Avanços em materiais de interface térmica sem silicone

Materiais de interface térmica sem silicone conquistam seu espaço em baterias sempre que o vazamento ou a liberação de gases do silicone colocariam em risco o caminho térmico entre a célula e o líquido refrigerante. Para um engenheiro térmico de baterias, a questão é simples: essa montagem contém superfícies, sensores ou juntas coladas que podem ser degradadas pela contaminação por silicone? E uma composição química sem silicone consegue manter a condutividade térmica nas áreas de contato e resistir ao envelhecimento do módulo? Este artigo aborda os avanços reais em materiais sem silicone. materiais de interface térmica, como se comparam aos tipos de silicone nas variáveis que influenciam a seleção e onde se encaixam em um veículo elétrico com refrigeração líquida ou em uma bateria de armazenamento de energia.

Por que o vazamento e a liberação de gases do silicone ameaçam o caminho de dissipação de calor da bateria?

O modo de falha recorrente em materiais de interface térmica de silicone é a migração. Siloxanos de baixo peso molecular podem volatilizar ou exsudar sob calor, compressão e baixa pressão, redepositando-se em superfícies próximas. Em um módulo de bateria, o caminho do calor vai da parede da célula através do material de interface até uma placa fria. O óleo que se infiltra na superfície de vedação da placa fria, na lente de um sensor ou em uma placa de circuito impresso pode reduzir a resistência superficial e a tensão de ruptura, ou interferir na colagem e limpeza posteriores. Diversas fontes de dados descrevem o mesmo mecanismo, o que o torna uma restrição de projeto a ser considerada em conjuntos sensíveis ao silicone.

O controle de contaminação é a razão prática pela qual uma linha de produção pode especificar química livre de silicone. Quando processos com e sem silicone compartilham ferramentas, o siloxano liberado pode contaminar juntas de solda e adesivos em peças não relacionadas. Uma equipe pode então optar por formulações com baixo teor de VOC e sem silicone quando as normas de colagem ou limpeza subsequentes forem rigorosas. O principal fator é a limpeza e a reparabilidade do processo. Alegações de que o silicone é tóxico em um limite fixo de partes por milhão não são comprovadas neste caso e devem ser verificadas junto a um órgão de padronização antes de serem repetidas.

O silicone ainda é adequado para a maioria dos componentes eletrônicos em geral, portanto, a escolha depende do cenário. Quando um módulo não possui componentes ópticos expostos, sensores sensíveis a vazamentos de luz e conexões subsequentes que possam ser danificadas por resíduos de óleo, materiais de silicone convencionais, como... massa de silicone termicamente condutora ou almofadas de silicone continuam sendo opções razoáveis. A justificativa para optar por materiais sem silicone aumenta à medida que uma montagem inclui superfícies sensíveis à contaminação ou regras de limpeza mais rigorosas.

Quais são as mudanças na química do TIM (material de interface térmica) quando se elimina o silicone?

“O termo "sem silicone" descreve a matriz, não o material de enchimento, portanto, a parte do material responsável pela condução de calor permanece praticamente inalterada. Esses sistemas substituem a estrutura de polisiloxano por polímeros acrílicos, poliuretanos ou modificados com silil. A condutividade térmica ainda provém de cargas cerâmicas ou metálicas dispersas nessa matriz. Assim, a remoção do silicone, por si só, não aumenta nem diminui a condutividade; o que determina isso são a composição química e a quantidade de carga utilizada.

As opções de formato são em grande parte semelhantes à linha de silicone, o que mantém os métodos de montagem familiares. As soluções químicas sem silicone estão disponíveis como preenchedores de folgas, almofadas para preenchimento de folgas, adesivos termicamente condutores e graxas. Normalmente, uma equipe consegue adaptar um processo existente, seja dispensando um preenchedor moldável ou aplicando peças recortadas. almofadas térmicas. O comportamento de cura varia de acordo com a composição química: alguns sistemas sem silicone não curam e permitem a ativação imediata, enquanto os adesivos reativos de dois componentes priorizam a resistência estrutural da ligação em detrimento do tempo em aberto.

