De que é feita a pasta térmica?

Pasta térmica, graxa térmica e Material de Interface Térmica (TIM) referem-se à mesma classe de materiais de engenharia — este artigo usa os três termos de forma intercambiável.

Para entender a composição da pasta térmica, é necessário examinar dois sistemas interdependentes: a fase de enchimento, que determina a condutividade térmica, e a matriz de suporte, que controla a estabilidade mecânica e química a longo prazo. A resposta fundamental é a seguinte: a pasta térmica consiste em partículas de enchimento termicamente condutoras suspensas em uma base de suporte, onde o tipo de enchimento, o tamanho das partículas e a concentração da carga determinam coletivamente a condutividade, a segurança elétrica e a vida útil.

Os valores de condutividade térmica listados para cada material de enchimento ao longo deste artigo são valores de referência intrínsecos para o material policristalino em condições padrão de temperatura ambiente. A condutividade térmica real da formulação depende da concentração de carga, da distribuição do tamanho das partículas e da resistência da interface da matriz. O desempenho final requer dados medidos da formulação completa. ASTM D5470 ou equivalente. Para aplicações regulamentadas, incluindo dispositivos médicos e sistemas de armazenamento de energia para veículos elétricos, solicite ao seu fornecedor relatórios de testes completos que atendam aos padrões da indústria aplicáveis.

Este artigo não se aplica a materiais de mudança de fase, adesivos termicamente condutores ou TIMs de folha de grafite — essas classes de materiais envolvem química e critérios de seleção distintos, que estão fora do escopo deste artigo.

Por que a condutividade da pasta térmica sozinha não é suficiente?

A condutividade térmica em uma formulação de TIM varia de acordo com o tipo de carga, a concentração e o ambiente de aplicação — maximizar apenas a condutividade térmica (W/m·K) resulta em um projeto subótimo na maioria dos cenários de engenharia. Essa é uma distinção que aplicamos consistentemente em nosso trabalho de desenvolvimento de formulações, onde a otimização de eixo único frequentemente falha na validação em aplicações reais.

Três eixos de desempenho regem cada decisão de formulação:

• Condutividade térmica (W/m·K): Quão eficientemente o calor se transfere através do material em massa.
• Rigidez dielétrica (kV/mm): Se a pasta curada ou não curada resiste à fuga elétrica sob tensão de operação.
• Resistência à extração por bombeamento: Verificar se a pasta mantém a integridade do preenchimento de folgas durante ciclos térmicos sem migrar para fora da interface.

Esses três eixos se contrapõem. Cargas metálicas maximizam a condutividade, mas comprometem a rigidez dielétrica. Altas concentrações de carga aumentam a condutividade, mas elevam a viscosidade e pioram a resistência à descarga sob ciclos de carga e descarga. Compreender essa relação de compromisso entre os três eixos é pré-requisito para a leitura de todas as seções subsequentes.

Materiais de enchimento e suas relações de compromisso em termos de condutividade

Os materiais de enchimento em uma formulação TIM determinam a condutividade térmica do material, o comportamento elétrico e as restrições de morfologia das partículas — cada categoria de enchimento impõe um conjunto distinto de compromissos de engenharia que nenhuma modificação do suporte pode compensar totalmente. Três categorias abrangem todo o espaço de projeto — metálicas, cerâmicas e à base de carbono — cada uma representando um conjunto distinto de tipos de pastas térmicas com seu próprio limite de condutividade, comportamento elétrico e restrições de compatibilidade de portadores.

Quando escolher os enchimentos metálicos

Os materiais de enchimento metálicos oferecem os valores de condutividade térmica intrínseca mais elevados disponíveis em todas as categorias de materiais de enchimento. A condutividade intrínseca da prata — aproximadamente quatrocentos watts por metro-kelvin à temperatura ambiente — torna-a o material de enchimento metálico de melhor desempenho disponível (420 W/m·K, policristalino maciço, temperatura ambiente). O cobre (Cu) atinge aproximadamente 400 W/m·K nas mesmas condições. O alumínio (Al) atinge aproximadamente 237 W/m·K. Esses valores fazem dos materiais de enchimento metálicos a escolha preferida quando o desempenho térmico é a principal restrição e a exposição elétrica é controlada pelo projeto.

A relação de compromisso é direta. Os materiais de enchimento metálicos são eletricamente condutores. Uma formulação de TIM (Material de Interface Térmica) que utiliza prata ou cobre como material de enchimento apresentará condutividade elétrica proporcional à concentração de partículas e à percolação da rede. Em encapsulamentos com pads expostos, projetos com chips nus ou qualquer configuração em que a migração da pasta atinja uma superfície condutora de tensão, os TIMs metálicos criam risco de fuga de corrente. O risco não é marginal — é uma condição desqualificadora na maioria dos projetos de eletrônica de potência, a menos que a geometria da interface seja totalmente encapsulada e verificada. O risco de corrente de fuga deve ser avaliado em relação ao nível de tensão da aplicação — para sistemas acima de 48 V CC, uma resistividade volumétrica de pelo menos 1 GΩ·cm é normalmente exigida — e verificado de acordo com a norma de qualificação de montagem aplicável, em vez de ser inferido apenas a partir de dados do material em massa.

