Come ottimizzare la gestione termica con dissipatori di calore e gap filler

Una buona gestione termica è importante per garantire le prestazioni e l'affidabilità dei dispositivi elettronici. È semplice dal punto di vista concettuale, si parte dal trasferimento del calore indesiderato lontano dalla fonte per diffonderlo su un'area più grande per una dissipazione e un raffreddamento efficaci. Ma in molti casi, l'implementazione può essere impegnativa.

Le superfici dei dispositivi che generano calore in genere non sono sufficientemente lisce da avere la bassa impedenza termica necessaria per garantire un buon trasporto di calore. Alcuni dispositivi hanno superfici non planari, che aumentano la difficoltà della gestione termica. Inoltre, i componenti che devono essere raffreddati possono trovarsi in profondità all'interno del sistema, complicando ulteriormente l'estrazione di calore potenzialmente dannoso.

Le paste termiche e i grassi possono essere utilizzati per migliorare la conducibilità termica, ma ottenere la copertura necessaria per garantire un buon trasferimento termico ed evitare un'applicazione eccessiva che può contaminare le tracce del circuito e provocare cortocircuiti, non è sempre facile. Inoltre, le paste termiche e i grassi non possono diffondere il calore lateralmente lontano dalla fonte.

I progettisti possono rivolgersi a una varietà di materiali di interfaccia termica (TIM), compresi i gap filler e i diffusori di calore per fornire le impedenze termiche costantemente basse necessarie per un efficace trasferimento di calore, eliminando qualsiasi timore di contaminazione. Per soddisfare le esigenze specifiche del sistema, i TIM possono essere strutturati per trasferire il calore verticalmente o per diffonderlo lateralmente. I TIM sono disponibili in una varietà di spessori per soddisfare i requisiti di applicazioni specifiche, sono meccanicamente stabili a temperature di funzionamento elevate per una buona affidabilità, possono fornire un elevato isolamento elettrico e sono facili da applicare.

Questo articolo esamina la gestione termica e fornisce linee guida generali per la selezione dei TIM. Presenta poi diverse opzioni di TIM di Würth Elektronik ed esamina le considerazioni sull'applicazione e il design di ciascuna.

Che cosa sono i TIM?

I TIM sono collocati tra una fonte di calore e un gruppo di raffreddamento per migliorare l'accoppiamento termico e il flusso di calore. Due fattori aumentano l'efficienza dell'accoppiamento termico. Il primo è la capacità del TIM di conformarsi alle microscopiche irregolarità della superficie, eliminando tutte le bolle di aria isolante che riducono la conducibilità termica dell'interfaccia (Figura 1). In secondo luogo, i TIM hanno la conducibilità termica necessaria per trasferire efficacemente il calore dalla sorgente al gruppo di raffreddamento. La conducibilità termica, K, è quantificata come watt su metro per grado Kelvin, W/(m·K). Si misura sulla base della norma ASTM D5470, "Metodo di prova standard per le proprietà di trasmissione termica dei materiali di isolamento elettrico termococonduttivi".

Figura 1: Un TIM (blu) è usato per riempire le microscopiche irregolarità che esistono nelle superfici dei componenti e dei gruppi di raffreddamento per migliorare l'accoppiamento termico. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Oltre alla conducibilità termica, ci sono diverse considerazioni quando si seleziona un TIM:

• L'intervallo di temperatura di funzionamento è importante poiché vari TIM sono specificati per diversi intervalli di temperatura.
• La distanza tra le superfici di accoppiamento e se il TIM deve essere compresso per fornire un trasferimento termico ottimale.
• Capacità di resistenza alla pressione di compressione del TIM.
• Alcuni TIM sono disponibili con adesivi applicati alla superficie che ne permettono il fissaggio meccanico.
• Proprietà di isolamento elettrico del TIM, poiché alcuni materiali possono essere utilizzati per fornire l'isolamento elettrico.
• Alcuni TIM sono disponibili come prodotti standard senza quantità minima di ordinazione e senza costi di lavorazione, mentre altri sono disponibili in forme personalizzate che possono essere ottimizzate per i requisiti di applicazioni specifiche.

