi.

Recentemente, la necessità di TIM ad alte prestazioni in dispositivi speciali come amplificatori di potenza e moduli IGBT è aumentata, portando i produttori a esplorare altri tipi di TIM in metallo. Buoni esempi sono: metalli liquidi, metalli a cambiamento di fase e SMA-TIM (leghe di metalli teneri).

Sicuramente il più facile da usare è il materiale di interfaccia termica in metallo morbido o comprimibile (SMA-TIM). I TIM metallici sono altamente termicamente conduttivi, affidabili e facili da usare con i metalli comprimibili.

Recentemente è stato sviluppato anche un materiale ibrido, che consiste in un film di silicone termoconduttore da un lato e da un film di rame dall'altro. Questo materiale è particolarmente indicato per la realizzazione di circuiti flessibili e per la protezione dai disturbi EMI e RFI.

Conclusione

Sfortunatamente, le interfacce termiche sono spesso considerate solo in fase avanzata di progettazione dei sistemi di raffreddamento. Questa non è sicuramente la migliore linea d'azione. Dopotutto, le TIM sono chiaramente un fattore chiave nel costo dei progetti di gestione termica.Oggi, in genere c'è sempre più calore in eccesso da gestire, quindi c'è chiaramente bisogno di TIM ad alte prestazioni.

Se usati con giudizio, i materiali di interfaccia termica aiutano sicuramente a ridurre le dimensioni dei dissipatori di calore e la necessità di ventole sempre più grandi. Inoltre, un buon TIM è un'opzione più semplice, veloce e chiaramente più economica rispetto alla sostituzione dei dissipatori di calore o al ridisegno completo del case.