As pesquisas em química visam aumentar a condutividade através da engenharia da rede de enchimento. Os sistemas em estudo incluem caminhos orientados de cerâmica ou carbono, matrizes de poli(líquido iônico) sendo exploradas para adesão interfacial, e materiais de interface térmica líquida que combinam metal líquido com partículas sólidas para manter uma rede condutora unida. Estas são orientações a serem observadas, não especificações definitivas. Considere qualquer valor isolado de condutividade ou módulo relatado como não confirmado até que uma folha de dados e uma segunda fonte o corroborem.

Pastas de TIM sem silicone versus pastas de TIM com silicone: vantagens e desvantagens a serem consideradas.

As classes isentas de silicone tendem a ajudar na prevenção de contaminação e no comportamento dielétrico, mas podem comprometer a conformidade a longo prazo, e cada tendência requer verificação específica para cada classe. A tabela lista tendências e riscos típicos a serem verificados na ficha técnica, e não propriedades fixas da família de materiais. O valor em cada célula depende da classe específica e das condições de teste.

Variável	À base de silicone (típico)	Sem silicone (normal, verifique a especificação)
Contaminação/liberação de gases	Exsudação e migração de siloxano sob calor e compressão.	Sangramento inferior onde a migração de siloxano é o risco determinante
Comportamento dielétrico	Adequado; pode variar com o envelhecimento.	Foi relatado um melhor isolamento em algumas das classes testadas.
Comportamento após envelhecimento em altas temperaturas	Frequentemente permanece viscoelástico	Algumas classes testadas endurecem ou se tornam quebradiças.
Condutividade térmica	Definido pelo preenchimento, não pela matriz.	Definido pelo preenchimento, não pela matriz.
Faixa de temperatura	Amplo, dependente da química	Depende da nota; confirme na ficha técnica.

O comportamento de envelhecimento é o fator mais frequentemente mal interpretado, por isso necessita de um processo de verificação. Em um ensaio de envelhecimento por armazenamento a alta temperatura (125 °C) durante 2.000 horas, conforme a norma JEDEC JESD22-A103E, publicado na revista *Materials*, um material de preenchimento de lacunas sem silicone endureceu, enquanto o material à base de silicone manteve-se viscoelástico. A amostra sem silicone também apresentou melhor comportamento dielétrico para aplicações críticas de isolamento. Esse resultado abrange as duas classes testadas sob essa condição de envelhecimento por armazenamento. Não se aplica a todos os produtos sem silicone ou a ciclos térmicos de alta e baixa temperatura. O passo prático é qualificar a dureza após o envelhecimento e o comportamento da linha de adesão para a classe específica, e não presumir que esses resultados se manterão.

As comparações de condutividade carregam o maior mito, e vale a pena corrigi-lo diretamente. Porque condutividade térmica da almofada de separação Dependendo do tipo e da quantidade de carga, um material sem silicone não é inerentemente mais ou menos condutor do que um com silicone. Ambos podem ser formulados em uma ampla gama de materiais. Qualquer afirmação de que materiais sem silicone superam automaticamente graxas ou almofadas de silicone deve ser interpretada como específica para cada tipo de material.

Selecionar uma pasta térmica sem silicone adequada para o caminho da célula ao líquido de arrefecimento.

A seleção de um TIM (material de interface térmica) sem silicone para uma bateria começa com a folga, pois ela define a classe do material. A folga na interface e a planicidade da superfície entre a célula ou o módulo e a placa fria devem ser compatíveis com a flexibilidade do material. Folgas largas e irregulares favorecem o uso de um material de preenchimento conformável que preenche os espaços vazios sob baixa pressão, enquanto interfaces finas e planas podem acomodar uma almofada mais fina ou um filme depositado. Uma incompatibilidade nesse aspecto resulta em ar aprisionado e pontos quentes, portanto, confirme a folga máxima possível antes de definir o formato.

O estresse na montagem e a automação moldam o formato tanto quanto os valores térmicos. Um material de enchimento sem silicone e de baixo módulo, que se comprime até formar uma linha de colagem mínima sem sobrecarregar células delicadas, pode ser mais vantajoso do que uma condutividade ligeiramente maior que exige alta força de fixação. Um material descartável moldado no local também se adapta melhor a linhas de montagem automatizadas do que almofadas aplicadas manualmente. Quando a interface também suporta carga estrutural, um adesivo termicamente condutor sem silicone direciona a decisão para a resistência da colagem e o tempo de cura, o que, por sua vez, limita o ciclo de produção.

