Índice
Introdução e noções básicas de dissipadores de calor
Classificação e aplicações dos dissipadores de calor
Os dissipadores de calor podem ser classificados da seguinte forma:
- Espalhador de calor metálico
- Dispositivos de mudança de fase
- Ligações de transferência térmica
- Tubos de calor
- Ventilador
- Habitação
São utilizados numa variedade de aplicações, incluindo processadores de computadores, dispositivos móveis e eletrónica automóvel.
Alta condutividade térmica, baixa resistência térmica, grande área de superfície, design de dissipação de calor e materiais de interface térmica (TIM) são algumas das caraterísticas dos dissipadores de calor, como mostra a Fig. 1.
Os dissipadores de calor têm a capacidade de evitar danos nos componentes, melhorar o desempenho e dissipar o calor dos componentes electrónicos. Os dispositivos electrónicos em várias aplicações podem beneficiar da utilização de dissipadores de calor para ultrapassar problemas térmicos e melhorar o seu desempenho e vida útil.
Os distribuidores de calor são frequentemente utilizados para os seguintes fins:
- Circuitos de arrefecimento a ar com componentes integrados, como microprocessadores.
- Substratos para circuitos integrados de alto desempenho e díodos laser
- Arrefecimento de células fotovoltaicas em sistemas fotovoltaicos concentrados
- Equipamento aeroespacial e dispositivos de satélite, tais como dispositivos de radiofrequência de alta potência
- Sistemas de iluminação LED
- CPUs e GPUs de alto desempenho em computadores e servidores
- Díodos laser de alta potência e ótica laser
- Componentes electrónicos de potência
- Os veículos eléctricos têm de gerir a temperatura do sistema da bateria.
Estas aplicações demonstram a versatilidade e a importância dos distribuidores de calor em várias indústrias onde a dissipação eficaz do calor é essencial para um desempenho e fiabilidade óptimos do equipamento.
Métodos de medição e equipamento para espalhadores de calor
Os métodos de medição térmica de TIMs podem geralmente ser divididos em métodos estacionários e não estacionários (transientes).
A condutividade térmica pode ser medida utilizando o método de flash laser e o método de fio quente, que são medições não estacionárias, e o método de termorreflectância no domínio do tempo (TDTR) é uma medição estacionária avançada de TIMs.
Métodos contínuos e transientes ou aquecedores a laser pulsado são técnicas avançadas para determinar a condutividade térmica de materiais, incluindo condutores térmicos em cerâmica.
Estes métodos são explicados em pormenor.
LFA (Light/Laser Flash Analyser) , TFA (Analisador de película fina) , TF-LFA (Analisador de Flash Laser de Película Fina) , Aquecimento periódico a laser e testador TIM são todos instrumentos de medição utilizados para caraterizar as propriedades térmicas dos materiais, incluindo os condutores de calor.
Estes instrumentos foram concebidos para medir a difusividade e a condutividade térmicas de vários materiais, o que é fundamental para compreender a transferência de calor e a gestão térmica em dispositivos electrónicos e outras aplicações.
1º LFA (Light/Laser Flash Analyser):
O método LFA (in-plane) baseia-se no princípio de aquecer um dos lados de uma amostra plana e paralela com um impulso de energia curto (laser ou luz) e medir o aumento de temperatura no lado oposto com um detetor de infravermelhos, como se mostra na Fig. 2.
A difusividade térmica é calculada a partir do aumento de temperatura dependente do tempo, e a condutividade térmica é determinada com a fórmula que utiliza a difusividade térmica, a capacidade térmica específica e a densidade de massa. Para calcular a condutividade térmica da amostra, utiliza-se a difusividade térmica, a capacidade térmica específica (Cp) e a densidade de massa (ρ).
em que λ é a condutividade térmica, α é a difusividade térmica, ρ é a densidade da massa e Cp é a capacidade térmica específica.
LFA pode ser utilizado para uma variedade de materiais e baseia-se em normas nacionais e internacionais, tais como ASTM E1461, DIN EN 821, DIN 30905, ISO 8301, BS EN 1159-2, ASTM C714, ASTM C518 e outras.
2) TFA (analisador de película fina):
3º TF-LFA (thin-film laser flash analyser):
PLH (Aquecimento Periódico a Laser):
O aquecimento periódico por laser utiliza impulsos de laser de alta energia e curta duração para aquecer materiais de forma rápida (no plano) e selectiva.
O processo consiste em dirigir um impulso de laser para a superfície da amostra e gerar uma elevada densidade de energia no ponto de impacto.
Esta energia é absorvida pelo material e leva a um rápido aquecimento da camada superficial acima da sua temperatura de recristalização durante um certo período de tempo antes de arrefecer.
As propriedades físicas e químicas do material são alteradas pelo aquecimento rápido e intenso provocado pelo laser pulsado. Durante este processo, ocorre a migração atómica na rede cristalina, o que reduz o número de deslocações e altera a dureza e a ductilidade do material.
