Di cosa è fatta la pasta termica?

Pasta termica, grasso termico e materiale di interfaccia termica (TIM) si riferiscono alla stessa classe di materiali ingegnerizzati: in questo articolo, i tre termini vengono utilizzati in modo intercambiabile.

Per comprendere la composizione della pasta termica è necessario esaminare due sistemi interdipendenti: la fase di riempimento, che determina la conduttività termica, e la matrice di supporto, che controlla la stabilità meccanica e chimica a lungo termine. In sostanza, la pasta termica è composta da particelle di riempimento termicamente conduttive sospese in una base di supporto, dove il tipo di riempitivo, la dimensione delle particelle e la concentrazione determinano collettivamente la conduttività, la sicurezza elettrica e la durata.

I valori di conducibilità termica elencati per i singoli materiali di riempimento in questo articolo sono valori di riferimento intrinseci per il materiale policristallino sfuso in condizioni standard di temperatura ambiente. La conducibilità effettiva della formulazione dipende dalla concentrazione di carico, dalla distribuzione granulometrica e dalla resistenza dell'interfaccia della matrice. Le prestazioni finali richiedono dati misurati dall'intera formulazione. ASTM D5470 o equivalente. Per le applicazioni regolamentate, inclusi i dispositivi medici e i sistemi di accumulo di energia per veicoli elettrici, richiedere al fornitore i rapporti di prova completi relativi allo standard di settore applicabile.

Il presente articolo non si applica ai materiali a cambiamento di fase, agli adesivi termoconduttivi o ai materiali di interfaccia termica (TIM) a base di fogli di grafite: tali classi di materiali presentano una chimica e criteri di selezione distinti, che esulano dal presente ambito di applicazione.

Perché la sola conduttività della pasta termica non basta

La conduttività termica in una formulazione TIM varia in base al tipo di riempitivo, alla concentrazione di carico e all'ambiente di applicazione: massimizzare solo W/m·K produce un risultato di progettazione subottimale nella maggior parte degli scenari ingegneristici. Questa è una distinzione che applichiamo costantemente nel nostro lavoro di sviluppo delle formulazioni, dove l'ottimizzazione su un singolo asse fallisce regolarmente nella validazione in applicazioni reali.

Ogni decisione relativa alla formulazione è guidata da tre assi prestazionali:

• Conduttività termica (W/m·K): Quanto è efficiente il trasferimento di calore attraverso il materiale sfuso.
• Rigidità dielettrica (kV/mm): Se la pasta, indurita o non indurita, resiste alle dispersioni elettriche alla tensione di esercizio.
• Resistenza alla pompa: Verificare se la pasta mantiene l'integrità del riempimento delle fessure attraverso cicli termici senza migrare dall'interfaccia.

Questi tre assi sono in conflitto tra loro. I riempitivi metallici massimizzano la conduttività ma compromettono la rigidità dielettrica. Un'elevata concentrazione di riempitivo aumenta la conduttività ma incrementa la viscosità e peggiora la resistenza al pompaggio durante i cicli di carica/scarica. Comprendere questo compromesso tra i tre assi è il prerequisito per la lettura di ogni sezione successiva.

Materiali di riempimento e relativi compromessi in termini di conduttività

I materiali di riempimento in una formulazione TIM determinano la conduttività termica di massa, il comportamento elettrico e i vincoli della morfologia delle particelle: ogni categoria di riempitivo impone una serie distinta di compromessi ingegneristici che nessuna modifica del supporto può compensare completamente. Tre categorie coprono l'intero spazio di progettazione: metalliche, ceramiche e a base di carbonio, ognuna delle quali rappresenta una serie distinta di Tipi di paste termiche con il proprio limite di conduttività, comportamento elettrico e vincoli di compatibilità con i portatori.

