I materiali per l'interfaccia termica privi di silicone trovano impiego nei pacchi batteria laddove la fuoriuscita o il degassamento del silicone metterebbero a rischio il percorso termico tra la cella e il liquido di raffreddamento. Per un ingegnere termico specializzato in pacchi batteria, la questione è circoscritta: questo assemblaggio contiene superfici, sensori o giunzioni incollate che la contaminazione da silicone può degradare? E una chimica priva di silicone può mantenere la conduttività termica attraverso gli spazi e l'invecchiamento a cui il modulo sarà soggetto? Questo articolo illustra i progressi compiuti nel campo dei materiali privi di silicone. materiali di interfaccia termica, come si confrontano con i tipi al silicone in base alle variabili che ne determinano la selezione e dove si inseriscono in un veicolo elettrico raffreddato a liquido o in un pacco batterie.
Perché la fuoriuscita di silicone e il degassamento minacciano il percorso termico della batteria
La modalità di guasto ricorrente nei materiali di interfaccia termica a base di silicone è la migrazione. I silossani a basso peso molecolare possono volatilizzarsi o trasudare sotto l'effetto del calore, della compressione e della bassa pressione, per poi ridepositarsi sulle superfici circostanti. In un modulo batteria, il percorso del calore va dalla parete della cella attraverso il materiale di interfaccia fino a una piastra di raffreddamento. L'olio che si infiltra sulla superficie di tenuta della piastra di raffreddamento, sulla lente di un sensore o su un circuito stampato può quindi ridurre la resistenza superficiale e la tensione di rottura, oppure interferire con le successive operazioni di incollaggio e pulizia. Diverse fonti di materiali descrivono lo stesso meccanismo, il che lo rende un vincolo di progettazione da tenere in considerazione negli assemblaggi sensibili al silicone.
Il controllo della contaminazione è la ragione pratica per cui una linea di produzione potrebbe specificare l'utilizzo di prodotti chimici privi di silicone. Quando i processi a base di silicone e quelli senza silicone condividono gli stessi utensili, il silossano rilasciato può contaminare le saldature e gli incollaggi su parti non correlate. Un team potrebbe quindi optare per formulazioni prive di silicone e a basso contenuto di VOC (composti organici volatili) quando le normative di incollaggio o di pulizia a valle sono stringenti. Il fattore determinante è la pulizia del processo e la riparabilità. Le affermazioni secondo cui il silicone è tossico a un limite fisso di parti per milione non sono supportate in questo contesto e dovrebbero essere verificate da un ente di normazione prima di essere ripetute.
Il silicone è ancora adatto alla maggior parte dell'elettronica generale, quindi la scelta è basata sullo scenario. Quando un modulo non ha ottiche esposte, sensori sensibili alle perdite e collegamenti a valle che l'olio fuoriuscito potrebbe rovinare, i materiali siliconici convenzionali come un grasso siliconico termoconduttivo I cuscinetti in silicone rimangono comunque una soluzione valida. La necessità di eliminare il silicone aumenta man mano che un assemblaggio include superfici sensibili alla contaminazione o norme igieniche più rigorose.
Quali cambiamenti "senza silicone" nella chimica TIM
“La dicitura "senza silicone" si riferisce alla matrice, non al riempitivo, quindi la parte del materiale responsabile della conduzione termica rimane sostanzialmente invariata. Questi sistemi sostituiscono la struttura di base in polisilossano con polimeri acrilici, poliuretanici o modificati con gruppi sililici. La conducibilità termica deriva comunque da riempitivi ceramici o metallici dispersi nella matrice. Pertanto, l'eliminazione del silicone non modifica di per sé la conducibilità; ciò che conta è la composizione chimica e la quantità del riempitivo.
