L'innovazione più utile nel campo dei materiali per interfacce termiche non risiede in un valore di conduttività nominale più elevato, bensì in un materiale in grado di trasferire effettivamente il calore attraverso una giunzione reale e irregolare. Con l'aumentare della densità dei componenti elettronici di potenza e dei pacchi batteria, il percorso del calore da un chip o una cella a un dissipatore di calore o a una piastra di raffreddamento passa attraverso un sottile spazio imperfetto, e un materiale per interfacce termiche (TIM) esiste proprio per riempire questo spazio e sostituire l'aria intrappolata al suo interno. L'aria conduce il calore a circa 0,026 W/mK, quindi anche uno strato d'aria microscopicamente sottile domina l'interfaccia. I recenti progressi degni di nota (riempitivi di carbonio ibridi, nitruro di boro, metalli liquidi e polimeri ingegnerizzati) sono rilevanti per un ingegnere solo nella misura in cui resistono allo spazio, alle sollecitazioni di assemblaggio e alle verifiche imposte dalla produzione.
L'ambito di questo documento è volutamente ristretto. È pensato per gli ingegneri che si occupano di pacchi batteria e di elettronica di potenza e che devono scegliere un materiale di interfaccia termica (TIM) per il percorso dalla cella al refrigerante o dal die al dissipatore di calore. Non tratta il flusso del refrigerante, la progettazione idraulica delle piastre di raffreddamento o le specifiche schede tecniche dei prodotti; questi aspetti dipendono dall'architettura e devono essere verificati con dati di test qualificati.
Qual è la funzione dei materiali di interfaccia termica nel percorso di calore?
Il compito di un TIM (Thermal Interface Material) è quello di ridurre la resistenza termica di contatto tra due superfici che non sono mai perfettamente piane. Le superfici lavorate e stampate si toccano solo in punti di rilievo sparsi, mentre il resto dell'interfaccia è occupato dall'aria. Il TIM si insinua in questi vuoti, permettendo al calore di condursi attraverso il materiale anziché attraverso una pellicola d'aria isolante, che è ciò che consente a un dissipatore di calore di dissipare il calore dalla giunzione a cui è fissato.
I TIM (materiali di interfaccia termica) sono disponibili in diverse famiglie, e ognuna di esse rappresenta un compromesso tra prestazioni e maneggevolezza. I grassi e le paste termiche scorrono fino a formare una linea di incollaggio molto sottile e offrono una bassa resistenza, ma possono fuoriuscire o asciugarsi durante i cicli termici; i gel e i riempitivi per intercapedini dispensabili polimerizzano in loco e tollerano intercapedini più ampie e irregolari; i tamponi e i materiali a cambiamento di fase facilitano l'assemblaggio a scapito dello spessore della linea di incollaggio; gli adesivi termicamente conduttivi aggiungono un legame strutturale oltre al trasferimento di calore. La scelta tra i diversi tipi di materiali per l'interfaccia termica Tutto inizia dallo spazio che effettivamente esiste, non dalla conduttività che vorresti avere.
Progressi nei materiali: una nuova definizione delle prestazioni dei materiali termoconduttivi
La ricerca sui materiali dell'ultimo decennio si è concentrata sull'aumento della conduttività utilizzabile di un composito senza comprometterne la flessibilità e la lavorabilità, caratteristiche essenziali per un assemblaggio reale. La maggior parte di questo lavoro si è concentrata sulle quattro famiglie di materiali elencate di seguito.
TIM ibridi al carbonio
I TIM ibridi in carbonio disperdono nanotubi di carbonio o grafene in una matrice polimerica o di grasso per creare percorsi conduttivi attraverso la giunzione. Vale la pena di definire i numeri qui. La conduttività intrinseca dei singoli nanotubi di carbonio o fogli di grafene può superare i 2000 W/mK, ma il TIM composito finito offre molto meno, perché le interfacce tra le particelle di riempitivo e la matrice dominano il risultato. Una revisione del 2022 in *Nanomaterials* cataloga i compositi di carbonio di grado di ricerca nell'intervallo da decine a poche centinaia di W/mK (ad esempio, strutture di grafene allineate verticalmente intorno a 50 W/mK e monoliti di grafene vicino a 500 W/mK), non il valore intrinseco del riempitivo. Considera qualsiasi cifra "2000+ W/mK" come una proprietà del nanomateriale, non del TIM ibrido in carbonio puoi effettivamente erogarlo.