Quando scegliere i riempitivi metallici

I materiali di riempimento metallici offrono i valori di conducibilità termica intrinseca più elevati disponibili tra tutte le categorie di materiali di riempimento. La conducibilità intrinseca dell'argento, pari a circa quattrocento watt per metro-kelvin a temperatura ambiente, lo rende il materiale di riempimento metallico con le prestazioni migliori (420 W/m·K, policristallino sfuso, temperatura ambiente). Il rame (Cu) raggiunge circa 400 W/m·K nelle stesse condizioni. L'alluminio (Al) raggiunge circa 237 W/m·K. Questi valori rendono i materiali di riempimento metallici la scelta preferibile laddove le prestazioni termiche rappresentano il vincolo principale e l'esposizione elettrica è controllata in fase di progettazione.

Il compromesso è diretto. I riempitivi metallici sono elettricamente conduttivi. Una formulazione TIM che utilizza riempitivi in argento o rame mostrerà una conduttività elettrica di massa proporzionale al carico di particelle e alla percolazione della rete. Nei package con pad esposti, nei design bare-die o in qualsiasi configurazione in cui la migrazione della pasta raggiunge una superficie conduttrice di tensione, i TIM metallici creano un rischio di dispersione. Il rischio non è marginale: è una condizione di squalifica nella maggior parte dei progetti di elettronica di potenza, a meno che la geometria dell'interfaccia non sia completamente racchiusa e verificata. Il rischio di corrente di dispersione deve essere valutato in base al livello di tensione dell'applicazione (per sistemi superiori a 48 V CC, è in genere richiesta una resistività volumetrica di almeno 1 GΩ·cm) e verificato secondo lo standard di qualificazione dell'assemblaggio applicabile, piuttosto che dedotto solo dai dati del materiale di massa.

Le paste contenenti alluminio occupano una posizione intermedia. La conduttività volumetrica dell'alluminio è inferiore a quella dell'argento o del rame. L'ossido di alluminio si forma naturalmente sulla superficie delle particelle durante la lavorazione, riducendo parzialmente la conduttività elettrica volumetrica a livello di formulazione; tuttavia, questo strato di ossido dipende dal processo e non garantisce una barriera di isolamento, pertanto i materiali di interfaccia termica (TIM) contenenti alluminio non dovrebbero essere considerati elettricamente sicuri a priori.

Materiali di riempimento ceramici per l'isolamento

I riempitivi ceramici forniscono una significativa conduttività termica combinata con un isolamento elettrico intrinseco. Questa combinazione rende i TIM con riempitivi ceramici la scelta dominante nell'elettronica di potenza, nei moduli delle batterie per veicoli elettrici e in qualsiasi applicazione in cui la rigidità dielettrica è un requisito di specifica. Questi riempitivi sono anche la spina dorsale della maggior parte soluzioni di interfaccia termica senza silicone, che specificano sempre più spesso sistemi ceramici per eliminare contemporaneamente sia la contaminazione da silicone che il rischio di isolamento elettrico.

Tre riempitivi ceramici coprono la maggior parte degli scenari di progettazione:

*I valori intrinseci sono valori di riferimento standard per il materiale policristallino sfuso a temperatura ambiente. La conducibilità termica effettiva della formulazione dipende dalla concentrazione del riempitivo, dalla distribuzione granulometrica e dalla resistenza dell'interfaccia della matrice, e deve essere confermata mediante test sulla formulazione completa secondo ASTM D5470 o equivalente. La conducibilità termica della formulazione è sostanzialmente inferiore ai valori intrinseci del riempitivo a tutti i livelli di carico pratici.

L'ossido di alluminio è il riempitivo ceramico più utilizzato grazie al basso costo e alle affidabili prestazioni dielettriche. L'ossido di zinco offre un isolamento elettrico comparabile con una morfologia leggermente diversa, il che lo rende utile in formulazioni che richiedono uno specifico comportamento reologico. Il nitruro di boro è strutturalmente distinto: la sua morfologia a piastrine fornisce una conduttività termica assiale significativamente più elevata rispetto alle ceramiche equiassiali a parità di carico. La geometria a piastrine consente inoltre una maggiore densità di impaccamento in distribuzioni multimodali, il che rappresenta un vantaggio nella formulazione quando gli obiettivi di conduttività superano quelli che Al₂O₃ o ZnO possono fornire senza un carico eccessivo.