Le opzioni di formato rispecchiano in gran parte la gamma di silicone, il che mantiene familiari i metodi di assemblaggio. Le sostanze chimiche senza silicone sono disponibili come riempitivi per spazi vuoti, cuscinetti per spazi vuoti, adesivi termoconduttivi e grassi. Un team può solitamente replicare un processo esistente, sia che si tratti di erogare un riempitivo formabile in loco o di posizionare elementi fustellati pastiglie termiche. Il comportamento di polimerizzazione varia in base alla composizione chimica: alcuni sistemi senza silicone non polimerizzano e consentono l'accensione immediata, mentre gli adesivi reattivi bicomponenti sacrificano il tempo di lavorazione a favore della resistenza del legame strutturale.
Le chimiche in fase di ricerca mirano a incrementare la conduttività attraverso la progettazione della rete di riempitivo. I sistemi in fase di studio includono percorsi ceramici o di carbonio orientati, matrici di poli(liquidi ionici) esplorate per l'adesione interfacciale e materiali per interfaccia termica liquida che combinano metallo liquido con particelle solide per tenere insieme una rete conduttiva. Queste sono indicazioni da tenere d'occhio, non specifiche definitive. Considerate qualsiasi valore di conduttività o modulo riportato come non confermato finché non sia supportato da una scheda tecnica e da una seconda fonte.
MIM senza silicone vs. MIM al silicone: compromessi da valutare
I materiali privi di silicone tendono a migliorare la resistenza alla contaminazione e il comportamento dielettrico, ma possono compromettere la conformità a lungo termine; ogni caratteristica richiede una verifica a livello di singolo materiale. La tabella elenca le caratteristiche tipiche e i rischi da verificare sulla scheda tecnica, non le proprietà fisse della famiglia di materiali. Il valore in ogni cella dipende dal materiale specifico e dalle relative condizioni di prova.
| Variabile | A base di silicone (tipico) | Senza silicone (in genere, verificare la classificazione) |
|---|---|---|
| Contaminazione / degassamento | Rilascio e migrazione di silossani sotto calore e compressione | Sanguinamento inferiore laddove la migrazione del silossano rappresenta il rischio determinante |
| Comportamento dielettrico | Adeguato; può variare con l'invecchiamento | Per alcuni modelli testati è stato riscontrato un migliore isolamento. |
| Comportamento dopo l'invecchiamento ad alta temperatura | Spesso rimane viscoelastico | Alcuni gradi testati si induriscono o si fragilizzano |
| Conducibilità termica | Impostato dal riempitivo, non dalla matrice | Impostato dal riempitivo, non dalla matrice |
| Intervallo di temperatura | Ampio, dipendente dalla chimica | Dipende dal livello scolastico; verificare sulla scheda tecnica |
Il comportamento all'invecchiamento è il compromesso più spesso frainteso, quindi necessita di un percorso di verifica. In un test di invecchiamento a 125 °C per 2.000 ore, condotto secondo lo standard JEDEC JESD22-A103E e pubblicato sulla rivista *Materials*, un riempitivo per intercapedini privo di silicone si è indurito, mentre il materiale a base di silicone è rimasto viscoelastico. Il campione privo di silicone ha inoltre mostrato un comportamento dielettrico migliore per applicazioni critiche di isolamento. Questo risultato si applica ai due gradi testati in quelle condizioni di invecchiamento. Non si estende a tutti i prodotti privi di silicone o ai cicli termici ad alta e bassa temperatura. Il passo pratico consiste nel qualificare la durezza e il comportamento della linea di incollaggio dopo l'invecchiamento per il grado specifico, senza dare per scontato che siano validi.
I confronti di conduttività sono portatori del più grande mito, ed è opportuno correggerlo subito. Perché conduttività termica del gap pad A seconda del tipo di riempitivo e della sua concentrazione, un grasso senza silicone non è intrinsecamente più o meno conduttivo di uno con silicone. Entrambi possono essere formulati in un'ampia gamma di valori. Qualsiasi affermazione secondo cui i materiali senza silicone superino automaticamente le prestazioni del grasso o dei cuscinetti in silicone deve essere interpretata come specifica per il singolo tipo di grasso.