As pastas com alumínio ocupam uma posição intermediária. A condutividade do alumínio é menor que a da prata ou do cobre. O óxido de alumínio se forma naturalmente na superfície das partículas durante o processamento, o que reduz parcialmente a condutividade elétrica no nível da formulação — mas essa camada de óxido depende do processo e não garante isolamento, portanto, os TIMs com alumínio não devem ser considerados eletricamente seguros por padrão.

Preenchimentos cerâmicos para isolamento

Os materiais de enchimento cerâmicos proporcionam condutividade térmica significativa combinada com isolamento elétrico intrínseco. Essa combinação torna os TIMs com enchimento cerâmico a escolha dominante em eletrônica de potência, módulos de baterias de veículos elétricos e qualquer aplicação em que a rigidez dielétrica seja um requisito de especificação. Esses materiais de enchimento também são a base da maioria dos dispositivos de interface térmica (TIMs). soluções de interface térmica sem silicone, que especificam cada vez mais sistemas cerâmicos para eliminar simultaneamente a contaminação por silicone e o risco de isolamento elétrico.

Três tipos de enchimento cerâmico abrangem a maioria dos cenários de design:

*Os valores intrínsecos são valores de referência padrão para material policristalino em massa à temperatura ambiente. A condutividade térmica real da formulação em massa depende da concentração de carga, da distribuição do tamanho das partículas e da resistência da interface da matriz, e deve ser confirmada por testes de formulação completa de acordo com a norma ASTM D5470 ou equivalente. A condutividade térmica da formulação em massa é substancialmente menor do que os valores intrínsecos do material de enchimento em todos os níveis de carga práticos.

O óxido de alumínio é o material de enchimento cerâmico mais utilizado devido ao seu baixo custo e desempenho dielétrico confiável. O óxido de zinco oferece isolamento elétrico comparável, com morfologia ligeiramente diferente, o que o torna útil em formulações que requerem comportamento reológico específico. O nitreto de boro possui uma estrutura distinta — sua morfologia em forma de plaquetas proporciona condutividade térmica axial significativamente maior do que cerâmicas equiaxiais com carga equivalente. A geometria das plaquetas também permite maior densidade de empacotamento em distribuições multimodais, o que representa uma vantagem na formulação quando as metas de condutividade excedem o que o Al₂O₃ ou o ZnO podem oferecer sem carga excessiva.

Cargas à base de carbono e anisotropia térmica

Quando a direção do fluxo de calor pode ser controlada pela geometria de montagem, os materiais de enchimento à base de carbono oferecem caminhos de condutividade térmica que as cerâmicas equiaxiais não conseguem alcançar — grafite, nanotubos de carbono e plaquetas de grafeno conduzem calor de forma eficiente ao longo de sua direção basal ou axial, enquanto permanecem maus condutores perpendicularmente a ela.

Os CNTs individuais exibem valores teóricos de condutividade térmica axial acima de 3.000 W/m·K em condições ideais de medição de nanotubos individuais; em formulações em massa, a condutividade real é substancialmente menor devido à resistência interfacial entre os tubos e a matriz, à distribuição aleatória da orientação e aos defeitos de aglomeração — os valores relatados para formulações em massa geralmente variam de dezenas a algumas centenas de W/m·K, dependendo da qualidade, da carga e do alinhamento dos CNTs. As plaquetas de grafeno apresentam anisotropia semelhante.

Essa anisotropia tem duas implicações. Primeiro, o controle da orientação durante a dispensação e a cura determina se o eixo de alta condutividade se alinha com a direção da transferência de calor. Segundo, cargas de carbono suficientes exibem condutividade elétrica mensurável, particularmente ao longo do eixo de alta condutividade. Essas cargas são mais adequadas para aplicações em que o gerenciamento térmico direcional é projetado no conjunto e em que o isolamento elétrico é fornecido estruturalmente, e não pelo próprio TIM. Aplicações emergentes em módulos de potência e eletrônica de alta densidade são onde vemos os TIMs à base de carbono sendo aplicados com maior rigor técnico.

A categoria de carga utilizada em uma formulação determina seu limite térmico — mas a matriz de suporte determina se esse limite se mantém após cinco anos de ciclos térmicos.

