{"id":38108,"date":"2026-11-02T12:45:52","date_gmt":"2026-11-02T12:45:52","guid":{"rendered":"https:\/\/trumonytechs.com\/?p=38108"},"modified":"2026-11-02T12:45:52","modified_gmt":"2026-11-02T12:45:52","slug":"thermal-interface-materials-for-power-electronics-applications","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.trumonytechs.com\/it\/thermal-interface-materials-for-power-electronics-applications\/","title":{"rendered":"Materiali per l'interfaccia termica per il raffreddamento dei dispositivi elettronici di potenza"},"content":{"rendered":"

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 \u00e8 una decisione di sistema, non una semplice ricerca del valore pi\u00f9 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 conduttivit\u00e0 termica di circa 0,025 W\/m\u00b7K, quindi \u00e8 necessario un materiale migliore per sostituirla. Una revisione scientifica sull'elettronica di potenza riporta flussi di calore stazionari dell'ordine di 150-200 W\/cm\u00b2 e transitori pulsati superiori a 400 W\/cm\u00b2. A questi flussi, un'interfaccia sottile e non ben adattata pu\u00f2 dominare l'aumento di temperatura, anche quando tutti gli altri strati sono progettati con cura. Le sezioni seguenti illustrano la funzione dell'interfaccia, perch\u00e9 la sola conduttivit\u00e0 pu\u00f2 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.<\/p>\n\n\n\n

Qual \u00e8 la funzione di un materiale di interfaccia termica in uno stack di elettronica di potenza?<\/h2>\n\n\n\n

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 \u00e8 assemblato. La giunzione tra la piastra di base e il dissipatore di calore \u00e8 diversa: viene riempita durante l'assemblaggio e la sua resistenza dipende dalla qualit\u00e0 del riempimento. Poich\u00e9 \u00e8 variabile e spesso difficilmente controllabile, questa giunzione contribuisce frequentemente al percorso termico totale. L'entit\u00e0 di tale contributo dipende dalla specifica pila, quindi \u00e8 consigliabile verificarla tramite misurazioni anzich\u00e9 basarsi su supposizioni.<\/p>\n\n\n\n

\"Diagramma<\/figure>\n\n\n\n

L'interfaccia \u00e8 importante perch\u00e9 la resistenza di contatto aumenta con la quantit\u00e0 di area effettiva di contatto metallo-metallo, e le superfici lavorate meccanicamente ne offrono poca. La rugosit\u00e0 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 anzich\u00e9 disperdersi nell'aria. Lo stesso modulo di potenza pu\u00f2 quindi funzionare a temperature significativamente pi\u00f9 basse o pi\u00f9 alte a seconda di cosa riempie quello spazio e di come \u00e8 stato applicato. Verificate l'entit\u00e0 di questo effetto sul vostro stack misurando la temperatura del case o della giunzione sotto carico.<\/p>\n\n\n\n

Perch\u00e9 una maggiore conduttivit\u00e0 da sola non \u00e8 sufficiente ad abbassare la temperatura di giunzione<\/h2>\n\n\n\n

Puntare alla massima conduttivit\u00e0 termica di massa \u00e8 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 conduttivit\u00e0 del materiale. Una pasta ad alta conduttivit\u00e0 applicata con uno spessore eccessivo pu\u00f2 risultare meno efficace di un materiale di qualit\u00e0 inferiore utilizzato correttamente, cos\u00ec come un tampone rigido che non si adatta alla forza di serraggio disponibile.<\/p>\n\n\n\n

Lo spessore della linea di incollaggio \u00e8 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 pi\u00f9 spesso per colmare un'interfaccia irregolare e la resistenza aumenta approssimativamente con tale spessore. Per i moduli ad alta potenza, un obiettivo comune \u00e8 una bassa resistenza di giunzione, spesso indicata come inferiore a circa 1,0 k\u03a9\u00b7cm\u00b2\/W. Considerate questo valore come variabile dipendente dalle condizioni, non come uno standard. Lo si raggiunge adattando la conformit\u00e0 e l'applicazione del materiale alla reale distanza tra i componenti, non leggendo il valore pi\u00f9 alto di W\/m\u00b7K disponibile. Verificate il risultato misurando la resistenza installata o la temperatura del case sotto carico, perch\u00e9 la conduttivit\u00e0 di massa, considerata isolatamente, non \u00e8 predittiva delle prestazioni dell'assemblaggio.<\/p>\n\n\n\n

