Non dimenticate i materiali di interfaccia termica

Nel campo della gestione termica, si presta molta attenzione a ventole, dissipatori e dispositivi Peltier, il che potrebbe far dimenticare il modo in cui questi componenti sono assemblati. Un materiale di interfaccia termica (TIM) è di estrema importanza per garantire prestazioni ottimali di queste altre tecniche di gestione termica. I TIM occupano i piccoli e microscopici vuoti presenti tra due superfici non uniformi con una sostanza che vanta una conducibilità termica migliore dell'aria. I TIM possono comprendere vari materiali utilizzati per migliorare la conducibilità termica, garantendo un trasferimento efficiente del calore da un elemento che lo genera, come un transistor di potenza, a un dissipatore di calore e/o un raffreddatore termoelettrico. Questo articolo si prefigge di definire in modo più dettagliato la conducibilità termica e l'impedenza, fornendo al contempo un'introduzione generale ai diversi tipi di TIM disponibili per i progettisti.

Figura 1: Rappresentazione di base di un TIM che riempie i traferri tra due superfici non uniformi. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Panoramica sulla conducibilità termica

Per comprendere appieno come il riempimento di questi vuoti microscopici possa migliorare il trasferimento di calore, è essenziale capire a fondo la conducibilità termica. La conducibilità termica misura la capacità di un materiale di trasmettere il calore e non dipende dalle dimensioni del componente. Questo parametro è generalmente quantificato in unità di potenza divisa per l'area per la temperatura, misurato in W/m°C o W/m*K. Va notato che, poiché un'unità della scala Kelvin equivale a un grado Celsius, ai fini dei calcoli è rilevante solo la variazione relativa della temperatura, non il valore assoluto.

Quando si tratta di dissipazione del calore, è sempre più auspicabile una maggiore conducibilità termica. I materiali a bassa conducibilità termica presentano una bassa velocità di trasferimento del calore, mentre quelli ad alta conducibilità termica consentono un trasferimento del calore più rapido. A titolo di esempio, la conducibilità termica dell'aria è di soli 0,0263 W/m*K, circa due ordini di grandezza inferiore a quella dei materiali di interfaccia termica. In presenza di traferri tra il componente e il dissipatore, la dissipazione del calore è ostacolata. Riempiendo questi vuoti con un TIM, che vanta una conducibilità termica significativamente superiore a quella dell'aria, il trasferimento di calore è più efficiente.

Panoramica sulla resistenza termica

L'impedenza o resistenza termica dipende fortemente dalla forma di un componente specifico ed è espressa in unità di temperatura divisa per la potenza, cioè gradi Celsius per watt. Sebbene la resistenza termica sia trattata in dettaglio nei blog (in inglese) di Same Sky Presentazione della gestione termica e Come selezionare un dissipatore di calore, ecco un rapido riassunto. La resistenza termica, indicata in unità di C/W, determina di quanti gradi Celsius si riscalda una giunzione per ogni watt di potenza dissipata. Ad esempio, se una giunzione che dissipa 4 W di potenza ha una resistenza di 10 C/W, la sua temperatura aumenterà di 40 gradi Celsius rispetto alla temperatura ambiente. Spesso, il valore di resistenza termica è indicato per un mezzo e un'area specifici, ad esempio un contenitore TO-220 in aria senza dissipatore.

Quando più dispositivi vengono integrati, viene assegnato al gruppo un nuovo valore di resistenza termica. Tuttavia, questo valore di resistenza termica presuppone che tra le due superfici esista un collegamento perfetto, cosa che non sempre avviene. In queste situazioni, si utilizza un materiale di interfaccia termica per creare condizioni il più possibile simili a quelle ideali. Sebbene ciò migliori il trasferimento di calore, aggiunge anche un livello di complessità, poiché la resistenza termica del TIM deve essere inclusa nei calcoli. Potrebbe sembrare ironico che, mentre il materiale di interfaccia termica riduce la resistenza termica tra due oggetti, possieda anche una propria resistenza termica intrinseca. Questo valore non è insignificante, ma riduce comunque la resistenza termica tra due oggetti in misura significativamente superiore a quella che aggiunge. A seconda del tipo di TIM impiegato, questa resistenza termica può essere fornita o deve essere calcolata in base allo spessore del TIM e alla superficie su cui è applicato.

Figura 2: Esempio dei tipici percorsi dell'impedenza termica che possono essere considerati in un'applicazione. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Tipi comuni di materiali di interfaccia termica

I materiali di interfaccia termica, che possono assumere la forma di gel, grassi, paste e fogli, offrono diverse soluzioni per affrontare le sfide legate alla gestione del calore. Tra questi, le paste di interfaccia termica, compresi i gel e i grassi, sono note per la loro elevata conducibilità termica, la flessibilità e la capacità di riempire grandi spazi vuoti. Tuttavia, l'applicazione della pasta può essere complicata, soprattutto su superfici irregolari, e non sempre produce risultati omogenei. Un'applicazione eccessiva può portare a una riduzione dell'efficacia complessiva, mentre un'applicazione insufficiente può compromettere le prestazioni dell'interfaccia termica. Inoltre, le paste a base di metallo, che offrono una conducibilità termica superiore, possono costituire un rischio elettrico se si riversano sulla PCB. Le paste ceramiche o a base di carbonio possono essere un'alternativa più sicura, ma la loro efficienza termica potrebbe non essere all'altezza delle opzioni a base di metallo.

I fogli termoconduttivi sono TIM solidi realizzati in silicone o in elastomeri non siliconici, con molti altri materiali disponibili. Ad esempio, i fogli termoconduttivi di Same Sky sono naturalmente appiccicosi, con isolamento elettrico e valori di conducibilità termica variabili da 1,0 a 6,0 W/m*K. Uno dei principali vantaggi dell'uso delle piazzole di interfaccia termica al posto delle paste è la loro facilità di applicazione. I fogli termoconduttivi di Same Sky sono pretagliati per adattarsi ai profili dei dispositivi Peltier, il che fa risparmiare tempo e offre maggiore comodità durante l'assemblaggio rispetto all'acquisto di grandi fogli di materiale per piazzole e al loro taglio su misura. I fogli termoconduttivi offrono anche una maggiore consistenza, meno confusione e sono più riutilizzabili delle paste termiche.

Tuttavia, nelle situazioni in cui gli utenti hanno a che fare con dispositivi e dimensioni diverse, la pasta termica rimane un'opzione preferibile grazie alla sua versatilità. La pasta termica è anche popolare tra gli hobbisti perché è poco costosa e facilmente disponibile in tubetti, eliminando la necessità di misurazioni e dimensionamenti precisi. Questo la rende pratica per piccoli progetti e applicazioni singole. Ecco un rapido riepilogo delle diverse opzioni TIM:

Tabella 1: Riepilogo delle opzioni di materiale di interfaccia termica (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Conclusione

La gestione termica efficiente è un problema complesso che richiede una serie di strategie e soluzioni. Non bisogna trascurare l'importanza dei materiali di interfaccia termica come componente chiave dell'intero sistema. Che si tratti della fase di prototipazione, della transizione verso la produzione o del semplice utilizzo di materiali di interfaccia termica per progetti fai-da-te, capirne a fondo la necessità e i meccanismi alla base della loro funzionalità può fare una differenza significativa nelle prestazioni termiche di un progetto.