Escolhendo o material de interface térmica certo: pasta, almofada ou folha

Escolhendo o material de interface térmica certo

O conhecimento dos requisitos de sua aplicação são
a chave para selecionar os materiais de interface térmica corretos

Quando se trata de escolher o material térmico certo, muitas pessoas não sabem exatamente o que procurar. Neste artigo, gostaríamos de fornecer tudo o que você precisa saber sobre materiais de interface térmica.
Assim que o desempenho dos componentes aumenta, a necessidade de refrigeração também aumenta de acordo. Como regra geral, a taxa de falha dobra para cada aumento de 10°C na temperatura da junção. Como resultado, o calor dos componentes deve ser dissipado para o fluxo de ar ambiente.
A procura é grande, pelo que tem vindo a ser desenvolvido um grande número de novos sistemas de gestão térmica. Quase todos eles ainda usam materiais de interface térmica (TIMS), que são projetados para permitir o fluxo efetivo de calor através das interfaces apropriadas dos sistemas de refrigeração.
A principal tarefa dos TIMs é garantir uma transferência de calor eficaz para dispositivos de dissipação, como dissipadores de calor ou manifolds. À medida que o calor flui, ele encontra repetidamente resistência que complica e impede a transferência geral de calor. Os TIMs ajudam a superar a resistência mais problemática. Estamos falando da resistência de contato entre as contrapartes (fonte de calor-dissipador de calor).
Isso ocorre porque as folgas de ar reduzem muito o fluxo de calor do componente quente para o componente frio. O TIM eficaz substitui as lacunas existentes criadas pelas superfícies de contato não lisas. Isso é feito com a ajuda de material especial, cuja condutividade térmica é significativamente maior que a do ar. Aqui, a má condução dos contatos pontuais e do ar é substituída por uma condução significativamente melhorada através de sólidos.
A maioria dos TIMs são compósitos à base de polímeros. Estes são preenchidos com partículas de enchimento, que são termicamente condutoras. Os enchimentos comuns são óxido de alumínio, nitreto de boro, nitreto de alumínio e óxido de magnésio. Se o isolamento galvânico não for necessário, cargas metálicas como prata também podem ser usadas. Para reduzir a resistência de contato, é necessária uma certa quantidade de pressão entre as interfaces. Essa pressão então comprime as partículas de enchimento, permitindo que o material flua nas irregularidades da superfície. Uma vez que o material está no lugar, a resistência térmica efetiva de um TIM inclui a resistividade do material e a resistência de contato entre o TIM e suas interfaces.

Problemas de aplicação de materiais de interface térmica

Embora as interfaces térmicas e os TIMs sejam normalmente considerados no início do processo de projeto, deve-se considerar alguns fatores específicos ao selecionar o material da interface térmica:

• A especificação mais importante é definitivamente a impedância térmica, que é medida em graus Kin2/W. Esta é uma medida específica de aplicação da razão
  a diferença de temperatura entre duas superfícies de contato para o fluxo de calor em estado estacionário através dessas superfícies. Devido à pressão de montagem adicional e ao tamanho da área, o
  a impedância térmica normalmente diminui enquanto aumenta com a espessura do TIM.
• A capacidade de um material de conduzir calor, independentemente de sua espessura, é chamada de condutividade térmica e é medida em W/mK. Embora os TIMs possam ser comparados aos valores de condutividade térmica, esse valor não indica quão boa é a capacidade do material em minimizar a resistência de contato.
• A distância (gap) entre a fonte de calor e o distribuidor de calor também é importante. Normalmente, quanto mais fino o TIM, melhor. No entanto, as interfaces nunca são perfeitas, portanto, é necessária uma espessura mínima de material para compensar as irregularidades.
• Para selecionar o tipo de material, a planicidade das superfícies de corte é um fator decisivo. Por exemplo, se ambas as superfícies são lisas, graxa ou filmes finos são uma opção muito boa, mas raramente é o caso. Isso ocorre porque os CIs de plástico geralmente são côncavos no meio. Se o dissipador de calor for muito liso, a superfície de contato é reduzida, especialmente na borda. Isso deixa uma bolsa de ar no meio.
• Às vezes, o isolamento elétrico, medido em kV, é necessário. Os TIMs que possuem base de silicone compartilham essa propriedade com materiais mais espessos, como almofadas térmicas (gap filler).
  No entanto, materiais de mudança de fase mais finos e graxas não são necessariamente isolantes elétricos confiáveis. O grafite em si é eletricamente condutor.
• Ao trabalhar com superfícies irregulares, a compressibilidade é um fator crucial. Um bom exemplo é quando você deseja cobrir toda uma gama de componentes. Por exemplo, se calor e excesso de pressão forem aplicados a um TIM à base de silicone, o silicone pode escapar e migrar ao longo da placa de circuito. Se a pressão for insuficiente, haverá resistência térmica excessiva na interface.
• A faixa de temperatura na qual o material pode ser usado também é importante. Por exemplo, os TIMs à base de silicone podem suportar temperaturas mais altas do que as opções sem silicone.
• A classificação de classe de chama UL é necessária para a maioria das aplicações TIM. A maioria dos materiais para escolher estão disponíveis com valores V0 que atendem aos requisitos típicos.
• Em geral, o silicone é um excelente material térmico com alta faixa de temperatura. No entanto, existem áreas em que variantes sem silicone devem ser usadas. Por exemplo, o uso de silicone no espaço não é possível devido à liberação de gases.
• Você também deve prestar atenção a uma aplicação simples. Afinal, o tipo de anexo é uma decisão clara de custo e desempenho. Por exemplo, dissipadores de calor pequenos geralmente são simplesmente presos com fita térmica de dupla face, enquanto dissipadores de calor maiores requerem hardware adicional. Os adesivos podem ser aplicados em ambos ou em um lado do material térmico, conforme necessário. Deve-se notar aqui que a impedância térmica aumenta com cada camada de adesivo.
• Deve-se perguntar também como é fácil manusear os materiais escolhidos em um ambiente fabril. Os materiais podem ser simplesmente retrabalhados se, por exemplo, o dissipador de calor tiver que ser removido? Os materiais de mudança de fase e a pasta térmica devem ser completamente substituídos, enquanto algumas almofadas térmicas podem ser reutilizadas.
• E, finalmente, a estabilidade a longo prazo do material também deve ser considerada. Isso depende de fatores como temperatura de serviço, tempo, aplicação e propriedades do material.