A cura, a facilidade de manutenção e o isolamento completam a seleção e estão diretamente ligados aos objetivos do ciclo de vida do conjunto de baterias. Um material de enchimento que não precisa de cura permite que a linha seja testada imediatamente em termos de potência. Um adesivo reativo fixa a bateria na posição correta, mas complica o retrabalho e a desmontagem ao final da vida útil, uma restrição importante, visto que os conjuntos de baterias são projetados para... Segurança da bateria e refrigeração líquida, facilidade de manutenção e reciclagem. Como a maioria das interfaces de baterias também precisa isolar eletricamente a célula da placa fria, confirme a rigidez dielétrica na linha de ligação envelhecida e comprimida, usando os testes mecânicos, geométricos e dielétricos apropriados para cada propriedade. Um teste de envelhecimento, como o JEDEC JESD22-A103E, define a condição de armazenamento antes e depois da qual esses testes separados são executados. Por si só, ele não mede a dureza, a espessura da linha de ligação ou a rigidez dielétrica. Verificar essas quatro variáveis em conjunto garante uma escolha sem silicone ao longo da vida útil do módulo.

Onde se encaixam os TIMs sem silicone

A química sem silicone se encaixa em situações onde a limpeza é fundamental e as restrições de fabricação já apontam para a ausência de silicone. Baterias para veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia são um exemplo disso. Quando um projeto visa temperaturas de célula próximas à temperatura ambiente e considera excursões prolongadas em direção aos limites superiores da célula como um risco à vida e à segurança, o material da interface precisa suportar ciclos térmicos sem danificar placas frias, sensores ou juntas coladas. Sistemas de armazenamento de energia em baterias enfrentam os mesmos desafios em larga escala, portanto, materiais de preenchimento e adesivos sem silicone são uma opção comum em projetos térmicos de baterias.

Além das baterias, a mesma lógica se aplica a qualquer conjunto sensível ao silicone. Componentes ópticos, sensores, equipamentos médicos e aeroespaciais podem ser intolerantes a vazamentos ou desgaseificação, portanto, materiais sem silicone são ideais para essas aplicações devido à mesma razão de risco de contaminação que se aplica ao interior de uma bateria. A lógica de engenharia permanece a mesma, mesmo que as restrições de temperatura e espaço variem de acordo com a aplicação.

No âmbito da ciência dos materiais, o progresso a curto prazo é incremental e impulsionado por cargas. O reforço com nanopartículas, os caminhos condutores orientados e os híbridos de metal líquido visam aumentar a condutividade, mantendo a conformidade, e todos ainda enfrentam os mesmos critérios de qualificação em relação ao envelhecimento, isolamento e capacidade de fabricação. O acompanhamento desses dados de qualificação é um indicador de progresso mais confiável do que os números de condutividade divulgados.

Conclusão

A principal consideração para materiais de interface térmica sem silicone é que a decisão sobre eles prioriza a contaminação e a limpeza, e secundariamente a condutividade. Utilize-os quando a embalagem apresentar superfícies sensíveis ao silicone, normas de fabricação rigorosas ou necessidades de manutenção e isolamento que o vazamento de silicone possa comprometer, e mantenha o silicone onde nenhuma dessas pressões existir. A propriedade mais frequentemente mal interpretada é o envelhecimento. Como algumas classes de materiais sem silicone endurecem com o tempo, qualifique a dureza após o envelhecimento, a espessura da linha de adesão e a rigidez dielétrica para a classe específica. Utilize uma condição de envelhecimento por armazenamento reconhecida, como a JEDEC JESD22-A103E, e os testes mecânicos e dielétricos apropriados para as medições. A adequação do material à folga, à tensão de montagem, à cura e ao isolamento ao longo do caminho térmico é onde os materiais de interface Trumonytechs e os projetos de placas frias devem trabalhar em conjunto.

FAQ

Leitura complementar

• Um estudo comparativo do efeito do envelhecimento térmico em materiais de preenchimento de folgas térmicas à base de silicone e sem silicone (revista *Materials*, 2021) — Estudo de envelhecimento em armazenamento a altas temperaturas, revisado por pares (JEDEC JESD22-A103E), que corrobora as relações de compromisso entre endurecimento e constante dielétrica mencionadas acima; aplica-se às duas classes testadas, não a todos os materiais isentos de silicone.

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