Nitruro di boro e altri nanomateriali
I nanosheet di nitruro di boro sono preziosi quando una giunzione deve condurre calore e bloccare la corrente contemporaneamente. Il nitruro di boro esagonale combina un'elevata conduttività termica con un autentico isolamento elettrico e stabilità chimica, il che lo rende un materiale di riempimento comune laddove un TIM a base di metallo o carbonio rischierebbe un cortocircuito. Nel settore delle batterie e dei moduli di potenza, questo duplice requisito è di routine, poiché l'interfaccia si trova spesso tra una superficie attiva e una piastra fredda messa a terra, e il TIM deve trasportare calore senza diventare un percorso di dispersione.
M-in a metallo liquido
I materiali di interfaccia termica (TIM) a base di metallo liquido offrono una resistenza termica molto bassa, ma comportano rischi di manipolazione che ne determinano l'impiego in determinate applicazioni. Le leghe a base di gallio rimangono liquide a temperature prossime a quella ambiente, lubrificano bene le asperità superficiali e raggiungono una conduttività di gran lunga superiore a quella dei grassi convenzionali. Il rovescio della medaglia è che sono elettricamente conduttive e possono corrodere l'alluminio, quindi una goccia fuoriuscita può causare un cortocircuito tra le piste adiacenti o danneggiare la superficie di una piastra fredda. Trovano impiego in giunzioni ad alto flusso con controllo rigoroso, piuttosto che in assemblaggi aperti e soggetti a forti vibrazioni.
Materiali di riempimento e tamponi a base di polimeri
I materiali di interfaccia termica (TIM) a base di polimeri rimangono la soluzione più diffusa per i pacchi batteria, in quanto bilanciano conduttività, conformabilità e facilità di utilizzo. Gli elastomeri siliconici e non siliconici, caricati con materiali ceramici o di altro tipo, presentano in genere una conduttività di circa 1-5 W/mK, mentre i materiali di riempimento per gli spazi tra cella e pacco, spesso sostituibili, hanno una conduttività di pochi W/mK, a seconda della composizione chimica e del carico. Il valore ingegneristico non risiede nel valore di picco, ma nella capacità di questi materiali di riempire spazi non uniformi di dimensioni millimetriche con basse sollecitazioni di assemblaggio e di polimerizzare senza solventi, una caratteristica fondamentale per una linea di produzione di pacchi batteria, tanto quanto la conduttività.
Abbinamento del materiale termoconduttivo (TIM) all'assemblaggio: spazio, sollecitazioni, polimerizzazione e isolamento.
Innanzitutto, scegliete un materiale di interfaccia termica (TIM) in base ai vincoli della giunzione, quindi confrontate la conduttività tra i materiali preselezionati. Nell'assemblaggio di pacchi batteria e moduli, lo spazio che un TIM deve riempire è raramente uniforme: la tolleranza sull'altezza delle celle e la planarità della piastra fredda definiscono la linea di incollaggio effettiva. Un materiale scelto solo in base al suo valore W/mK nella scheda tecnica può comunque non garantire prestazioni ottimali se non è in grado di bagnare quello spazio alla pressione di serraggio disponibile. Iniziate definendo l'intervallo e la planarità dello spazio, quindi il carico che le celle e la struttura possono sopportare e infine se l'interfaccia deve anche isolare o incollare.
Solitamente diverse variabili decidono la famiglia prima della conduttività. divario e sua variabilità Separare i grassi a legame sottile dai riempitivi per intercapedini a sezione spessa. Lo stress di assemblaggio esclude i materiali rigidi laddove le celle morbide o gli strati con tolleranze lunghe non sono in grado di sopportare il carico. Il comportamento di polimerizzazione, sia esso a due componenti con polimerizzazione in situ o con un tampone preformato, influenza il takt time e la rilavorabilità, e la rilavorabilità è importante quando un modulo deve essere smontato per un guasto.
Lo stato di isolamento determina se è consentito l'uso di un riempitivo conduttivo. Laddove i dati di un fornitore o la propria qualificazione mostrino che una formulazione rilascia silossani a basso peso molecolare, tali sostanze volatili possono contaminare i sensori di umidità o gas nelle vicinanze, e i team passano quindi a riempitivi privi di silicone e ne convalidano il diverso comportamento di erogazione. Affrontare questi vincoli in ordine è la sostanza di scegliere il materiale di interfaccia termica più adatto per un'applicazione, ed è lì che Gamma TIM Trumonytechs' deve essere abbinato al percorso dalla cella al liquido di raffreddamento, anziché essere scelto in base a un singolo numero.