Famiglie di TIM utilizzate nell'elettronica di potenza e i relativi compromessi<\/h2>\n\n\n\n

Ogni famiglia di TIM bilancia le prestazioni termiche con la tolleranza dello spazio, il comportamento elettrico e la rilavorabilit\u00e0. Ecco perch\u00e9 la famiglia giusta deriva dall'interfaccia prima ancora che da una specifica di conduttivit\u00e0. tipi e caratteristiche<\/a> La sovrapposizione \u00e8 sufficiente affinch\u00e9 lo spazio e l'assemblaggio siano solitamente decisivi nella scelta, non la conduttivit\u00e0 principale. La tabella fornisce intervalli tipici, dipendenti dalle condizioni, per confrontare le famiglie in base alle dimensioni che influenzano la decisione.<\/p>\n\n\n\n

Famiglia TIM<\/th>Conduttivit\u00e0 volumetrica (W\/m\u00b7K)<\/th>direzione del flusso di calore<\/th>Linea di incollaggio\/spazio tipico<\/th>Isolante elettrico?<\/th>Rilavorabile?<\/th>Ideale per l'elettronica di potenza<\/th><\/tr>
grasso\/pasta termica<\/td>~2\u201310 (livelli avanzati superiori)<\/td>Piano di transito<\/td>Decine di micron sotto pressione<\/td>Dipendente dal grado scolastico<\/td>Limitato; rischio di sporco e svuotamento accidentale<\/td>Giunzioni piatte e ben serrate tra modulo e piastra fredda<\/td><\/tr>
Pad di riempimento<\/td>~1\u20135<\/td>Piano di transito<\/td>Frazioni di un millimetro fino a pochi millimetri<\/td>Gradi isolanti disponibili<\/td>S\u00cc<\/td>Spazi irregolari, pressione di assemblaggio inferiore<\/td><\/tr>
Materiale a cambiamento di fase<\/td>Dipendente dal grado scolastico<\/td>Piano di transito<\/td>Sottile, autolivellante sopra la transizione<\/td>Dipendente dal grado scolastico<\/td>Semipermanente<\/td>Giunti piatti ad alta potenza che necessitano di una resistenza bassa e ripetibile<\/td><\/tr>
Riempitivo per spazi vuoti (erogato)<\/td>~1\u20134<\/td>Piano di transito<\/td>Si conforma allo spazio<\/td>Dipendente dal grado scolastico<\/td>Limitato una volta guarito<\/td>Tolleranze ampie o irregolari<\/td><\/tr>
Adesivo termoconduttivo<\/td>~1\u20134 (gradi di specializzazione superiori)<\/td>Piano di transito<\/td>Da sottile a moderato<\/td>Dipendente dal grado scolastico<\/td>No \u2014 legame strutturale<\/td>Quando \u00e8 richiesto un legame strutturale<\/td><\/tr>
Grafite \/ pellicola di carbonio<\/td>Elevato nel piano; inferiore nel piano trasversale<\/td>Diffusione sul piano<\/td>Molto sottile<\/td>Spesso conduttivi elettricamente<\/td>Moderato<\/td>Giunti sottili e piatti dove la divaricazione laterale aiuta<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n

La resistenza del giunto installato \u00e8 il parametro che determina la temperatura di giunzione. I valori pubblicati non sono riportati in modo uniforme per queste famiglie di componenti, quindi \u00e8 opportuno considerare la colonna della conduttivit\u00e0 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 \u00e8 pi\u00f9 ampia o irregolare e la forza di serraggio \u00e8 limitata. Questi materiali sacrificano parte della conduttivit\u00e0 a favore della flessibilit\u00e0 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 possibilit\u00e0 di rilavorazione.<\/p>\n\n\n\n

