Non esiste un singolo materiale che rappresenti il dissipatore di calore "migliore" per ogni scheda o pacco batterie. La scelta giusta dipende dallo spazio da riempire, dalla necessità che la giunzione mantenga l'isolamento elettrico e dalle modalità di assemblaggio e manutenzione dell'unità. Con chip, moduli di potenza e pacchi batterie per veicoli elettrici/sistemi di accumulo di energia che erogano sempre più watt in spazi ridotti, il calore deve attraversare l'interfaccia tra una sorgente di calore e il suo dissipatore o piastra di raffreddamento più velocemente che mai. Questo articolo confronta quattro famiglie di materiali comunemente utilizzati: pellicola siliconica, grasso siliconico, gel e adesivo per incapsulamento, le stesse famiglie fornite da Trumonytechs. Non si tratta di una tassonomia completa dei materiali di interfaccia, pertanto i riempitivi per intercapedini, i materiali a cambiamento di fase, i nastri e i materiali di interfaccia per saldatura non sono inclusi. Non tratta inoltre la progettazione di circuiti di raffreddamento a liquido attivi né i dati tecnici di modelli specifici.
Perché i materiali per l'interfaccia termica sono migliori dell'intercapedine d'aria
Una giunzione metallo-metallo nuda si surriscalda a causa dell'aria intrappolata, non dei metalli stessi. Anche un dissipatore di calore lavorato e un componente piatto si incontrano solo in punti microscopici in rilievo, quindi solo una frazione dell'area di contatto nominale si tocca effettivamente e il resto rimane un vuoto pieno d'aria. L'aria conduce il calore a soli circa 0,024 W/(m·K), quindi questi vuoti dominano la resistenza termica di contatto e ostacolano il percorso dalla giunzione al liquido di raffreddamento. materiale termoconduttivo sposta quell'aria e collega le due superfici, riducendo la resistenza dell'interfaccia creata dall'aria intrappolata.
La conduttività è il valore principale, ma va letta come un confronto effettuato secondo un metodo comune, non come una garanzia. I fornitori in genere riportano valori misurati secondo lo standard ASTM D5470, che definisce il modo in cui vengono calcolate l'impedenza termica e la conduttività apparente. Senza questa base comune, due materiali con la stessa classificazione possono comportarsi in modo diverso in una giunzione reale. Ciò che il lettore può controllare è la resistenza totale attraverso la linea di incollaggio. Uno strato sottile e ben bagnato con una conduttività moderata può avere prestazioni migliori di uno strato spesso e mal applicato di un composto con una classificazione superiore, quindi è fondamentale verificare le reali condizioni della linea di incollaggio e della superficie prima di fare affidamento su una scheda tecnica.
Quattro materiali di interfaccia e il loro impiego.
Le quattro famiglie qui confrontate sono suddivise in base al fattore di forma, ovvero ciò che identifica un materiale e lo adatta a una giunzione. Pellicole e cuscinetti sono solidi preformati, il grasso è una pasta fluida, il gel è un semisolido morbido non fluido e l'adesivo per incapsulamento polimerizza in una massa protettiva rigida. Queste quattro sono le famiglie trattate in questo articolo, non l'intera gamma di materiali di interfaccia presenti sul mercato. La tabella funge da primo filtro; la sezione successiva li trasforma in un ordine di selezione.
| Materiale | Modulo | vestibilità tipica | Attento |
|---|---|---|---|
| Pellicola/cuscinetto in silicone | Foglio preformato, tagliato a misura | Montaggio ripetibile; i cuscinetti pre-polimerizzati coprono in genere spazi di circa 0,25–5 mm. | Necessita della giusta finestra di compressione |
| grasso al silicone | Pasta fluida, linea di adesione molto sottile | Giunzioni piatte e altamente piane come i coperchi di CPU/GPU o moduli di alimentazione | Svuotamento e asciugatura durante i cicli |
| gel termico | semisolido morbido, non fluido | Vuoti irregolari e spazi di tolleranza sovrapposti senza serraggio rigido | Volume di erogazione; controllo della polimerizzazione per gradi polimerizzabili |
| Adesivo per invasatura | Indurisce materiali rigidi, comunemente a base epossidica | Assemblaggi di sigillatura, fissaggio e protezione | Una volta indurito, non è necessario praticamente alcun intervento. |
Pellicola di silicone termoconduttiva
La ripetibilità su molte unità è ciò che rende un film o un tampone preformato così vantaggioso. Come categoria, un foglio di silicone caricato con riempitivi di ossido metallico può essere tagliato su misura e posizionato manualmente o automaticamente, mantenendo le linee di incollaggio uniformi da un'unità all'altra. I tamponi pre-polimerizzati coprono in genere spazi di circa 0,25-5 mm. Uno strato preformato funziona solo all'interno della sua finestra di compressione, quindi è necessario considerare la pressione di montaggio come un input di progettazione e verificare la classificazione di ogni singolo prodotto anziché leggerla dalla categoria. Trumonytechs fornisce questo modulo come film di silicone termoconduttivo.