Sistemas de matriz de portadoras e estabilidade a longo prazo

A confiabilidade a longo prazo em qualquer programa de TIM depende mais da seleção do veículo do que da escolha do material de enchimento em si — a matriz influencia a resistência ao exsudamento de óleo, a compatibilidade de dispensação e o limite de temperatura de serviço que determina se uma formulação mantém as especificações ao longo de uma vida útil de 10 anos da bateria. A seleção do material de enchimento não pode compensar um veículo que se degrada sob o perfil de ciclos térmicos da aplicação.

Base de óleo de silicone e seus limites térmicos

Os fluidos de silicone à base de óleo são os mais utilizados como base para interfaces de matriz polimérica (TIM) devido à sua flexibilidade em baixas temperaturas, estabilidade oxidativa até aproximadamente 150–200 °C (dependendo da massa molecular do polidimetilsiloxano e dos aditivos da formulação — os dados de TGA do fornecedor devem ser solicitados para confirmar o limite superior específico de cada formulação) e compatibilidade com uma ampla gama de cargas. O polidimetilsiloxano (PDMS) e seus derivados funcionais são os fluidos de silicone padrão.

Dois riscos são relevantes para o processo. Primeiro, o exsudamento de óleo — a migração de frações de silicone de baixo peso molecular para fora da rede de enchimento sob ciclos térmicos ou temperatura elevada sustentada. O exsudamento de óleo deposita silicone em superfícies adjacentes, o que causa falhas de adesão em operações de colagem secundária e pode contaminar componentes ópticos ou contatos elétricos. Segundo, o vapor de silicone — em temperaturas próximas ao limite superior de estabilidade, espécies voláteis de silicone podem se depositar em contatos de conectores e superfícies de relés. Em aplicações automotivas e aeroespaciais, a contaminação por silicone é um risco controlado que requer testes de qualificação, e não uma preocupação teórica.

Transportadores não siliciosos e de hidrocarbonetos

Nos casos em que os vapores de silicone representam uma condição desqualificante, e não apenas uma preocupação teórica, os veículos de hidrocarbonetos sintéticos — PAO, PIB e outras bases não siliconadas — oferecem a alternativa estável e de baixa pressão de vapor exigida pelos programas de sistemas automotivos e ópticos. Esses veículos são especificados em aplicações onde os voláteis de silicone são desqualificantes: certos módulos de controle automotivo, ambientes de unidades de disco rígido e sistemas ópticos.

Os suportes PAO, em particular, oferecem boa estabilidade térmica, baixa pressão de vapor e compatibilidade com sistemas de enchimento de alta temperatura. A desvantagem é uma menor flexibilidade na formulação. As bases não siliconadas geralmente apresentam viscosidades de base mais elevadas e um comportamento de fluxo em baixas temperaturas mais limitado do que as bases siliconadas. Para aplicações em baterias de veículos elétricos com longos intervalos de manutenção e temperaturas de operação que oscilam abaixo de 0 °C, a seleção do suporte requer validação em relação a todo o perfil de temperatura — e não apenas ao limite superior. Especificamos bases não siliconadas para programas de TIM automotivos onde a contaminação por vapor de silicone é explicitamente excluída pelos requisitos do fabricante original.

A seleção do suporte define o limite de estabilidade; os parâmetros de formulação subsequentes — tamanho da partícula, concentração de carga e distribuição de tamanho — determinam quanto do potencial térmico do material de enchimento se traduz efetivamente em condutividade volumétrica medida.

Tamanho das partículas, carga e classificação multimodal

Três parâmetros controláveis — tamanho da partícula, carga volumétrica e granulometria — definem o limite de desempenho de qualquer formulação TIM, e nenhuma variável isoladamente pode ser ajustada sem alterar as outras duas.

Tamanho da partícula Determina a geometria de empacotamento e a área de contato da interface. Partículas menores (na faixa submicrométrica) maximizam o contato superficial, mas aumentam drasticamente a viscosidade com a mesma carga. Partículas maiores (na faixa de 5 a 20 µm) permitem maior carga com menor viscosidade, mas reduzem a uniformidade do empacotamento em linhas de colagem finas.

concentração de carregamento de volume A condutividade é impulsionada até um limite. Abaixo do limiar de percolação — a concentração na qual as partículas de carga formam uma rede térmica contínua — a condutividade apresenta uma correlação fraca com a carga. Para sistemas típicos de carga cerâmica, esse limiar situa-se na faixa de aproximadamente 35 a 45% em volume; acima dessa concentração, a condutividade aumenta mais acentuadamente e, em seguida, estabiliza, pois a resistência interfacial da matriz limita ganhos adicionais. A carga prática também é limitada pela viscosidade: acima de aproximadamente dois terços do volume da formulação (aproximadamente 65 a 70% em volume na maioria das formulações cerâmicas), a viscosidade aumenta de forma proibitiva para o processamento compatível com a dispensação.

