I materiali per l'interfaccia termica nelle applicazioni di elettronica di potenza trasportano il calore attraverso il contatto imperfetto tra un semiconduttore di potenza e il suo dissipatore di calore o piastra di raffreddamento. La scelta del materiale è una decisione di sistema, non una semplice ricerca del valore più alto in una scheda tecnica. Due superfici piane che sembrano piatte si toccano solo in una piccola frazione della loro area. L'aria intrappolata negli spazi rimanenti conduce male, con una conduttività termica di circa 0,025 W/m·K, quindi è necessario un materiale migliore per sostituirla. Una revisione scientifica sull'elettronica di potenza riporta flussi di calore stazionari dell'ordine di 150-200 W/cm² e transitori pulsati superiori a 400 W/cm². A questi flussi, un'interfaccia sottile e non ben adattata può dominare l'aumento di temperatura, anche quando tutti gli altri strati sono progettati con cura. Le sezioni seguenti illustrano la funzione dell'interfaccia, perché la sola conduttività può essere fuorviante, quali famiglie di materiali sono disponibili e come lo spessore dello spazio, l'isolamento, la polimerizzazione e il metodo di assemblaggio determinano la risposta.
Qual è la funzione di un materiale di interfaccia termica in uno stack di elettronica di potenza?
Il materiale di interfaccia termica occupa l'unico strato in una pila di moduli di potenza che, a differenza delle leggi della fisica, permette di controllare durante l'assemblaggio. Il calore fuoriesce dal die e attraversa il chip, il substrato (spesso uno strato di rame incollato direttamente) e la piastra di base, per poi raggiungere il dissipatore di calore o la piastra di raffreddamento a liquido. Ciascuno di questi strati ha un materiale e una geometria fissi una volta che il modulo è assemblato. La giunzione tra la piastra di base e il dissipatore di calore è diversa: viene riempita durante l'assemblaggio e la sua resistenza dipende dalla qualità del riempimento. Poiché è variabile e spesso difficilmente controllabile, questa giunzione contribuisce frequentemente al percorso termico totale. L'entità di tale contributo dipende dalla specifica pila, quindi è consigliabile verificarla tramite misurazioni anziché basarsi su supposizioni.
L'interfaccia è importante perché la resistenza di contatto aumenta con la quantità di area effettiva di contatto metallo-metallo, e le superfici lavorate meccanicamente ne offrono poca. La rugosità superficiale, la deformazione dovuta alla saldatura e il tipo di serraggio lasciano vuoti microscopici e macroscopici. Un materiale termoconduttivo (TIM) riempie questi vuoti, permettendo al calore di essere condotto attraverso un materiale solido anziché disperdersi nell'aria. Lo stesso modulo di potenza può quindi funzionare a temperature significativamente più basse o più alte a seconda di cosa riempie quello spazio e di come è stato applicato. Verificate l'entità di questo effetto sul vostro stack misurando la temperatura del case o della giunzione sotto carico.
Perché una maggiore conduttività da sola non è sufficiente ad abbassare la temperatura di giunzione
Puntare alla massima conduttività termica di massa è un modo comune per spendere troppo e non raggiungere comunque l'obiettivo di temperatura. Il valore che raggiunge la giunzione rappresenta la resistenza termica dell'intero giunto. Tale resistenza dipende dallo spessore dello strato di incollaggio e dalla resistenza di contatto almeno quanto dalla conduttività del materiale. Una pasta ad alta conduttività applicata con uno spessore eccessivo può risultare meno efficace di un materiale di qualità inferiore utilizzato correttamente, così come un tampone rigido che non si adatta alla forza di serraggio disponibile.