Grasso siliconico termoconduttivo
Il grasso si adatta alle giunzioni più piatte e sottili, dove può essere applicato uno strato quasi privo di linee di incollaggio. In generale, una pasta a base di silicone riempie le rugosità microscopiche e conduce a spessori molto ridotti, motivo per cui si trova sotto i coperchi di CPU, GPU e moduli di alimentazione. Il limite noto è il tempo e il movimento. In una giunzione vibrante o montata verticalmente, il grasso a bassa viscosità può fuoriuscire durante i cicli termici e i film sottili possono seccarsi, quindi verificare l'orientamento e il ciclo di utilizzo prima di sceglierlo. Trumonytechs fornisce questo come un grasso siliconico termoconduttivo, e il differenza tra grasso e pasta Si tratta principalmente di formulazioni e riempitivi, non di una classe di materiali a sé stante.
Gel termoconduttivo
Gli spazi irregolari che non possono essere serrati saldamente sono il caso in cui un gel si comporta bene. Come categoria, il gel si comporta come una pasta non fluida con una viscosità maggiore del grasso, quindi riempie i vuoti irregolari e mantiene i componenti con una bassa tensione di assemblaggio. Il controllo del processo è il mestiere da verificare per prodotto: volume di erogazione, reologia e, per i gradi polimerizzabili, comportamento di polimerizzazione, tutti devono essere calibrati in modo che il giunto sia ripetibile. Trumonytechs fornisce un gel termoconduttivo in questa famiglia.
Adesivo termo-conduttivo per l'intaso
La protezione strutturale e ambientale, non solo il trasferimento di calore, è ciò che spinge un progetto verso l'incapsulamento. Come categoria, un composto di incapsulamento, comunemente un epossidico caricato con polvere termoconduttiva, polimerizza in una massa rigida che sigilla, fissa e protegge meccanicamente i componenti, dissipando al contempo il calore. Il compromesso deliberato è la rilavorabilità: una volta polimerizzato, l'assemblaggio è di fatto permanente. Considera l'incapsulamento come una scelta di protezione piuttosto che di manutenzione, adattata agli urti, all'umidità o alle vibrazioni a cui l'unità sarà sottoposta. Trumonytechs fornisce un adesivo termoconduttivo per incapsulamento in questa famiglia.
Abbinamento di un materiale termico a intercapedine, isolamento e assemblaggio
Iniziate la selezione partendo dallo spazio vuoto, non dal valore di conduttività. Misurate l'interfaccia: una giunzione sottile e piatta indica grasso o una pellicola sottile, uno spazio vuoto misurabile e ripetibile indica un tampone, mentre uno spazio vuoto irregolare o dovuto a tolleranze indica un gel o un riempitivo erogato. I grassi e i riempitivi per spazi vuoti commerciali hanno generalmente una conduttività compresa tra pochi W/(m·K) e valori bassi, quindi considerate la conduttività come uno dei tanti criteri di selezione. Uno strato che non aderisce correttamente alla linea di incollaggio reale non fornirà il valore nominale. Verificate prima l'accoppiamento meccanico, quindi confrontate le conduttività solo all'interno della rosa di candidati compatibili.
Decidete quindi i requisiti di isolamento, perché possono prevalere su tutto il resto. Quando una cella o un componente attivo deve rimanere elettricamente isolato da una piastra fredda metallica o da un telaio, lo strato deve fornire rigidità dielettrica e trasferimento di calore. Ciò significa se un dato pad conduce elettricità La conduttività è una proprietà da specificare e verificare, non da dare per scontata. La composizione chimica del materiale di riempimento può rendere elettricamente conduttivo un materiale altrimenti isolante, quindi è necessario verificare ogni materiale o modello candidato in base alla sua rigidità dielettrica, alla tensione di tenuta e alle condizioni di prova prima di selezionarlo in base alla conduttività.