Classificação multimodal do tamanho das partículas resolve o conflito entre carga e viscosidade. A mistura de duas ou três frações distintas de tamanho de partícula — normalmente combinando uma fração grossa na faixa de 10–20 µm com uma fração fina na faixa de 1–2 µm — permite que partículas menores preencham o espaço vazio entre as maiores, aumentando a densidade de empacotamento sem aumentar a viscosidade proporcionalmente. A gradação multimodal é precisamente como formulações de alta condutividade (acima de 6–8 W/m·K em massa) atingem a viscosidade adequada para dispensação. O quão bem esses parâmetros se traduzem em desempenho em campo depende de métodos de aplicação de pasta térmica e o controle da linha de adesão, tanto quanto a escolha da formulação.

Esses parâmetros interagem, e o espaço de projeto requer validação iterativa de acordo com a norma ASTM D5470 para testes de condutividade em massa e testes reológicos para compatibilidade do processo.

Essa estrutura de validação torna-se o filtro de decisão para a lógica de seleção do setor de aplicação que se segue.

Seleção TIM por setor de aplicação

A seleção do TIM (material de interface térmica) para o setor de aplicação varia de acordo com a faixa de temperatura, a necessidade de isolamento elétrico e as restrições do processo de dispensação — traduzir a estrutura de carga-matriz em um caminho de decisão viável exige que essas três variáveis sejam compatibilizadas com o espaço de formulação disponível.

†As faixas de temperatura são valores de referência industriais representativos para os setores de aplicação indicados. Os limites operacionais reais devem ser confirmados de acordo com as especificações de gerenciamento térmico do fabricante original e a norma de qualificação aplicável. AEC-Q200 para componentes automotivos, ou a norma IEC ou UL relevante para a classificação de uso final.

As baterias de veículos elétricos exigem isolamento elétrico entre as células ou entre as células e as placas de resfriamento, eliminando a necessidade de enchimentos metálicos na maioria das posições. A profundidade dos ciclos térmicos é alta, portanto, a resistência à remoção do fluido de isolamento e o comportamento de exsudação de óleo ao longo de mais de 10 anos determinam a seleção do material de interface térmica (TIM). Validamos os TIMs para baterias de veículos elétricos com base em perfis de choque térmico de milhares de ciclos antes do lançamento da produção.

Aplicações de módulos de potência — particularmente módulos de SiC e IGBT operando acima de 150 °C — exigem alta condutividade e rigidez dielétrica. Formulações cerâmicas com predominância de BN em substratos de alta estabilidade atendem a essa necessidade. Substratos não siliconados são cada vez mais especificados por fabricantes de equipamentos originais (OEMs) automotivos para materiais de interface térmica (TIMs) de módulos de potência devido à necessidade de evitar a contaminação por silicone em ambientes de montagem de módulos.

A eletrônica industrial abrange uma ampla faixa de temperatura com requisitos de isolamento mais variáveis. Os materiais de enchimento metálicos permanecem viáveis em geometrias de interface fechadas sem tensões expostas. Os materiais de enchimento cerâmicos cobrem todas as posições que exigem isolamento. A seleção de portadores é menos restrita do que na indústria automotiva, embora os requisitos de longa vida útil em eletrônica de infraestrutura favoreçam cada vez mais formulações com menor dispersão. Para uma estrutura organizada sobre escolha de um material de interface térmica Em todos esses setores, a estabilidade dos portadores sob o perfil de ciclagem térmica esperado é o filtro inicial.

As questões mais frequentemente levantadas nas revisões de seleção — sobre a segurança do material de enchimento metálico, as vantagens e desvantagens do material de enchimento cerâmico e a estabilidade do suporte a longo prazo — são abordadas diretamente abaixo.

Conclusão

Em nossa experiência com projetos de gerenciamento térmico de baterias de veículos elétricos e programas de módulos de potência, a otimização de eixo único — escolher a opção de maior condutividade sem validar a rigidez dielétrica, a resistência de bombeamento e a estabilidade dos portadores em relação ao perfil de vida útil real — tem sido uma fonte recorrente de erros na seleção de TIM (material de interface térmica). A química de materiais descrita neste artigo fornece a estrutura para evitar esse tipo de falha e para interpretar as fichas técnicas dos fornecedores com a especificidade que essas decisões exigem.

Se a sua aplicação exigir uma solução testada e com especificações de alto nível, a nossa massa condutora de calor Nossa linha de produtos abrange formulações à base de silicone e sem silicone, validadas nos setores de baterias e módulos de potência para veículos elétricos. Estamos à disposição para auxiliar na seleção de cargas e suportes que melhor se adaptem ao seu perfil específico de ciclagem térmica e às suas necessidades de isolamento — entre em contato para discutirmos o seu projeto.

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