Lo spessore della linea di incollaggio è un fattore che si tende a sottovalutare. I grassi possono essere compressi fino a decine di micron. Un pad di giunzione deve spesso essere molto più spesso per colmare un'interfaccia irregolare e la resistenza aumenta approssimativamente con tale spessore. Per i moduli ad alta potenza, un obiettivo comune è una bassa resistenza di giunzione, spesso indicata come inferiore a circa 1,0 kΩ·cm²/W. Considerate questo valore come variabile dipendente dalle condizioni, non come uno standard. Lo si raggiunge adattando la conformità e l'applicazione del materiale alla reale distanza tra i componenti, non leggendo il valore più alto di W/m·K disponibile. Verificate il risultato misurando la resistenza installata o la temperatura del case sotto carico, perché la conduttività di massa, considerata isolatamente, non è predittiva delle prestazioni dell'assemblaggio.
Famiglie di TIM utilizzate nell'elettronica di potenza e i relativi compromessi
Ogni famiglia di TIM bilancia le prestazioni termiche con la tolleranza dello spazio, il comportamento elettrico e la rilavorabilità. Ecco perché la famiglia giusta deriva dall'interfaccia prima ancora che da una specifica di conduttività. tipi e caratteristiche La sovrapposizione è sufficiente affinché lo spazio e l'assemblaggio siano solitamente decisivi nella scelta, non la conduttività principale. La tabella fornisce intervalli tipici, dipendenti dalle condizioni, per confrontare le famiglie in base alle dimensioni che influenzano la decisione.
| Famiglia TIM | Conduttività volumetrica (W/m·K) | direzione del flusso di calore | Linea di incollaggio/spazio tipico | Isolante elettrico? | Rilavorabile? | Ideale per l'elettronica di potenza |
|---|---|---|---|---|---|---|
| grasso/pasta termica | ~2–10 (livelli avanzati superiori) | Piano di transito | Decine di micron sotto pressione | Dipendente dal grado scolastico | Limitato; rischio di sporco e svuotamento accidentale | Giunzioni piatte e ben serrate tra modulo e piastra fredda |
| Pad di riempimento | ~1–5 | Piano di transito | Frazioni di un millimetro fino a pochi millimetri | Gradi isolanti disponibili | SÌ | Spazi irregolari, pressione di assemblaggio inferiore |
| Materiale a cambiamento di fase | Dipendente dal grado scolastico | Piano di transito | Sottile, autolivellante sopra la transizione | Dipendente dal grado scolastico | Semipermanente | Giunti piatti ad alta potenza che necessitano di una resistenza bassa e ripetibile |
| Riempitivo per spazi vuoti (erogato) | ~1–4 | Piano di transito | Si conforma allo spazio | Dipendente dal grado scolastico | Limitato una volta guarito | Tolleranze ampie o irregolari |
| Adesivo termoconduttivo | ~1–4 (gradi di specializzazione superiori) | Piano di transito | Da sottile a moderato | Dipendente dal grado scolastico | No — legame strutturale | Quando è richiesto un legame strutturale |
| Grafite / pellicola di carbonio | Elevato nel piano; inferiore nel piano trasversale | Diffusione sul piano | Molto sottile | Spesso conduttivi elettricamente | Moderato | Giunti sottili e piatti dove la divaricazione laterale aiuta |
La resistenza del giunto installato è il parametro che determina la temperatura di giunzione. I valori pubblicati non sono riportati in modo uniforme per queste famiglie di componenti, quindi è opportuno considerare la colonna della conduttività come una guida di ordine di grandezza e verificare la resistenza una volta installato il giunto. Grassi e materiali a cambiamento di fase sono adatti per interfacce piane e saldamente serrate, dove raggiungono una sottile linea di adesione e mantengono una bassa resistenza sotto carico. Tamponi e riempitivi per intercapedini sono indicati quando l'intercapedine è più ampia o irregolare e la forza di serraggio è limitata. Questi materiali sacrificano parte della conduttività a favore della flessibilità necessaria per riempire lo spazio senza sollecitare eccessivamente il modulo. I materiali adesivi aggiungono un'adesione strutturale o una tolleranza alle vibrazioni laddove il giunto deve sopportare un carico, a scapito della possibilità di rilavorazione.