Scelte di gap filler

Il gap filler in silicone WE-TGF è un materiale generico progettato per l'uso in applicazioni a bassa pressione che beneficiano dell'isolamento elettrico, dove il TIM viene compresso tra il 10% e il 30% del suo spessore. Il superamento del livello di compressione raccomandato può provocare l'espulsione dell'olio siliconico, riducendo la vita utile del materiale ed eventualmente contaminando il circuito stampato (scheda CS). Questi TIM sono progettati per l'uso tra due superfici meccanicamente sicure in quanto non hanno alcun adesivo aggiuntivo oltre alla loro naturale adesività. Sono disponibili in spessori da 0,5 a 18 mm con conducibilità termica tra 1 e 3 W/(m·K). Gli spessori da 0,5 a 3 mm supportano livelli più alti di conducibilità termica (Figura 2).

Figura 2: I gap filler termici di Würth sono disponibili per soddisfare le esigenze di un'ampia varietà di applicazioni. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Ad esempio, il codice componente 40001020 è una piazzola di 400 x 200 mm con uno spessore di 2 mm e un valore K di 1 W/(m·K) e una resistenza dielettrica o un indice di rottura dielettrica (E_BR) di 8 kV/mm. Le caratteristiche morbide ed elettricamente isolanti dei gap filler WE-TGF li rendono adatti all'uso tra uno o più componenti elettronici e un gruppo di raffreddamento (Figura 3).

Figura 3: Una piazzola gap filler in elastomero siliconico è progettata per riempire uno spazio tra uno o più componenti elettronici e un gruppo di raffreddamento, come un dissipatore di calore, una piastra di raffreddamento o un alloggiamento in metallo. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Per le applicazioni di gestione termica che richiedono isolamento elettrico e un profilo più sottile, i progettisti possono utilizzare la piazzola isolante in silicone termoconduttivo WE-TINS con K da 1,6 a 3,5 W/(m·K) e uno spessore di 0,23 mm. Il codice componente 404035025 ha un K di 3,5 W/(m·K) e un E_BR di 6 kV/mm. Come tutti i componenti appartenenti alla serie WE-TINS, 404035025 combina la gomma siliconica termoconduttiva e una maglia in vetroresina. La maglia aggiunge resistenza meccanica ed è resistente alla perforazione e al taglio. Come risultato delle proprietà meccaniche della struttura, questi TIM possono essere compressi a piacere e hanno un'alta resistenza alla trazione.

I materiali a cambiamento di fase termici e i nastri a trasferimento termico sono ancora più sottili, con profili di soli 0,02 mm. Ad esempio, la serie WE-PCM di TIM a cambiamento di fase passa da solido a liquido a una temperatura specifica, fornendo una completa impregnazione dell'interfaccia senza fuoriuscite o riversamenti. Sono prodotti progettati per l'uso con circuiti integrati ad alte prestazioni o componenti di potenza e gruppi di raffreddamento. Ad esempio, il codice componente 402150101020 misura 100 mmq con adesivo su entrambi i lati, ha un K di 5 W/(m·K), un E_BR di 3 kV/mm e una temperatura di cambiamento di fase di 55 °C.

Il nastro a trasferimento termico WE-TTT è un nastro biadesivo che permette il fissaggio meccanico di entrambe le superfici di contatto. Ha un K di 1 W/(m·K) e un E_BR di 4 kV/mm ed è progettato per applicazioni a bassa pressione. È disponibile in larghezze di 8 mm (codice 403012008) e 50 mm (codice 403012050) su rotoli da 25 metri.

Soluzioni di diffusione del calore in grafite

I TIM a base di grafite sintetica offrono i più alti livelli di conducibilità termica (Figura 4). Il codice componente 4051210297017 della famiglia WE-TGS è un diffusore di calore in grafite sintetica di 297 x 210 mm con un K di 1800 W/(m·K) e non fornisce isolamento elettrico. La combinazione di alta conducibilità termica, leggerezza e sottigliezza (0,03 mm) rende questi fogli in grafite utili in una vasta gamma di applicazioni, dai moduli semiconduttori ad alta potenza ai dispositivi portatili.