Opções de material de interface térmica

Materiais de Mudança de Fase (PCM)

O que é único sobre os materiais de mudança de fase (PCMs) é que eles sofrem uma transição de uma fase sólida para uma semi-sólida usando o calor do processador operacional e uma leve pressão de fixação. A fase semi-sólida tem a propriedade de se adaptar muito facilmente a ambas as superfícies. A capacidade de preencher completamente as lacunas de ar interfaciais e os vazios da superfície sob uma leve pressão de fixação permite que este material tenha um desempenho semelhante ao da graxa térmica.
PCMs é muito menos líquido do que gordura. No entanto, os PCMs contêm ceras e, no momento em que a temperatura de fusão é atingida, os PCMs podem fluir para fora de áreas estreitas.

Felizmente, os PCMs introduzidos recentemente não são mais baseados em cera, portanto, não pingam. Os PCMs são muito fáceis de manusear à temperatura ambiente normal porque são sólidos. Isso fornece mais controle ao aplicar as almofadas sólidas na superfície do dissipador de calor. Muitas almofadas de mudança de fase criam uma ligação adesiva muito durável entre o dissipador de calor e o processador. Por isso, deve-se tomar cuidado ao remover o dissipador de calor do processador. Um pequeno movimento de torção geralmente ajuda na remoção. Aplicar muita força pode danificar o processador.

Composto térmica

As pastas termicamente condutoras são geralmente enriquecidas com silicones com cargas termicamente condutoras. O endurecimento geralmente não é necessário e eles podem fluir e se adaptar perfeitamente às interfaces. As interfaces térmicas podem ser facilmente retrabalhadas. No entanto, deve-se garantir que pasta ou graxa suficiente tenha sido aplicada antes de instalar o dissipador de calor. Pouca graxa pode resultar em espaços entre o dissipador de calor e o processador. Por outro lado, muita graxa também pode ser contraproducente, pois pode levar a entreferros e vazamentos fora da interface. Deve-se notar também que com o uso prolongado e geralmente ao longo do tempo, algumas graxas podem se deteriorar ou secar. Obviamente, isso tem um efeito negativo no desempenho da transferência de calor. Pastas termicamente condutoras como materiais de interface (TIM) são, no entanto, as
primeira escolha em aplicações com processadores de alto desempenho - apesar das desvantagens mencionadas acima. Isso ocorre principalmente porque a condutividade térmica das graxas térmicas é da ordem de 10 W/mK, o que é claramente superior a outros TIMs.

Enchimento

Um dos maiores segmentos de mercado para TIMs são os preenchedores de lacunas. Estes podem ser fornecidos em diferentes intensidades. Esses materiais eficientes, macios e altamente condutores de calor podem cobrir lacunas de até 15 mm. Os enchimentos de folga práticos podem cobrir vários componentes de diferentes alturas e depois transferir o calor para um dissipador de calor comum. Essas almofadas são populares e frequentemente usadas quando são necessárias baixas forças de compressão. A compressibilidade relativamente alta é, portanto, uma característica importante deste tipo de TIM. Os preenchimentos de lacunas também podem ser moldados individualmente e as novas conexões de preenchimento de lacunas Formin-Place em particular são uma opção popular para automatizar grandes
volumes.