Riempitivi a base di carbonio e anisotropia termica

Quando la direzione del flusso di calore può essere controllata dalla geometria dell'assemblaggio, i riempitivi a base di carbonio offrono percorsi di conducibilità termica irraggiungibili per le ceramiche equiassiali: grafite, nanotubi di carbonio e piastrine di grafene conducono il calore in modo efficiente lungo la loro direzione basale o assiale, pur rimanendo scarsi conduttori perpendicolarmente ad essa.

I singoli nanotubi di carbonio (CNT) presentano valori teorici di conduttività termica assiale superiori a 3.000 W/m·K in condizioni di misurazione idealizzate su singoli nanotubi; nelle formulazioni in massa, la conduttività effettiva è sostanzialmente inferiore a causa della resistenza di interfaccia tra i tubi e la matrice, della distribuzione casuale dell'orientamento e dei difetti di agglomerazione: i valori riportati per le formulazioni in massa si attestano in genere nell'intervallo da decine a poche centinaia di W/m·K a seconda della qualità, del carico e dell'allineamento dei CNT. Le piastrine di grafene presentano un'anisotropia simile.

Questa anisotropia ha due implicazioni. In primo luogo, il controllo dell'orientamento durante l'erogazione e la polimerizzazione determina se l'asse ad alta conduttività si allinea con la direzione del trasferimento di calore. In secondo luogo, i riempitivi a base di carbonio, a concentrazioni sufficienti, mostrano una conduttività elettrica misurabile, in particolare lungo l'asse ad alta conduttività. Questi riempitivi sono più adatti ad applicazioni in cui la gestione termica direzionale è integrata nella progettazione dell'assemblaggio e dove l'isolamento elettrico è fornito strutturalmente piuttosto che dal TIM stesso. Le applicazioni emergenti nei moduli di potenza e nell'elettronica ad alta densità sono quelle in cui i TIM a base di carbonio vengono impiegati con maggiore rigore ingegneristico.

La categoria di riempitivo utilizzata in una formulazione determina il suo limite termico massimo, ma è la matrice di supporto a determinare se tale limite viene mantenuto dopo cinque anni di cicli termici.

Sistemi a matrice portante e stabilità a lungo termine

L'affidabilità a lungo termine di qualsiasi programma TIM dipende più dalla scelta del vettore che dalla sola scelta del riempitivo: la matrice regola la resistenza alla fuoriuscita di olio, la compatibilità di erogazione e il limite di temperatura di esercizio che determina se una formulazione mantiene le specifiche per tutta la durata di 10 anni del pacco batteria. La scelta del riempitivo non può compensare un vettore che si degrada in base al profilo di cicli termici dell'applicazione.

Olio di silicone a base e suoi limiti termici

I fluidi base siliconici-olio sono i più utilizzati per i TIM (Transient Interface Fluid) grazie alla loro flessibilità alle basse temperature, alla stabilità ossidativa fino a circa 150-200 °C (a seconda del peso molecolare del polidimetilsilossano e degli additivi della formulazione; è necessario richiedere i dati TGA del fornitore per confermare il limite superiore specifico per ogni singola formulazione) e alla compatibilità con un'ampia gamma di riempitivi. Il polidimetilsilossano (PDMS) e i suoi derivati funzionali sono i fluidi base siliconici standard.

Due rischi sono rilevanti per il processo. Il primo è la fuoriuscita di olio, ovvero la migrazione di frazioni di silicone a basso peso molecolare dalla rete di riempimento durante cicli termici o temperature elevate prolungate. La fuoriuscita di olio deposita silicone sulle superfici adiacenti, causando cedimenti di adesione nelle operazioni di incollaggio secondario e potendo contaminare componenti ottici o contatti elettrici. Il secondo rischio è rappresentato dai vapori di silicone: a temperature prossime al limite superiore di stabilità, le specie volatili di silicone possono depositarsi sui contatti dei connettori e sulle superfici dei relè. Nelle applicazioni automobilistiche e aerospaziali, la contaminazione da silicone è un rischio controllato che richiede test di qualificazione, non una preoccupazione teorica.