Figura 4: I diffusori di calore in grafite offrono un'alta conducibilità termica in varie dimensioni e sono sottili anche di solo 0,03 mm. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

La serie WE-TGFG combina fogli in grafite con tamponi di schiuma per produrre soluzioni uniche di gestione termica con un K di 400 W/(m·K) e un E_BR di 1 kV/mm. Possono essere prodotte guarnizioni lunghe per fungere da diffusori di calore, trasferendo il calore lateralmente dalla sorgente a un gruppo di raffreddamento situato in un'altra parte del sistema (Figura 5). Ad esempio, il prodotto 407150045015 misura 45 mm di lunghezza, 15 mm di larghezza e 1,5 mm di spessore e può essere utilizzato in applicazioni che beneficiano di gap filler e di trasferimento laterale del calore.

Figura 5: Un TIM posto sopra un componente caldo può agire da diffusore di calore, trasferendo il calore lateralmente lontano dal componente. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Ottenere conducibilità termiche più elevate con piazzole di silicio come i gap filler WE-TGF richiede che la piazzola sia più sottile. I progettisti possono rivolgersi ai TIM WE-TGFG per riempire spazi fino a 25 mm con una conducibilità termica molto più alta di quella possibile con le piazzole in silicone e i componenti WE-TGFG possono essere realizzati in geometrie personalizzate per adattarsi a spazi non planari (Figura 6).

Figura 6: Una guarnizione in schiuma di grafite (al centro) può essere fabbricata in varie geometrie ed essere usata per interfacciarsi tra una fonte di calore (in basso) e un elemento di dissipazione del calore non planare (in alto). (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Combinare i TIM per migliorare le prestazioni

I TIM possono essere combinati per fornire livelli più elevati di prestazioni. Ad esempio, un diffusore di calore in grafite WE-TGS può essere combinato con un gap filler in silicone WE-TGF per consentire l'uso di un dissipatore di calore con un ingombro maggiore rispetto alla fonte di calore, aumentando la capacità di raffreddamento del gruppo complessivo (Figura 7).

Figura 7: La combinazione di un diffusore di calore in grafite WE-TGS (TIM 1) con un gap filler in silicone WE-TGF (TIM 2) può consentire l'uso di un dissipatore di calore più grande dell'ingombro del componente caldo, fornendo un raffreddamento migliore. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Linee guida generali per l'applicazione

Indipendentemente dal TIM o dai TIM utilizzati, i progettisti devono considerare alcune linee guida generali di applicazione:

• Le superfici del componente e del gruppo di raffreddamento devono essere pulite e asciutte. Utilizzare un tampone o una salvietta priva di lanugine e alcol isopropilico per rimuovere qualsiasi contaminante superficiale.
• Quando si usano i TIM che richiedono la compressione, il materiale dovrebbe essere compresso con una pressione uniforme su tutta la superficie. Il materiale può danneggiarsi se la pressione applicata supera il valore nominale specificato.
• Tutte le bolle d'aria superficiali e/o gli spazi vuoti devono essere eliminati per realizzare la migliore conducibilità termica.
• La temperatura di funzionamento del TIM deve essere in grado di adattarsi alla combinazione della temperatura ambiente e dell'aumento di temperatura del componente da raffreddare.

Conclusione

La gestione termica è un problema in un'ampia fascia di progetti di sistemi elettronici. Come mostrato, i progettisti hanno a disposizione una vasta gamma di TIM realizzati in una varietà di materiali tra cui silicone, materiali a cambiamento di fase, grafite e tamponi di schiuma. L'uso dei TIM può fornire le impedenze termiche costantemente basse necessarie per un efficace trasferimento di calore, eliminando qualsiasi preoccupazione di contaminazione che può sorgere quando si usano paste termiche o grassi.

Mentre le paste e i grassi trasferiscono il calore solo verticalmente, i progettisti possono scegliere tra vari TIM gap filler che conducono il calore verticalmente o i diffusori di calore che possono condurre il calore lateralmente. Infine, molti TIM sono disponibili senza una quantità minima di ordinazione o costi di lavorazione, il che li rende una scelta economica per i progetti impegnati nella gestione termica.

Letture consigliate

1. Una breve introduzione sulla gestione termica
2. Come stare al fresco: principi base sulla selezione e applicazione di un dissipatore di calore