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Materiais de Interface Térmica – Visão Geral e Aplicação

Os materiais de interface térmica (TIMs) são utilizados no campo da eletrónica para garantir uma dissipação eficiente do calor e evitar sobrecargas de temperatura localizadas. Como resultado, asseguram o funcionamento fiável e estável de dispositivos e componentes eléctricos.

O que são materiais de interface térmica?

Com uma condutividade térmica de apenas 0,0263 W/MK, o ar é o pior condutor de calor de todos. As bolsas de ar entre os componentes devem, por isso, ser evitadas para impedir a acumulação de calor. Os TIMs ajudam aqui, fechando as lacunas causadas por desníveis, tolerâncias ou rugosidade e assegurando que não são criadas lacunas de ar.

Os materiais de interface térmica estão disponíveis em vários modelos, por exemplo, como

Pastas condutoras de calor,
Adesivo condutor de calor,
Folhas de grafite e de alumínio,
Películas de espuma e GEL,
Películas termocondutoras adesivas de uma e duas faces,
Materiais de mudança de fase (PCM’s),
elastómeros com silicone e sem silicone,
Discos de Kapton e mica,
Materiais de óxido de alumínio.

Em muitos casos, não é fácil encontrar o material intermédio correto. No entanto, uma gestão térmica suficientemente bem concebida é essencial para o funcionamento ótimo e a longa vida útil dos componentes electrónicos.

Enchimento de lacunas ou massa de vedação

Cola

Almofadas

Almofadas como uma pilha

Que TIMs são adequados para que aplicação?

Nem todos os materiais são adequados como agentes universais para todas as áreas de aplicação em eletrónica. Para encontrar o TIM perfeito, os criadores na área da investigação de materiais têm de considerar uma vasta gama de propriedades do material, como a resistência térmica, a condutividade térmica, a impedância térmica, as tolerâncias mecânicas do emparelhamento de contactos, a gama de temperaturas, a compatibilidade ambiental e muitas outras.

O material condutor térmico mais adequado depende da respectiva aplicação. Os três principais tipos de TIMs são as películas condutoras de calor, as pastas condutoras de calor e os adesivos condutores de calor. Estes diferem em termos da sua utilização, espessura da camada, isolamento elétrico e condutividade térmica, entre outros aspectos.

Fases condutoras de calor

As pastas condutoras de calor são frequentemente utilizadas para criar camadas de transferência de calor, por exemplo, entre um dissipador de calor e um componente eletrónico. Estas são normalmente aplicadas em camadas muito finas com uma espessura máxima de cerca de 50 µm. Não é possível cobrir com elas distâncias maiores entre os componentes. Na prática, é frequentemente utilizada uma quantidade excessiva de pasta. No entanto, a aplicação de uma quantidade insuficiente de pasta é muitas vezes mais crítica, uma vez que pode não compensar todas as bolsas de ar.

Materiais de mudança de fase

Os materiais de mudança de fase são um desenvolvimento adicional das pastas condutoras térmicas convencionais. Como material em folha, estes TIMs têm uma espessura de camada contínua que permite uma instalação limpa e direta no dissipador de calor. Os PCMs também se caracterizam pela sua temperatura de mudança de fase. A uma temperatura de 45 a 55 °C, a consistência destes materiais muda de sólida para macia. Como resultado, eles fluem para todos os espaços vazios nos componentes em que são aplicados. Se a temperatura voltar a descer abaixo da temperatura de mudança de fase, o respetivo meio volta ao seu estado original sem quebrar a ligação aos pontos de contacto.

Acabamento da superfície e seleção de um TIM

Para poder utilizar pastas ou adesivos condutores de calor, as superfícies devem ser quase ideais em termos de tolerância. Se tal não puder ser garantido ou se o manuseamento destes materiais for demasiado complexo, são normalmente utilizadas folhas. Estas podem ser utilizadas para compensar as folgas de ar até 5 milímetros. No entanto, devido à sua maior espessura, a resistência térmica destes TIMs é mais elevada.

Principais áreas de aplicação dos materiais de interface térmica

O grande número de materiais de interface térmica fabricados através de uma grande variedade de processos ilustra uma mudança nas melhores práticas de conceção. O arrefecimento a ar na eletrónica está a desaparecer cada vez mais em favor de mais e mais dissipadores de calor e da ligação de componentes quentes a caixas metálicas e outras superfícies de dissipação de calor.

Esta mudança também beneficia a frequentemente desejada miniaturização dos conjuntos. Uma maior densidade de componentes reduz o volume de ar disponível para arrefecimento e, ao mesmo tempo, impede a circulação do ar restante. Por esta razão, um design sem ventoinhas é agora geralmente preferido em sistemas nos quais as ventoinhas eram originalmente utilizadas para arrefecimento de ar forçado.

Os TIMs na prática

Os TIMs são agora utilizados numa grande variedade de áreas, por exemplo, na eletrónica automóvel, no sector dos computadores, armazenamento e jogos, na optoelectrónica e na indústria aeroespacial. Permitem também uma excelente gestão térmica em embalagens electrónicas, electrodomésticos, tecnologia de iluminação, tecnologia médica e automação industrial.

Medições de alta precisão como base para uma gestão térmica optimizada

Devido aos inúmeros campos de aplicação possíveis e à imensa variedade de materiais, os materiais de interface térmica representam grandes desafios para a investigação de materiais. A gestão térmica no domínio da eletrónica é extremamente complexa e exige um conhecimento preciso das propriedades dos materiais dos TIMs utilizados.

Estas especificidades podem ser determinadas com o aparelho de teste de materiais de interface térmica que mede a impedância térmica de materiais de interface térmica, tais como fluidos térmicos, pastas condutoras de calor, condutores de calor elásticos e materiais de mudança de fase e determina a sua provável condutividade térmica.

Com este conhecimento, é possível aperfeiçoar a interação dos componentes e dos materiais de interface e desenvolver uma gestão térmica optimizada para aplicações electrónicas complexas.

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