Vettori non siliconici e idrocarburici

Laddove i vapori di silicone rappresentano una condizione di esclusione piuttosto che una preoccupazione teorica, i vettori idrocarburici sintetici — PAO, PIB e altre basi non siliconiche — forniscono l'alternativa stabile e a bassa pressione di vapore richiesta dai programmi per il settore automobilistico e dei sistemi ottici. Questi vettori sono specificati in applicazioni in cui i composti volatili del silicone sono un motivo di esclusione: alcuni moduli di controllo per autoveicoli, ambienti per dischi rigidi e sistemi ottici.

In particolare, i vettori PAO offrono una buona stabilità termica, una bassa pressione di vapore e compatibilità con i sistemi di riempimento ad alta temperatura. Il compromesso è una minore flessibilità di formulazione. Le basi non siliconiche presentano spesso valori di viscosità di base più elevati e un comportamento di flusso a basse temperature più limitato rispetto alle controparti siliconiche. Per le applicazioni di pacchi batteria per veicoli elettrici con lunghi intervalli di manutenzione e temperature di esercizio che scendono al di sotto di 0 °C, la selezione del vettore richiede una validazione rispetto all'intero profilo di temperatura, non solo al limite superiore. Specifichiamo basi non siliconiche per i programmi TIM per il settore automobilistico in cui la contaminazione da vapore di silicone è esplicitamente esclusa dai requisiti OEM.

La scelta del vettore definisce il limite di stabilità; i parametri di formulazione successivi — dimensione delle particelle, concentrazione di carico e distribuzione dimensionale — determinano quanta parte del potenziale termico del riempitivo si traduce effettivamente in conduttività volumetrica misurata.

Dimensione delle particelle, carico e classificazione multimodale

Tre parametri controllabili – dimensione delle particelle, concentrazione volumetrica e granulometria – definiscono il limite massimo di prestazione di qualsiasi formulazione TIM, e nessuna singola variabile può essere regolata isolatamente senza influenzare le altre due.

Dimensione delle particelle Determina la geometria di impaccamento e l'area di contatto dell'interfaccia. Le particelle più piccole (nell'intervallo sub-micronico) massimizzano il contatto superficiale ma aumentano bruscamente la viscosità a parità di carico. Le particelle più grandi (nell'intervallo 5-20 µm) consentono un carico maggiore a una viscosità inferiore, ma riducono l'uniformità di impaccamento nelle linee di legame sottili.

Concentrazione di carico del volume La conduttività raggiunge una soglia. Al di sotto della soglia di percolazione, ovvero la concentrazione alla quale le particelle di riempitivo formano una rete termica continua, la conduttività aumenta debolmente con il carico. Per i tipici sistemi di riempitivo ceramico, questa soglia si colloca nell'intervallo di circa il 35-45% in volume; al di sopra di questa concentrazione, la conduttività aumenta più rapidamente, per poi stabilizzarsi poiché la resistenza interfacciale della matrice limita ulteriori incrementi. Il carico pratico è inoltre limitato dalla viscosità: al di sopra di circa due terzi della formulazione in volume (circa il 65-70% in volume nella maggior parte delle formulazioni ceramiche), la viscosità aumenta in modo proibitivo per i processi compatibili con l'erogazione.

Classificazione multimodale delle dimensioni delle particelle risolve il conflitto tra carico e viscosità. La miscelazione di due o tre frazioni di dimensioni delle particelle distinte, in genere combinando una frazione grossolana nell'intervallo 10-20 µm con una frazione fine nell'intervallo 1-2 µm, consente alle particelle più piccole di riempire lo spazio vuoto tra quelle più grandi, aumentando la densità di impaccamento senza aumentare proporzionalmente la viscosità. La gradazione multimodale è precisamente il modo in cui le formulazioni ad alta conduttività (superiore a 6-8 W/m·K in massa) raggiungono una viscosità compatibile con l'erogazione. Quanto bene questi parametri si traducono in prestazioni sul campo dipende da metodi di applicazione della pasta termica e il controllo della linea di adesione tanto quanto la scelta della formulazione.

Questi parametri interagiscono e lo spazio di progettazione richiede una convalida iterativa secondo la norma ASTM D5470 per la conduttività di massa e test reologici per la compatibilità del processo.