\"Erogazione<\/figure>\n\n\n\n

Abbinamento di un materiale termoconduttivo all'interfaccia: spazio, planarit\u00e0, stress di assemblaggio e automazione.<\/h2>\n\n\n\n

Iniziate la selezione partendo dallo spazio e dalla planarit\u00e0 dell'interfaccia. Questi parametri definiscono la conformit\u00e0 necessaria al materiale prima che valga la pena confrontare la conduttivit\u00e0. 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, perch\u00e9 tale misurazione spesso altera il risultato.<\/p>\n\n\n\n

\"Diagramma<\/figure>\n\n\n\n

Le sollecitazioni durante l'assemblaggio possono escludere silenziosamente materiali altrimenti validi. Un pad rigido ad alta conduttivit\u00e0 pu\u00f2 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 pu\u00f2 effettivamente applicare. L'opzione pi\u00f9 flessibile \u00e8 talvolta la pi\u00f9 affidabile, anche a parit\u00e0 di conduttivit\u00e0.<\/p>\n\n\n\n

Il metodo di automazione determina quali materiali mantengono la ripetibilit\u00e0 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 unit\u00e0 per unit\u00e0. I tamponi applicati manualmente sacrificano parte di questo controllo a favore di strumenti pi\u00f9 semplici. Un materiale che un tecnico applica correttamente a mano pu\u00f2 variare maggiormente una volta applicato su larga scala, quindi \u00e8 fondamentale validare il metodo di applicazione con dati di linea di incollaggio o di resistenza unit\u00e0 per unit\u00e0 prima di adottarlo. Quando interfaccia, intercapedine, isolamento e processo sono tutti in gioco, \u00e8 la classificazione di questi vincoli che rende la scelta giustificabile, non la classificazione in base alla conduttivit\u00e0.<\/p>\n\n\n\n

Isolamento elettrico, polimerizzazione e affidabilit\u00e0 in condizioni di cicli termici<\/h2>\n\n\n\n

Innanzitutto, \u00e8 fondamentale definire il ruolo elettrico dell'interfaccia, poich\u00e9 questo pu\u00f2 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 rigidit\u00e0 dielettrica di diversi kV\/mm. Il valore utilizzabile dipende dal prodotto specifico e dallo spessore, quindi \u00e8 necessario verificarlo nella scheda tecnica. Laddove l'isolamento \u00e8 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.<\/p>\n\n\n\n

Il comportamento di polimerizzazione e adesione determina se il giunto \u00e8 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 \u00e8 riparabile senza danneggiare il giunto, a seconda dell'adesivo. Scegliere un materiale polimerizzante solo quando l'adesione \u00e8 un requisito fondamentale, poich\u00e9 influisce sulla riparazione, sulla gestione della garanzia e sulla rilavorazione della linea.<\/p>\n\n\n\n

L'affidabilit\u00e0 nel corso dei cicli termici \u00e8 il punto in cui una buona misurazione iniziale pu\u00f2 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 velocit\u00e0 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 \u00e8 sottoposto il componente; pertanto, \u00e8 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 \u00e8 necessario integrarla con i dati di pompaggio e di cicli termici relativi alle temperature effettivamente raggiunte dai componenti elettronici di potenza.<\/p>\n\n\n\n

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.<\/h2>\n\n\n\n

In un pacco batterie per veicoli elettrici o sistemi di accumulo di energia, un materiale termoconduttivo (TIM) \u00e8 presente in pi\u00f9 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.<\/p>\n\n\n\n

\"Materiali<\/figure>\n\n\n\n

La forma dell'interfaccia varia a seconda della posizione, quindi \u00e8 necessario verificarla rispetto all'effettiva confezione e al montaggio, anzich\u00e9 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 pi\u00f9 spesso spazi irregolari, adatti a riempitivi e cuscinetti comprimibili, ma \u00e8 fondamentale verificare la planarit\u00e0, il fissaggio e lo spazio sull'assemblaggio reale. L'abbinamento di ciascuna interfaccia al relativo sistema di raffreddamento \u00e8 ci\u00f2 che fa la differenza a livello di pacco batteria, perch\u00e9 anche la piastra di raffreddamento meglio lavorata risulta inutile se la giunzione che la alimenta \u00e8 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<\/a> 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<\/a>, dove il ciclo di lavoro e la variazione del gap determinano il materiale pi\u00f9 di qualsiasi singolo valore di conduttivit\u00e0.<\/p>\n\n\n\n