Concludiamo con l'assemblaggio, la manutenzione e il ciclo di lavoro. Le linee automatizzate prediligono i cuscinetti fustellati o i gel dispensabili per la ripetibilità, l'assemblaggio manuale può tollerare il grasso e qualsiasi componente che debba resistere a vibrazioni, montaggio verticale o lunghi cicli termici deve essere testato per la resistenza al pompaggio, all'essiccazione e alla delaminazione. Se il componente necessita anche di sigillatura o ancoraggio meccanico, l'incapsulamento sacrifica la rilavorabilità a favore della protezione.
Conclusione
Il materiale migliore per dissipare il calore nei componenti elettronici è quello che si adatta allo spazio disponibile, alle esigenze di isolamento e al metodo di assemblaggio, non quello con la conduttività nominale più elevata. Definisci prima l'interfaccia, escludi tutto ciò che non soddisfa i requisiti di accoppiamento meccanico o dielettrici e solo successivamente confronta la conduttività e l'affidabilità a lungo termine all'interno della rosa di materiali preselezionati. Nei pacchi batteria per veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia, questa disciplina è fondamentale soprattutto quando vibrazioni e cicli termici sollecitano la giunzione nel corso degli anni di utilizzo. Trumonytechs fornisce pellicole, grassi, gel e adesivi di incapsulamento al silicone per rispondere a queste esigenze e può aiutarti a scegliere il materiale più adatto allo spazio disponibile e alla specifica applicazione nel percorso tra cella e liquido di raffreddamento.
FAQ
Che cos'è un materiale di interfaccia termica e perché non avvitare semplicemente i pezzi insieme?
Un materiale di interfaccia termica riempie gli interstizi d'aria microscopici che rimangono anche quando due superfici sono serrate saldamente. Poiché l'aria intrappolata è un forte isolante con una costante dielettrica di circa 0,024 W/(m·K), questi interstizi dominano la resistenza di contatto; il materiale sposta l'aria in modo che il calore possa trasferirsi dalla sorgente al dissipatore di calore o alla piastra fredda.
Qual è la differenza tra grasso termico e gel termico?
Il grasso è una pasta fluida adatta a giunzioni molto sottili e piane, mentre il gel è un semisolido più morbido e non fluido, ideale per spazi irregolari. Il grasso ha una buona conduttività anche con linee di incollaggio minime, ma può fuoriuscire a causa delle vibrazioni; il gel tollera superfici irregolari e mantiene i pezzi in posizione senza bisogno di serraggi rigidi, a scapito però del volume di erogazione e, per i tipi polimerizzabili, del controllo della polimerizzazione.
Quando è preferibile utilizzare un adesivo per vasi piuttosto che un tampone o un gel?
Scegliete l'adesivo per incapsulamento quando l'assemblaggio necessita di sigillatura, fissaggio e protezione meccanica oltre che di dissipazione del calore. Polimerizza in una massa rigida e protettiva adatta ad alimentatori, batterie, trasformatori e induttori, ma rinuncia alla possibilità di rilavorazione, quindi è una scelta dettata dalla necessità di proteggere piuttosto che di effettuare riparazioni.
Quale materiale resiste alla fuoriuscita del farmaco in una confezione vibrante?
Un materiale preformato o polimerizzato, come un tampone o un gel polimerizzato, resiste meglio alla fuoriuscita del grasso rispetto a un grasso a bassa viscosità. Negli assemblaggi montati verticalmente o soggetti a vibrazioni, il grasso può migrare fuori dalla giunzione a causa dei cicli termici, pertanto è necessario valutare l'orientamento e la sollecitazione ciclica dell'interfaccia prima di selezionarlo.
Per approfondire
- Recenti progressi nei materiali per l'interfaccia termica per la gestione termica dell'elettronica di potenza (Nanomateriali, 2022) — Revisione paritaria. Supporta il meccanismo dell'intercapedine d'aria e gli intervalli di conduttività alla base della selezione del materiale di interfaccia.
- Progressi recenti nella progettazione e preparazione di materiali per la gestione termica a base di polimeri (Polimeri, 2021) — Revisione paritaria. Informazioni di base su come la scelta del riempitivo e la matrice polimerica determinano la conduttività e le proprietà isolanti di questi materiali.
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