Tale quadro di validazione diventa il filtro decisionale per la logica di selezione del settore applicativo che segue.

Selezione TIM per settore di applicazione

La scelta del TIM (materiale di interfaccia termica) per il settore di applicazione varia in base all'intervallo di temperatura, ai requisiti di isolamento elettrico e ai vincoli del processo di erogazione: tradurre il modello matrice-riempitivo in un percorso decisionale praticabile richiede di adattare queste tre variabili allo spazio di formulazione disponibile.

†Gli intervalli di temperatura sono valori di riferimento industriali rappresentativi per i settori applicativi indicati. I limiti operativi effettivi devono essere verificati rispetto alle specifiche di gestione termica del produttore e alla norma di qualificazione applicabile. AEC-Q200 per i componenti automobilistici, oppure la norma IEC o UL pertinente per la classificazione dell'uso finale.

I pacchi batteria per veicoli elettrici richiedono isolamento elettrico tra le celle o tra le celle e le piastre di raffreddamento, eliminando i materiali di riempimento metallici dalla maggior parte delle posizioni. La profondità del ciclo termico è elevata, quindi la resistenza al pompaggio e il comportamento di spurgo dell'olio su un periodo di oltre 10 anni determinano la scelta del materiale di riempimento. Convalidiamo i materiali di interfaccia termica (TIM) per batterie di veicoli elettrici rispetto a profili di shock termico di migliaia di cicli prima del rilascio in produzione.

Le applicazioni dei moduli di potenza, in particolare i moduli SiC e IGBT che operano a temperature superiori a 150 °C, richiedono sia un'elevata conduttività che un'elevata rigidità dielettrica. Le formulazioni ceramiche a base di BN in supporti ad alta stabilità rispondono a queste esigenze. I supporti non siliconici vengono sempre più spesso specificati dai produttori di apparecchiature originali (OEM) del settore automobilistico per i materiali di interfaccia termica (TIM) dei moduli di potenza, a causa delle restrizioni sulla contaminazione da silicio negli ambienti di assemblaggio dei moduli.

L'elettronica industriale copre un ampio intervallo di temperature con requisiti di isolamento più variabili. I riempitivi metallici rimangono validi nelle geometrie di interfaccia chiusa senza tensioni esposte. I riempitivi ceramici coprono tutte le posizioni che richiedono isolamento. La selezione del vettore è meno vincolata rispetto al settore automobilistico, sebbene i requisiti di lunga durata nell'elettronica infrastrutturale favoriscano sempre più formulazioni a basso spurgo. Per un quadro strutturato su scelta di un materiale per l'interfaccia termica In tutti questi settori, la stabilità del vettore in base al profilo di cicli termici previsto rappresenta il filtro iniziale.

Le domande più frequenti sollevate durante le valutazioni di selezione, riguardanti la sicurezza dei materiali di riempimento metallici, i compromessi dei materiali di riempimento ceramici e la stabilità a lungo termine del supporto, vengono affrontate direttamente di seguito.

Conclusione

Nella nostra esperienza progettuale nell'ambito della gestione termica delle batterie dei veicoli elettrici e dei programmi per i moduli di potenza, l'ottimizzazione su un singolo asse – ovvero la scelta dell'opzione con la massima conduttività senza convalidare la rigidità dielettrica, la resistenza al pompaggio e la stabilità del supporto rispetto al profilo di vita utile effettivo – è stata una fonte ricorrente di errori nella selezione del materiale di interfaccia termica (TIM). La chimica dei materiali descritta in questo articolo fornisce il quadro di riferimento per evitare questo tipo di errore e per leggere le schede tecniche dei fornitori con la precisione necessaria per prendere tali decisioni.

Se la tua applicazione richiede una soluzione testata e conforme alle specifiche, la nostra grasso termoconduttivo La nostra gamma comprende formulazioni a base di silicone e non, validate nei settori delle batterie per veicoli elettrici e dei moduli di potenza. Siamo a disposizione per supportarvi nella selezione di riempitivi e supporti in base al vostro specifico profilo di cicli termici e alle vostre esigenze di isolamento: contattateci per discutere del vostro programma.

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