Abbinamento di un materiale termoconduttivo all'interfaccia: spazio, planarità, stress di assemblaggio e automazione.
Iniziate la selezione partendo dallo spazio e dalla planarità dell'interfaccia. Questi parametri definiscono la conformità necessaria al materiale prima che valga la pena confrontare la conduttività. Una giunzione con tolleranze di poche decine di micron e serrata saldamente si presta all'applicazione di un sottile strato di grasso o di un film a cambiamento di fase. Una piastra di base deformata o una pila con tolleranze ampie richiedono un cuscinetto di riempimento o un materiale di riempimento erogato che si adatti senza bisogno di pressione elevata. Misurate lo spazio reale e la sua variazione sull'area di contatto, non il valore nominale di progetto, perché tale misurazione spesso altera il risultato.
Le sollecitazioni durante l'assemblaggio possono escludere silenziosamente materiali altrimenti validi. Un pad rigido ad alta conduttività può trasmettere forza attraverso un modulo SiC o IGBT di grandi dimensioni. Se tale forza sia sufficiente a deformare il substrato o a affaticare le saldature a seguito di cicli termici dipende dalla costruzione del modulo e dal design del morsetto. Richiedete al fornitore i dati di compressione-deformazione e confrontateli con la forza che il vostro progetto meccanico può effettivamente applicare. L'opzione più flessibile è talvolta la più affidabile, anche a parità di conduttività.
Il metodo di automazione determina quali materiali mantengono la ripetibilità su larga scala. I riempitivi per intercapedini erogati e i grassi applicati tramite serigrafia sono adatti alle linee automatizzate e consentono il controllo della linea di incollaggio unità per unità. I tamponi applicati manualmente sacrificano parte di questo controllo a favore di strumenti più semplici. Un materiale che un tecnico applica correttamente a mano può variare maggiormente una volta applicato su larga scala, quindi è fondamentale validare il metodo di applicazione con dati di linea di incollaggio o di resistenza unità per unità prima di adottarlo. Quando interfaccia, intercapedine, isolamento e processo sono tutti in gioco, è la classificazione di questi vincoli che rende la scelta giustificabile, non la classificazione in base alla conduttività.
Isolamento elettrico, polimerizzazione e affidabilità in condizioni di cicli termici
Innanzitutto, è fondamentale definire il ruolo elettrico dell'interfaccia, poiché questo può escludere intere famiglie di materiali. Laddove il TIM si trova tra una piastra di base sotto tensione e un dissipatore di calore collegato a terra e fornisce isolamento, deve essere elettricamente isolante con un margine adeguato. I materiali isolanti sono generalmente classificati per rigidità dielettrica di diversi kV/mm. Il valore utilizzabile dipende dal prodotto specifico e dallo spessore, quindi è necessario verificarlo nella scheda tecnica. Laddove l'isolamento è gestito altrove nello stack, si aprono opzioni elettricamente conduttive come materiali caricati con metallo o grafite. Il problema di progettazione diventa quindi quello di mantenerli lontani dalle piste vicine.
Il comportamento di polimerizzazione e adesione determina se il giunto è riparabile. Grassi, gel e tamponi non polimerizzanti consentono di riparare o sostituire un modulo. Un adesivo termoconduttivo polimerizza formando un legame strutturale che resiste alle vibrazioni, ma in genere non è riparabile senza danneggiare il giunto, a seconda dell'adesivo. Scegliere un materiale polimerizzante solo quando l'adesione è un requisito fondamentale, poiché influisce sulla riparazione, sulla gestione della garanzia e sulla rilavorazione della linea.