folhas térmicas

As folhas termicamente condutoras não apenas transferem o calor, mas também fornecem isolamento elétrico. Em termos de resistência ao rasgo e à perfuração, os filmes térmicos oferecem excelente durabilidade. Folhas de interface térmica de silicone e não-silicone (por exemplo, poliuretano preenchido com cerâmica) e materiais de grafite se enquadram nesta categoria. A gama de condutividades térmicas e faixas de preço é ampla, para que todos possam encontrar uma boa solução.

almofadas de folga

As almofadas térmicas geralmente consistem em moldagem de silicone não reforçado com enchimentos condutores. Reforços de almofadas térmicas são normalmente tecidos de vidro, folhas de metal ou filmes poliméricos. As almofadas térmicas práticas são geralmente pré-cortadas em tamanhos diferentes para acomodar componentes de tamanhos diferentes. Embora os materiais de mudança de fase e a pasta térmica sejam claramente superiores em termos de condução, as almofadas térmicas têm a vantagem de serem uma opção barata e conveniente para aplicações com menores requisitos de resfriamento.

folhas de grafite

Esta opção econômica tem sido usada por um longo tempo. As lâminas são eletricamente condutoras e podem ser usadas em temperaturas muito altas de até 500 ºC. Alguns provedores alinham as fibras horizontalmente. Isso resulta em medições de condutividade térmica muito diferentes. Existe material que mostra 7,0 W/mK no eixo x e 150,0 W/mK no eixo yz - uma clara diferença.

Fitas térmicas dupla face

Uma fita térmica pode consistir em uma malha de cobre niquelada finamente tecida que se adapta perfeitamente a superfícies de montagem irregulares. Para anexar pequenos dissipadores de calor aos componentes, muitas vezes são usadas fitas adesivas de dupla face termicamente condutoras feitas de PSA. Fatores importantes aqui são a resistência ao descascamento, a resistência ao cisalhamento da dobra e do punção, o poder de retenção e a resistência térmica. No que diz respeito ao desempenho em termos de condução de calor das fitas adesivas de dupla face, está na faixa intermediária. Embora você economize em peças de montagem adicionais, as fitas têm problemas com superfícies irregulares dos componentes e, portanto, são de uso limitado. CIs de plástico são normalmente côncavos no meio e as superfícies do dissipador de calor variam, o que pode causar espaços de ar na interface.

adesivos térmicos

Os adesivos térmicos - também chamados de adesivos térmicos - podem ser sistemas de um ou dois componentes. Estes são equipados com enchimentos condutores. A aplicação geralmente é feita por dosagem ou impressão em estêncil. A cura do adesivo é necessária para permitir a reticulação segura do polímero, que fornece a propriedade adesiva. O fato de os adesivos térmicos fornecerem suporte estrutural, eliminando a necessidade de fixação mecânica, é certamente o maior benefício deste TIM.

géis térmicos

Os géis são um material semelhante às gorduras que são ligeiramente reticulados. O comportamento é correspondentemente semelhante, com o sangramento do material sendo reduzido.

TIMs de metal

Os materiais de interface térmica de metal podem ser feitos em todos os tipos de formas e atualmente não estão mais limitados a aplicações de solda. Em inúmeras aplicações, os TIMs feitos de metal podem ser muito bem retrabalhados e também podem ser reciclados sem problemas.
Recentemente, a necessidade de TIMs de alto desempenho em dispositivos especiais como amplificadores de potência e módulos IGBT aumentou, levando os fabricantes a explorar outros tipos de TIMs metálicos.
Bons exemplos são: metais líquidos, metais de mudança de fase e SMA-TIMs (ligas de metal macio).
Certamente o mais fácil de usar é o material de interface térmica de metal macio ou compressível (SMA-TIM). Os TIMs de metal são altamente condutivos termicamente, confiáveis ​​e fáceis de usar com metais compressíveis.

Recentemente, também foi desenvolvido um material híbrido, que consiste em um filme de silicone condutor de calor de um lado e um filme de cobre do outro. Este material é especialmente bom para fazer circuitos flexíveis e proteger contra ruídos EMI e RFI.

Conclusão

Infelizmente, as interfaces térmicas geralmente são consideradas apenas muito tarde na fase de projeto dos sistemas de resfriamento. Este definitivamente não é o melhor curso de ação. Afinal, os TIMs são claramente um fator chave no custo do projeto de gerenciamento térmico.Hoje, normalmente há cada vez mais excesso de calor para gerenciar, e é por isso que há claramente uma alta demanda por TIMs de alto desempenho.
Quando usados ​​criteriosamente, os materiais de interface térmica certamente ajudarão a reduzir o tamanho dos dissipadores de calor e a necessidade de ventiladores cada vez maiores. Além disso, um bom TIM é uma opção mais fácil, rápida e claramente mais barata do que trocar os dissipadores de calor ou redesenhar completamente o gabinete.