Adattamento di un TIM privo di silicone al percorso dalla cella al liquido di raffreddamento
La scelta di un TIM senza silicone per un pacco batterie inizia con la valutazione dello spazio tra la cella o il modulo e la piastra di raffreddamento, poiché questo determina la classe del materiale. È fondamentale che lo spazio tra la cella o il modulo e la piastra di raffreddamento corrispondano alla compliance del materiale. Spazi ampi e irregolari favoriscono un riempitivo conformabile che riempie i vuoti a bassa pressione, mentre interfacce sottili e piatte possono essere realizzate con un pad più sottile o una pellicola erogata. Un'errata corrispondenza in questo caso si manifesta con aria intrappolata e punti caldi, quindi è necessario verificare lo spazio massimo consentito prima di definire il formato.
Lo stress di assemblaggio e l'automazione influenzano il formato tanto quanto i parametri termici. Un riempitivo a basso modulo senza silicone che si comprime fino a una linea di incollaggio minima senza sovraccaricare le celle delicate può essere più vantaggioso di una conduttività leggermente superiore che richiede un'elevata forza di serraggio. Un materiale modellabile in situ, inoltre, si adatta meglio alle linee di confezionamento automatizzate rispetto ai tamponi posizionati manualmente. Laddove l'interfaccia sopporta anche un carico strutturale, un adesivo termoconduttivo senza silicone sposta la decisione verso la resistenza dell'incollaggio e il tempo di polimerizzazione, che a sua volta limita il takt time.
La polimerizzazione, la funzionalità e l'isolamento completano la selezione e si ricollegano agli obiettivi del ciclo di vita del pacco. Un riempitivo non polimerizzante consente di eseguire immediatamente un test di potenza della linea. Un adesivo reattivo blocca in posizione ma complica la rilavorazione e lo smontaggio a fine vita, un vincolo importante poiché i pacchi sono progettati per sicurezza della batteria e raffreddamento a liquido, manutenibilità e riciclo. Poiché la maggior parte delle interfacce del pacco deve anche isolare elettricamente la cella dalla piastra fredda, è necessario verificare la rigidità dielettrica della linea di incollaggio invecchiata e compressa, utilizzando i test meccanici, geometrici e dielettrici appropriati per ciascuna proprietà. Un test di invecchiamento come JEDEC JESD22-A103E definisce le condizioni di conservazione prima e dopo le quali vengono eseguiti questi test separati. Da solo non misura la durezza, lo spessore della linea di incollaggio o la rigidità dielettrica. Verificare insieme queste quattro variabili garantisce che la scelta senza silicone sia valida per tutta la durata del modulo.
Dove si adattano le membrane timpaniche senza silicone
La chimica senza silicone si adatta laddove le norme igieniche e i vincoli di produzione già escludono l'uso del silicone. I pacchi batteria per veicoli elettrici e per l'accumulo di energia ne sono un esempio. Quando un progetto mira a temperature delle celle prossime alla temperatura ambiente e considera le escursioni prolungate verso i limiti superiori delle celle come un rischio per la vita e la sicurezza, il materiale di interfaccia deve resistere ai cicli termici senza contaminare le piastre di raffreddamento, i sensori o le giunzioni incollate. I sistemi di accumulo di energia delle batterie affrontano le stesse problematiche su scala maggiore, pertanto i riempitivi e gli adesivi senza silicone sono una soluzione comune nella progettazione termica dei pacchi batteria.
Oltre alle batterie, la stessa logica vale per qualsiasi assemblaggio sensibile al silicone. Componenti ottici, sensori, dispositivi medicali e componenti aerospaziali possono essere intolleranti a perdite o degassamento, pertanto i materiali privi di silicone vengono utilizzati in questi ambiti per il problema della contaminazione che si verifica all'interno di un pacco batterie. La logica ingegneristica rimane valida anche se i vincoli di temperatura e di spazio variano a seconda dell'applicazione.
Sul fronte della scienza dei materiali, i progressi a breve termine sono incrementali e guidati dai materiali di riempimento. Il rinforzo con nanofiller, i percorsi conduttivi orientati e gli ibridi a metallo liquido mirano tutti ad aumentare la conduttività mantenendo la conformità, e ognuno di essi deve ancora affrontare gli stessi requisiti di qualificazione in termini di invecchiamento, isolamento e producibilità. Il monitoraggio di questi dati di qualificazione è un indicatore più affidabile dei progressi rispetto ai valori nominali di conduttività.