L'affidabilità nel corso dei cicli termici è il punto in cui una buona misurazione iniziale può comunque fallire durante l'utilizzo. I grassi possono subire fenomeni di pompaggio e essiccazione a causa delle ripetute espansioni e contrazioni che rimuovono il materiale dal giunto. I cuscinetti possono subire una deformazione permanente da compressione e coefficienti di dilatazione termica non corrispondenti possono causare delaminazione o vuoti che aumentano la resistenza nel tempo. La velocità con cui questi fenomeni si manifestano dipende dalla composizione chimica del materiale, dalla pressione di serraggio, dalla linea di incollaggio, dall'intervallo di temperatura e dal profilo di ciclo a cui è sottoposto il componente; pertanto, è necessario considerarli come rischi da qualificare, non come certezze. La norma ASTM D5470 fornisce una base comune per la misurazione del trasferimento di calore in regime stazionario e della resistenza termica in condizioni specificate. Non riproduce l'invecchiamento, quindi è necessario integrarla con i dati di pompaggio e di cicli termici relativi alle temperature effettivamente raggiunte dai componenti elettronici di potenza.
Applicazione di materiali di interfaccia termica (TIM) lungo il percorso cella-liquido di raffreddamento nei pacchi batteria per veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia.
In un pacco batterie per veicoli elettrici o sistemi di accumulo di energia, un materiale termoconduttivo (TIM) è presente in più di un percorso termico, e questi percorsi non costituiscono una singola catena in serie. Le celle dissipano il calore attraverso la propria interfaccia verso una piastra di raffreddamento o una struttura di raffreddamento: cella-TIM-piastra di raffreddamento. L'elettronica di potenza forma un percorso separato, dove la giunzione del semiconduttore trasferisce il calore attraverso il suo package e la piastra di base, attraverso un TIM, e verso un dissipatore di calore o una piastra di raffreddamento. L'inverter di trazione e i suoi moduli IGBT o SiC non sono uno strato obbligatorio tra le celle e il liquido di raffreddamento. Rappresentano un carico in parallelo sulla stessa architettura di raffreddamento. Se scelte correttamente, entrambe le interfacce mantengono la resistenza del proprio percorso entro i limiti previsti durante il ciclo di lavoro del pacco batterie.
La forma dell'interfaccia varia a seconda della posizione, quindi è necessario verificarla rispetto all'effettiva confezione e al montaggio, anziché darla per scontata. Le piastre di base dei moduli di potenza, fissate saldamente, possono presentare giunzioni piatte e ben controllate, dove un sottile strato di grasso o un film a cambiamento di fase risultano efficaci. I componenti elettronici e le schede di controllo lato batteria presentano più spesso spazi irregolari, adatti a riempitivi e cuscinetti comprimibili, ma è fondamentale verificare la planarità, il fissaggio e lo spazio sull'assemblaggio reale. L'abbinamento di ciascuna interfaccia al relativo sistema di raffreddamento è ciò che fa la differenza a livello di pacco batteria, perché anche la piastra di raffreddamento meglio lavorata risulta inutile se la giunzione che la alimenta è spessa o presenta vuoti. Trumonytechs sviluppa materiali per interfacce termiche e piastre di raffreddamento a liquido abbinate per il raffreddamento di pacchi batteria e componenti elettronici di potenza; Scopri le nostre soluzioni TIM per abbinare un riempitivo, un tampone o un materiale erogato al componente di raffreddamento contro cui si appoggia. La stessa disciplina si applica ovunque si trovi l'elettronica di potenza, da un inverter per veicoli a pacchi batteria per l'accumulo di energia nei data center, dove il ciclo di lavoro e la variazione del gap determinano il materiale più di qualsiasi singolo valore di conduttività.
Conclusione
L'interfaccia, non la scheda tecnica, dovrebbe determinare il materiale per l'interfaccia termica dei componenti elettronici di potenza. Prima di selezionare un materiale, è necessario definire quattro vincoli: lo spazio tra i componenti e la sua variazione, la forza di serraggio consentita dal progetto meccanico, la necessità di isolamento del giunto e la sua funzionalità nel tempo. Questi criteri restringono la gamma di opzioni, e solo in caso di parità la conduttività diventa determinante. Considerare un elevato valore W/m·K come obiettivo finale è un errore, perché lo spessore della linea di saldatura, la resistenza di contatto e il comportamento ciclico sono ciò che effettivamente sollecita il giunto. Confermare la scelta in base alla resistenza installata o alla temperatura dell'involucro sotto carico reale. Infine, qualificare i grassi per il pompaggio durante la vita utile del pacco in base a un numero di cicli, un intervallo di temperatura, condizioni di serraggio e criteri di guasto definiti, non a un valore di durata generico.