Verifica delle reali prestazioni termiche
Una scheda tecnica W/mK descrive solo il materiale, quindi verificate la giunzione tramite la sua impedenza termica sulla linea di incollaggio effettiva. Due materiali con la stessa conduttività nominale possono comportarsi in modo diverso se si considerano la resistenza di contatto e lo spessore ottenibile. Un TIM con una conduttività più elevata a volte produce una giunzione peggiore se non si assottiglia o non si bagna sotto la pressione disponibile. La proprietà che predice il comportamento sul campo è l'impedenza attraverso lo spessore alla pressione di serraggio e allo spessore che effettivamente realizzerete.
Il metodo di riferimento standard rende questo parametro misurabile. Secondo la norma ASTM D5470, l'impedenza termica viene misurata su un campione a diversi spessori e rappresentata graficamente in funzione dello spessore; la pendenza fornisce la conduttività apparente e l'estrapolazione a spessore zero fornisce la resistenza di contatto aggiunta dall'interfaccia stessa. Il metodo è applicabile a materiali conduttivi sottili su un'ampia gamma di spessori ed è il motivo per cui un confronto serio tra materiali termoconduttivi riporta l'impedenza in funzione della linea di incollaggio, e non un singolo valore di conduttività. Richiedete ai fornitori dati conformi allo standard D5470 per una linea di incollaggio vicina alla vostra e confermateli dopo cicli termici, non solo come prodotto finito.
Materiali di interfaccia termica (TIM) avanzati per l'elettronica di potenza e i pacchi batteria per veicoli elettrici.
I materiali di interfaccia termica (TIM) avanzati sono particolarmente importanti dove il flusso di calore è elevato e i requisiti di affidabilità sono stringenti, ovvero dove si trovano i dispositivi elettronici di potenza e i pacchi batteria. La scelta del materiale in questo caso è una decisione di sistema: l'interfaccia deve resistere alle stesse vibrazioni, umidità e cicli termici a cui è sottoposta l'intera area circostante, senza subire fenomeni di estrusione, essiccazione o fragilità.
Elettronica ad alta potenza e centri dati
Nell'elettronica di potenza, l'interfaccia rappresenta spesso la resistenza limitante dell'intero percorso termico. La stessa rivista *Nanomaterials* del 2022 riporta flussi di calore stazionari dell'ordine di 150-200 W/cm² nell'elettronica integrata di potenza, con carichi transitori che possono superare i 400 W/cm². A tali densità, un'interfaccia scadente limita le prestazioni del dispositivo indipendentemente dalla qualità del dissipatore di calore; pertanto, i processori per data center, gli stadi di potenza per telecomunicazioni e i convertitori sono i settori in cui i materiali di interfaccia termica a bassa impedenza trovano la loro applicazione più vantaggiosa.
Pacchi batteria per veicoli elettrici e percorso dalle celle al liquido di raffreddamento
Nei veicoli elettrici e nei pacchi di accumulo stazionari, il TIM si trova tra le celle o i moduli e una piastra fredda, e bilancia il trasferimento di calore con la struttura e il peso. I riempitivi per le fessure colmano lo spazio irregolare tra le celle e la piastra; gli adesivi termicamente conduttivi aggiungono un legame dove l'interfaccia è anche strutturale. La tensione progettuale è reale: più riempitivo aumenta la conduttività ma irrigidisce il materiale e aggiunge massa, mentre le celle e le lunghe pile di tolleranza limitano la quantità di stress che il giunto può sopportare. Questo è lo stesso percorso termico che sistemi di sicurezza delle batterie e di raffreddamento a liquido dipendono da questo, e un'interfaccia errata si manifesta con celle surriscaldate e temperature non uniformi in tutto il pacco molto prima che si verifichi un guasto vero e proprio.
