L’importanza dei materiali di interfaccia termica

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di Ryan Smoot, CUI Devices

Viene data molta attenzione alle ventole, ai dissipatori di calore e ai dispositivi Peltier quando si parla di gestione termica, quindi potrebbe essere facile trascurare il modo cruciale in cui sono messi insieme questi elementi. Un materiale di interfaccia termica (TIM) è ciò che garantisce che questi metodi di gestione del calore funzionino con la massima efficienza. Un TIM è praticamente qualsiasi materiale che riduce la resistenza termica tra due superfici. Poiché le superfici potrebbero non essere completamente piane o lisce, possono esserci degli air gap tra le due superfici. Lo scopo di questi materiali è colmare questi spazi microscopici con una sostanza che ha una migliore conducibilità termica rispetto all’aria. I TIM possono essere uno dei tanti materiali diversi utilizzati per migliorare la conducibilità termica al fine di ottenere il trasferimento di calore più efficiente da un componente che produce calore, come un transistor di potenza, a un dispersore di calore, solitamente un dissipatore, un raffreddatore termoelettrico o una combinazione di questi.

Il materiale di interfaccia termica aiuta a riempire i microscopici air gap tra due superfici

Che cosa è la conducibilità termica?

Per capire esattamente come colmare queste lacune microscopiche possa aiutare il trasferimento di calore, è importante comprendere la conducibilità termica. Come suggerisce il termine, la conducibilità termica di un materiale è la sua capacità di trasferire calore e non dipende dalle dimensioni di una parte specifica. Questa è tipicamente misurata in un’unità di potenza divisa per l’area x la temperatura, come W/m°C o W/m*K. Si noti che 1 unità sulla scala Kelvin equivale a 1°C, quindi, quando si eseguono i calcoli, l’unico aspetto da tenere in considerazione è la variazione relativa della temperatura, non il valore assoluto.

Quando si ha a che fare con la dissipazione del calore, maggiore è la conducibilità termica, meglio è. Il trasferimento di calore verso materiali a bassa conducibilità termica ha una bassa velocità di trasferimento, mentre i materiali ad alta conducibilità termica hanno un’alta velocità di trasferimento. Per mettere le cose nella giusta prospettiva, la conducibilità termica dell’aria è di soli 0,0263 W/m*K, equivalenti a circa due ordini di grandezza in meno rispetto a quella dei materiali di interfaccia termica. Se ci sono spazi d’aria tra il package e il dissipatore di calore, il trasferimento del calore sarà ostacolato. Il TIM, che ha una conducibilità termica molto più elevata rispetto all’aria, riempie questi spazi e quindi facilita il trasferimento di calore.

Che cosa è la resistenza termica?

Al contrario, l’impedenza o resistenza termica dipende dalla forma di una parte specifica e ha unità di temperatura divise per potenza, gradi Celsius per Watt, che è una misura più utile ai fini della progettazione. La resistenza termica è trattata in modo approfondito nei nostri blog Panoramica della gestione termica e Come selezionare un dissipatore di calore, ma sarà esaminata rapidamente qui. Con l’unità, C/W, la resistenza termica calcola quanti gradi di calore in più, in gradi Celsius, otterrà una giunzione, per watt di potenza dissipata. Pertanto, una giunzione che trasferisce 3 watt di potenza attraverso una resistenza misurata a 20 C/W aumenterà di 60 gradi Celsius di temperatura rispetto alla temperatura ambiente. Spesso, il valore della resistenza termica viene indicato per un’area specifica con un determinato mezzo, ad esempio, un package TO-220 con l’aria senza dissipatore di calore.

Nel caso di dispositivi che sono integrati con altri dispositivi, viene data una nuova resistenza termica. Tuttavia, questa resistenza termica è data supponendo che esista una perfetta connessione tra le due superfici, e non è questo il caso. È in queste situazioni che il materiale di interfaccia termica viene utilizzato per creare condizioni il più possibile vicine a quelle ideali. Anche se questo aiuta, aggiunge un livello di complessità perché la resistenza termica del TIM deve poi essere inclusa nei calcoli. Potrebbe essere ironico il fatto che il materiale di interfaccia termica, pur diminuendo la resistenza termica tra due oggetti, abbia una propria resistenza termica. Sebbene questo valore non sia trascurabile, riduce comunque la resistenza termica tra due oggetti qualsiasi, significativamente più di quanto contribuisca. A seconda del tipo di TIM utilizzato, questa resistenza termica può essere data, o può dover essere calcolata, a seconda dello spessore del TIM e della superficie su cui viene utilizzata.

Un’illustrazione di base dei percorsi di impedenza termica tipici che devono essere considerati in una determinata applicazione

Quali sono i diversi tipi di materiale di interfaccia termica?

I materiali di interfaccia termica sono disponibili in molte forme, come gel, grassi, paste e cuscinetti di interfaccia termica (thermal pads). In generale, le paste per interfacce termiche, inclusi gel e grassi, offrono un’eccellente conduttività termica, un’elevata flessibilità e un migliore riempimento degli spazi più grandi. Tuttavia, possono essere difficili da applicare a seconda della superficie e non producono risultati coerenti. Applicare troppa pasta, ad esempio, può ridurre l’efficacia complessiva. Al contrario, se si applica una quantità insufficiente di pasta, l’efficacia dell’interfaccia termica potrebbe essere compromessa. Inoltre, le paste a base metallica, che offrono una conduttività termica superiore, possono causare danni elettrici se si spremono o si rovesciano accidentalmente sul PCB. Le paste ceramiche o a base di carbonio sono “più sicure” da usare in questo senso, ma non così efficienti dal punto di vista termico come le alternative a base di metallo.

D’altra parte, i pad termici sono solidi TIM realizzati in elastomeri non siliconici o siliconici, sebbene siano disponibili molti altri materiali. Ad esempio, i pad termici di CUI Devices sono naturalmente adesivi, isolati elettricamente e offrono vari valori di conducibilità termica da 1,0 a 6,0 W/m*K. Uno dei principali vantaggi dell’utilizzo dei pad di interfaccia termica, rispetto alle paste, è che sono molto più facili da applicare. CUI Devices li offre pretagliati per adattarsi al profilo dei nostri dispositivi Peltier, il che aggiunge ulteriore praticità e consente di risparmiare tempo durante l’assemblaggio, piuttosto che acquistare il materiale del pad in fogli di grandi dimensioni e tagliarlo a misura. Questi cuscinetti offrono maggiore consistenza, meno disordine e sono più riutilizzabili di una pasta termica.

La pasta, tuttavia, rimane popolare nelle applicazioni non standardizzate, in cui gli utenti hanno a che fare con un’ampia varietà di dispositivi diversi e sarebbe difficile conservare tutti i pad termici di diverse dimensioni necessari. La pasta termica è anche molto popolare tra gli hobbisti, in quanto è più facile acquistare un tubetto piccolo ed economico che può essere utilizzato su una varietà di piccoli progetti, invece di perdere tempo per ottenere le dimensioni corrette, sperando che le misure siano corrette. Ecco una rapida tabella che riassume e confronta le varie opzioni di materiale dell’interfaccia termica:

Riepilogo

Un’efficace gestione termica è una sfida complessa con molti approcci e soluzioni diverse. L’importanza dei materiali di interfaccia termica, come parte dell’insieme complessivo, non deve essere ignorata. Che si tratti di prototipazione, spostamento verso la produzione o semplicemente utilizzo di materiali di interfaccia termica per uso hobbistico, avere una buona conoscenza del motivo per cui sono necessari e del loro funzionamento può fare una differenza sostanziale nelle prestazioni termiche di un dispositivo.

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