Conclusione<\/h2>\n\n\n\n

L'interfaccia, non la scheda tecnica, dovrebbe determinare il materiale per l'interfaccia termica dei componenti elettronici di potenza. Prima di selezionare un materiale, \u00e8 necessario definire quattro vincoli: lo spazio tra i componenti e la sua variazione, la forza di serraggio consentita dal progetto meccanico, la necessit\u00e0 di isolamento del giunto e la sua funzionalit\u00e0 nel tempo. Questi criteri restringono la gamma di opzioni, e solo in caso di parit\u00e0 la conduttivit\u00e0 diventa determinante. Considerare un elevato valore W\/m\u00b7K come obiettivo finale \u00e8 un errore, perch\u00e9 lo spessore della linea di saldatura, la resistenza di contatto e il comportamento ciclico sono ci\u00f2 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.<\/p>\n\n\n\n

FAQ<\/h2>\n\n\n\n

Per un modulo IGBT ho bisogno di un pad termico o di pasta termica?<\/h3>\n\n\n\n

Scegliete la pasta termica in base al tipo di giunzione, non al nome del modulo. La pasta termica \u00e8 adatta a una piastra di base IGBT piatta e saldamente fissata perch\u00e9 raggiunge una sottile linea di giunzione. Un pad termico \u00e8 pi\u00f9 indicato per spazi irregolari o per progetti con forza di serraggio limitata. La pasta termica offre una minore resistenza quando l'interfaccia \u00e8 compatibile; un pad termico sacrifica parte della conduttivit\u00e0 a favore della flessibilit\u00e0 e di un posizionamento pi\u00f9 semplice e ripetibile.<\/p>\n\n\n\n

Di quale conduttivit\u00e0 termica ho effettivamente bisogno per un modulo di potenza in SiC?<\/h3>\n\n\n\n

L'obiettivo utile \u00e8 una bassa resistenza di giunzione installata, non un singolo valore di conduttivit\u00e0, perch\u00e9 lo spessore della linea di incollaggio e la resistenza di contatto sono spesso pi\u00f9 importanti. Per i moduli ad alta potenza, una resistenza di giunzione inferiore a circa 1,0 k\u03a9\u00b7cm\u00b2\/W \u00e8 un obiettivo comune. Si tratta di un obiettivo dipendente dalle condizioni, raggiunto adattando la conformit\u00e0 e l'applicazione del materiale al gap reale, non acquistando il valore W\/m\u00b7K pi\u00f9 alto disponibile sul mercato.<\/p>\n\n\n\n

Posso utilizzare un materiale a cambiamento di fase al posto del grasso per i moduli ad alta potenza?<\/h3>\n\n\n\n

Spesso s\u00ec. I materiali a cambiamento di fase vengono spesso scelti per giunzioni piane ad alta potenza perch\u00e9 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'unit\u00e0 all'altra, una pellicola a cambiamento di fase pu\u00f2 mantenere una linea di adesione pi\u00f9 uniforme, anche se \u00e8 necessario verificarlo per il proprio prodotto e processo. Il compromesso \u00e8 che la pellicola \u00e8 semipermanente e necessita di un'interfaccia piana e ben fissata per funzionare correttamente.<\/p>\n\n\n\n

Quanto deve essere spesso lo strato di adesione dell'interfaccia termica?<\/h3>\n\n\n\n

L'obiettivo \u00e8 ottenere la linea di incollaggio pi\u00f9 sottile possibile, riempiendo al contempo ogni spazio vuoto, poich\u00e9 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 pi\u00f9 spesso. Misurare lo spazio effettivo sull'area di contatto anzich\u00e9 affidarsi al valore nominale.<\/p>\n\n\n\n

Un materiale di interfaccia termica (TIM) per l'elettronica di potenza deve essere elettricamente isolante?<\/h3>\n\n\n\n

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.<\/p>\n\n\n\n

Per approfondire<\/h2>\n\n\n\n