Conclusione
Il consiglio pratico è di dimensionare l'interfaccia prima di scegliere la conduttività: definire lo spazio e la planarità, lo stress di assemblaggio che le celle possono sopportare e se la giunzione deve isolare o incollare, quindi confrontare i candidati in base all'impedenza termica in quella linea di giunzione, non in base a un valore nominale di W/mK. L'innovazione che conta è un materiale che mantenga tali proprietà durante i cicli termici reali, non il numero più alto su una diapositiva. L'errore più comune in questo campo è quello di considerare la conduttività intrinseca di un riempitivo, gli oltre 2000 W/mK di un nanomateriale di carbonio, come se il TIM finito la mantenesse; il composito non la mantiene mai, e basare la scelta su quel numero porta a interfacce che deludono. Definire prima i vincoli, verificarli con dati di impedenza in stile D5470 e la scelta del materiale diventerà un confronto che si può giustificare.
FAQ
Per un modulo batteria ho bisogno di un riempitivo o di un adesivo termoconduttivo?
La scelta dipende dal fatto che la giunzione debba sopportare un carico strutturale e non solo calore. Un riempitivo per fessure non riutilizzabile è adatto quando l'interfaccia deve solo condurre calore attraverso una fessura irregolare; un adesivo termoconduttivo è più indicato quando la stessa interfaccia deve anche unire celle o moduli alla struttura. Se sono necessari sia il trasferimento di calore che l'incollaggio, la soluzione adesiva è solitamente il punto di partenza, con un compromesso tra conduttività e resistenza dell'adesione.
Quale conduttività termica è realistica per un materiale di interfaccia termica (TIM) monouso rispetto a un TIM al carbonio in scala di laboratorio?
Aspettatevi valori di W/mK bassi, nell'ordine di poche unità, per un materiale di riempimento per intercapedini destinato alla produzione, non le centinaia o migliaia citate per i materiali a base di carbonio utilizzati nella ricerca. I materiali di riempimento polimerici caricati con carbonio si attestano generalmente intorno a 1-5 W/mK, mentre i valori molto elevati citati per i nanotubi di carbonio o il grafene rappresentano proprietà intrinseche del materiale misurate in laboratorio, non le prestazioni effettive di un composito destinato alla produzione in un giunto.
Come si verifica la reale prestazione termica di una pasta termica?
Verificatelo tramite l'impedenza termica sulla linea di incollaggio, in genere utilizzando il metodo ASTM D5470. Questo metodo misura l'impedenza su diversi spessori e separa la conduttività apparente del materiale dalla resistenza di contatto che esso aggiunge, prevedendo il comportamento del giunto con molta più precisione rispetto a un singolo valore di conduttività. Richiedete i dati relativi a una linea di incollaggio simile alla vostra e ricontrollateli dopo i cicli termici.
Un valore di W/mK TIM più elevato può peggiorare una giunzione?
Sì, se il materiale ad alta conduttività non riesce a formare una linea di incollaggio sottile e ben bagnata alla pressione di serraggio. Le prestazioni termiche dipendono dall'impedenza, non solo dalla conduttività, quindi un materiale ad alta W/mK più rigido o più spesso può offrire una maggiore resistenza di contatto rispetto a un materiale più morbido e con una conduttività inferiore che si adatta e si assottiglia correttamente.
Cosa cambia quando si passa da un riempitivo per fessure a base di silicone a uno senza silicone?
I riempitivi senza silicone evitano il degassamento di silossani che alcune formulazioni a base di silicone rilasciano, il quale può contaminare i sensori di umidità o di gas nelle vicinanze, ma modificano il comportamento di erogazione e polimerizzazione. Laddove l'assemblaggio preveda sensori vulnerabili a tale degassamento, la chimica senza silicone riduce questa specifica via di contaminazione; in cambio, si convalida il profilo di polimerizzazione, l'adesione e le proprietà di rilavorazione del nuovo materiale per la propria linea di produzione.
Per approfondire
- ASTM D5470, Metodo di prova standard per le proprietà di trasmissione termica di materiali isolanti elettrici solidi sottili termicamente conduttivi. — ASTM International (standard). Definisce il metodo dell'impedenza termica in funzione dello spessore raccomandato in questo articolo per confrontare i materiali di interfaccia termica (TIM) su una linea di incollaggio reale.
- Recenti progressi nei materiali per l'interfaccia termica per la gestione termica dell'elettronica di potenza — *Nanomaterials*, 2022 (revisione peer-reviewed). Conferma gli intervalli di conduttività dei compositi e i valori di flusso termico di 150–200 W/cm² citati per l'elettronica ad alta potenza.
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