Conclusione
Il criterio fondamentale per la scelta dei materiali di interfaccia termica senza silicone è che la loro selezione si basa innanzitutto su criteri di contaminazione e pulizia, e solo in secondo luogo sulla conduttività. È opportuno specificarli quando un pacco batterie presenta superfici sensibili al silicone, rigide normative di produzione o esigenze di funzionalità e isolamento che la fuoriuscita di silicone potrebbe compromettere; è invece preferibile utilizzare il silicone laddove non sussistano tali problematiche. La proprietà più spesso fraintesa è l'invecchiamento. Poiché alcune tipologie di materiali senza silicone si induriscono nel tempo, è necessario quantificare la durezza, lo spessore della linea di incollaggio e la rigidità dielettrica specifici per ciascuna tipologia. Utilizzare come riferimento un'esposizione all'invecchiamento da stoccaggio riconosciuta, come ad esempio la norma JEDEC JESD22-A103E, e i test meccanici e dielettrici appropriati per le misurazioni. L'abbinamento del materiale all'intercapedine, alle sollecitazioni di assemblaggio, alla polimerizzazione e all'isolamento lungo il percorso termico è il punto di forza dei materiali di interfaccia Trumonytechs e dei design delle piastre di raffreddamento.
FAQ
Per riempire gli spazi vuoti di un pacco batterie per veicoli elettrici, ho bisogno di un sigillante senza silicone, oppure il silicone è accettabile?
La sensibilità alla contaminazione è il fattore determinante, non la batteria in sé. Specificare un materiale di riempimento privo di silicone quando il pacco batterie presenta sensori sensibili al sanguinamento, superfici di tenuta o giunzioni incollate, oppure quando la linea di produzione impone normative a basso contenuto di VOC e prive di silicone. Qualora nessuna di queste condizioni si applichi, un materiale siliconico ben scelto può comunque garantire prestazioni adeguate.
Un materiale di interfaccia termica privo di silicone perde la sua conduttività termica o diventa fragile dopo l'invecchiamento termico?
Alcuni tipi di materiale si induriscono con il tempo, quindi questo aspetto deve essere verificato per il prodotto specifico. Uno studio pubblicato secondo la norma JEDEC JESD22-A103E, condotto per 2.000 ore ad alta temperatura e con un tempo di conservazione di 125 °C, ha rilevato che un riempitivo per intercapedini privo di silicone si indurisce, mentre uno a base di silicone rimane viscoelastico. Per questo motivo, il comportamento meccanico e dielettrico dopo l'invecchiamento deve essere qualificato per ogni singolo tipo di materiale.
Il degassamento del silicone può contaminare la piastra di raffreddamento, le celle o il PCB di un modulo?
Sì, e questo rischio è la ragione principale per cui esistono materiali privi di silicone. I silossani a basso peso molecolare possono migrare, sotto l'effetto del calore e della compressione, sulle superfici di tenuta, sui sensori o sui circuiti stampati, riducendo la resistenza superficiale e la tensione di rottura, oppure compromettendo l'incollaggio e la pulizia successivi.
I materiali di interfaccia termica (TIM) senza silicone sono sempre più conduttivi di quelli al silicone?
No; la conduttività dipende dal tipo e dalla concentrazione del riempitivo, non dal fatto che la matrice sia priva di silicone. Entrambe le formulazioni chimiche possono coprire un'ampia gamma di conduttività, quindi è consigliabile confrontare i diversi gradi di prodotto anziché le famiglie di materiali.
Per approfondire
- Uno studio comparativo sull'effetto dell'invecchiamento termico su materiali di riempimento termico a base di silicone e senza silicone (rivista *Materials*, 2021) — Studio di invecchiamento ad alta temperatura sottoposto a revisione paritaria (JEDEC JESD22-A103E) a supporto dei compromessi tra indurimento e proprietà dielettriche sopra menzionati; applicabile ai due gradi testati, non a tutti i materiali privi di silicone.
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