FAQ
Per un modulo IGBT ho bisogno di un pad termico o di pasta termica?
Scegliete la pasta termica in base al tipo di giunzione, non al nome del modulo. La pasta termica è adatta a una piastra di base IGBT piatta e saldamente fissata perché raggiunge una sottile linea di giunzione. Un pad termico è più indicato per spazi irregolari o per progetti con forza di serraggio limitata. La pasta termica offre una minore resistenza quando l'interfaccia è compatibile; un pad termico sacrifica parte della conduttività a favore della flessibilità e di un posizionamento più semplice e ripetibile.
Di quale conduttività termica ho effettivamente bisogno per un modulo di potenza in SiC?
L'obiettivo utile è una bassa resistenza di giunzione installata, non un singolo valore di conduttività, perché lo spessore della linea di incollaggio e la resistenza di contatto sono spesso più importanti. Per i moduli ad alta potenza, una resistenza di giunzione inferiore a circa 1,0 kΩ·cm²/W è un obiettivo comune. Si tratta di un obiettivo dipendente dalle condizioni, raggiunto adattando la conformità e l'applicazione del materiale al gap reale, non acquistando il valore W/m·K più alto disponibile sul mercato.
Posso utilizzare un materiale a cambiamento di fase al posto del grasso per i moduli ad alta potenza?
Spesso sì. I materiali a cambiamento di fase vengono spesso scelti per giunzioni piane ad alta potenza perché si ammorbidiscono al di sopra della loro temperatura di transizione e formano una linea di adesione sottile e a bassa resistenza. Mentre il grasso applicato manualmente varia da un'unità all'altra, una pellicola a cambiamento di fase può mantenere una linea di adesione più uniforme, anche se è necessario verificarlo per il proprio prodotto e processo. Il compromesso è che la pellicola è semipermanente e necessita di un'interfaccia piana e ben fissata per funzionare correttamente.
Quanto deve essere spesso lo strato di adesione dell'interfaccia termica?
L'obiettivo è ottenere la linea di incollaggio più sottile possibile, riempiendo al contempo ogni spazio vuoto, poiché la resistenza aumenta con lo spessore. Grassi e pellicole a cambiamento di fase possono raggiungere decine di micron sotto pressione su una giunzione piana, mentre uno spazio irregolare richiede un tampone o un riempitivo più spesso. Misurare lo spazio effettivo sull'area di contatto anziché affidarsi al valore nominale.
Un materiale di interfaccia termica (TIM) per l'elettronica di potenza deve essere elettricamente isolante?
Solo quando l'interfaccia stessa fornisce isolamento tra una piastra di base sotto tensione e un dissipatore di calore collegato a terra, deve essere isolante con un margine dielettrico adeguato alla tensione applicata e allo spessore. Quando l'isolamento viene gestito altrove nella pila, i materiali elettricamente conduttivi diventano un'opzione, ma in tal caso il progetto deve garantire che siano distanti dai conduttori adiacenti.
Per approfondire
- Recenti progressi nei materiali per l'interfaccia termica per la gestione termica dell'elettronica di potenza — revisione paritaria (Micromachines, tramite NCBI PMC). Conferma i valori del flusso di calore ad alta potenza e gli intervalli di conduttività utilizzati per inquadrare i compromessi sui materiali sopra descritti.
- I materiali di interfaccia termica (TIM) avanzati contribuiscono a superare le sfide termiche legate all'elevata densità di potenza. — Media tecnici di settore (Progettazione elettronica). Informazioni di base su come i materiali per l'interfaccia termica affrontano la crescente densità di potenza nei moderni moduli di elettronica di potenza.
