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Materiali per interfacce termiche – Panoramica e applicazioni

I materiali di interfaccia termica (TIM) sono utilizzati nel campo dell’elettronica per garantire un’efficiente dissipazione del calore e prevenire sovraccarichi di temperatura localizzati. Di conseguenza, garantiscono un funzionamento affidabile e stabile dei dispositivi e dei componenti elettrici.

Cosa sono i materiali di interfaccia termica?

Con una conducibilità termica di soli 0,0263 W/MK, l’aria è il peggior conduttore di calore in assoluto. Per evitare l’accumulo di calore è quindi necessario evitare le sacche d’aria tra i componenti. I TIM aiutano in questo senso chiudendo gli spazi causati da irregolarità, tolleranze o rugosità e assicurando che non si creino vuoti d’aria.

I materiali per l’interfaccia termica sono disponibili in diverse versioni, ad esempio come

Paste termicamente conduttive,
Adesivo termoconduttivo,
Fogli di grafite e alluminio,
Pellicole in schiuma e GEL,
Pellicole termoconduttive adesive mono e bifacciali,
Materiali a cambiamento di fase (PCM),
elastomeri contenenti e privi di silicone,
Dischi in Kapton e mica,
Materiali in ossido di alluminio.

In molti casi, non è facile trovare il materiale intermedio giusto. Tuttavia, una gestione termica sufficientemente ben progettata è essenziale per il funzionamento ottimale e la lunga durata dei componenti elettronici.

Riempitivo o sigillante per fughe

Incolla

Tappetini

Tappetini in pila

Quali TIM sono adatti per quale applicazione?

Non tutti i materiali sono adatti come agenti universali per tutte le aree di applicazione dell’elettronica. Per trovare il TIM perfetto, gli sviluppatori nel campo della ricerca sui materiali devono considerare un’ampia gamma di proprietà del materiale, come la resistenza termica, la conducibilità termica, l’impedenza termica, le tolleranze meccaniche dell’accoppiamento dei contatti, l’intervallo di temperatura, la compatibilità ambientale e molte altre ancora.

Il materiale termoconduttivo più adatto dipende dalla rispettiva applicazione. I tre tipi principali di TIM sono le pellicole termoconduttive, le paste termoconduttive e gli adesivi termoconduttivi. Questi ultimi si differenziano tra l’altro per l’uso, lo spessore dello strato, l’isolamento elettrico e la conducibilità termica.

Fasi conduttrici di calore

Le paste termoconduttive sono spesso utilizzate per creare strati di trasferimento del calore, ad esempio tra un dissipatore di calore e un componente elettronico. Di solito vengono applicate in strati molto sottili, con uno spessore massimo di circa 50 µm. Non è possibile colmare distanze maggiori tra i componenti. In pratica, spesso si utilizza una quantità eccessiva di pasta. Tuttavia, l’applicazione di una quantità insufficiente di pasta è spesso più critica, poiché potrebbe non compensare tutte le sacche d’aria.

Materiali a cambiamento di fase

I materiali a cambiamento di fase sono un’ulteriore evoluzione delle paste termoconduttive convenzionali. Come materiale in fogli, questi TIM hanno uno spessore continuo che consente un’installazione pulita e diretta sul dissipatore di calore. I PCM si caratterizzano anche per la loro temperatura di cambiamento di fase. A una temperatura compresa tra 45 e 55 °C, la consistenza di questi materiali cambia da solida a morbida. Di conseguenza, scorrono in tutte le fessure dei componenti a cui vengono applicati. Se la temperatura scende di nuovo al di sotto della temperatura di cambiamento di fase, il rispettivo medium torna allo stato originale senza interrompere la connessione con i punti di contatto.

Finitura superficiale e selezione di un TIM

Per poter utilizzare paste o adesivi termoconduttivi, le superfici devono essere quasi ideali in termini di tolleranza. Se questo non può essere garantito o se la manipolazione di questi materiali è troppo complessa, di solito si ricorre alle pellicole. Queste ultime possono essere utilizzate per compensare vuoti d’aria fino a 5 millimetri. Tuttavia, a causa del maggiore spessore, la resistenza termica di questi TIM è più elevata.

Principali aree di applicazione dei materiali di interfaccia termica

Il gran numero di materiali per interfacce termiche prodotti con un’ampia varietà di processi illustra un cambiamento nelle migliori pratiche di progettazione. Il raffreddamento ad aria nei dispositivi elettronici sta scomparendo sempre di più a favore di un numero sempre maggiore di dissipatori di calore e del collegamento dei componenti caldi ad alloggiamenti metallici e ad altre superfici che dissipano il calore.

Questo cambiamento va anche a vantaggio della spesso desiderata miniaturizzazione degli assemblaggi. Una maggiore densità di componenti riduce il volume d’aria disponibile per il raffreddamento e allo stesso tempo impedisce all’aria rimanente di circolare. Per questo motivo, un design privo di ventole è ora preferito nei sistemi in cui le ventole erano originariamente utilizzate per il raffreddamento ad aria forzata.

I TIM nella pratica

I TIM sono oggi utilizzati in un’ampia gamma di settori, ad esempio nell’elettronica automobilistica, nel settore dei computer, dell’archiviazione e dei giochi, nell’optoelettronica e nell’industria aerospaziale. Inoltre, consentono un’eccellente gestione termica nel packaging elettronico, negli elettrodomestici, nella tecnologia dell’illuminazione, nella tecnologia medica e nell’automazione industriale.

Misurazioni di alta precisione come base per una gestione termica ottimizzata

A causa degli innumerevoli campi di applicazione possibili e dell’immensa varietà di materiali, i materiali per l’interfaccia termica rappresentano una sfida importante per la ricerca sui materiali. La gestione termica nel campo dell’elettronica è estremamente complessa e richiede una conoscenza precisa delle proprietà dei materiali utilizzati.

Queste caratteristiche possono essere determinate con il tester per materiali di interfaccia termica che misura l’impedenza termica di materiali di interfaccia termica come fluidi termici, paste termoconduttive, conduttori di calore elastici e materiali a cambiamento di fase e determina la loro probabile conducibilità termica.

Grazie a queste conoscenze, è possibile perfezionare l’interazione dei componenti e dei materiali di interfaccia e sviluppare una gestione termica ottimizzata per applicazioni elettroniche complesse.

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