O material recristaliza por arrefecimento rápido com água ou arrefecimento lento com ar, e as taxas de aquecimento e arrefecimento influenciam a composição da fase cristalina e o tamanho do grão, o que acaba por determinar as propriedades do material.
Os PLH são utilizados em várias aplicações, incluindo aplicações de condutores térmicos. Estes sistemas incorporam o aquecimento por laser pulsado para obter modificações específicas do material e tratamentos de superfície.
A utilização de lasers pulsados permite um controlo preciso do processo de aquecimento, possibilitando aplicações como a recristalização selectiva de semicondutores, a soldadura de metais, o endurecimento de aços para ferramentas e as mudanças de fase em suportes ópticos de armazenamento de dados.
Assim, a PLH desempenha um papel crucial em vários domínios industriais e de investigação, proporcionando um aquecimento preciso e controlado para uma variedade de aplicações, incluindo aplicações de condutores térmicos. Além disso, a capacidade de realizar estudos resolvidos no tempo e de os associar a várias técnicas espectroscópicas permite uma melhor compreensão do comportamento dos materiais em condições de alta temperatura, o que pode ajudar a otimizar o desempenho dos condutores térmicos em várias aplicações.
Em conjunto, estas técnicas permitem um controlo preciso da distribuição da temperatura durante o aquecimento por laser pulsado para aplicações de condutores térmicos, garantindo processos de aquecimento eficientes e controlados, mantendo a integridade dos materiais processados.
Influência das cargas na condutividade térmica dos dissipadores de calor
A resistência térmica de um dissipador de calor pode ser fortemente influenciada pelo material de enchimento utilizado.
A condutividade térmica de um dissipador de calor pode ser melhorada através da adição de cargas ao seu material de base, o que é crucial para a sua eficácia na dissipação de calor.
A condutividade térmica, a estabilidade térmica e as propriedades mecânicas do dissipador de calor são influenciadas pela escolha do material de enchimento.
- O diamante é um dos materiais de enchimento mais eficazes para aumentar a condutividade térmica, com uma condutividade térmica de 2000 W/m-K. A condutividade térmica do dissipador de calor pode ser significativamente melhorada graças às suas propriedades altamente condutoras.
- O nitreto de boro (BN), com a sua morfologia semelhante a plaquetas, facilita as interações partícula-partícula e aumenta a condutividade térmica. Um material compósito com nitreto de boro pode aumentar a condutividade térmica quase cinco vezes em comparação com um material compósito preenchido com diamante, com uma carga de 15% em volume.
- O óxido de alumínio pode aumentar ligeiramente a condutividade térmica, com um aumento de 30 W/m-K. Embora menos eficiente do que o diamante ou o nitreto de boro, pode ainda assim melhorar a condutividade térmica do dissipador de calor.
- O dióxido de silício é frequentemente utilizado para reduzir o coeficiente de expansão térmica em vez de aumentar a condutividade térmica, devido à sua baixa eficácia na melhoria da condutividade térmica.
- As cargas de silicone são frequentemente utilizadas em materiais de interface térmica (TIM) para melhorar a propagação e a transferência de calor através do TIM.
Materiais de Interface Térmica (TIMs): Tipos e aplicações
O Testador de Material de Interface Térmica, ou testador TIM, é um dispositivo que mede a impedância térmica de materiais de amostra e determina a sua condutividade térmica aparente (no plano e no plano cruzado).
Os materiais de interface térmica com uma condutividade térmica de apenas 0,0263 W/MK fazem do ar um dos piores condutores de calor. Por conseguinte, as bolsas de ar entre os componentes devem ser evitadas para impedir a acumulação de calor.
Aqui, os TIMs ajudam a fechar as lacunas causadas por irregularidades, tolerâncias ou rugosidade e garantem que não ocorram bolsas de ar. Os materiais de interface térmica estão disponíveis em diferentes versões, 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 (PCMs),
- Elastómeros com silicone e sem silicone,
- Discos de Kapton e mica,
- Materiais de óxido de alumínio
Enchimento de lacunas ou massa de vedação
Cola
Almofadas
Almofadas como uma pilha
O aparelho de teste TIM é capaz de lidar com uma variedade de tamanhos e formas de amostras, incluindo sólidos, pastas, almofadas e muito mais. Funciona de acordo com a norma ASTM D5470, uma norma que mede a resistência térmica e a condutividade de materiais termicamente condutores.
Que TIMs são mais adequados para que aplicação?
Nem todos os materiais são adequados como materiais universais para todas as aplicações em eletrónica. Para encontrar o TIM perfeito, os criadores na área da investigação de materiais têm de considerar uma variedade de propriedades do material, como a resistência térmica, a condutividade térmica, a impedância térmica, as tolerâncias mecânicas do contacto, a gama de temperaturas, a compatibilidade ambiental e muitas outras.
O material mais adequado depende da 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 na sua utilização, espessura da camada, isolamento elétrico e condutividade térmica, entre outros aspectos.
Pastas condutoras de calor
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, o que permite uma montagem direta e limpa no dissipador de calor. Os PCMs também são caracterizados 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 entre os componentes aos quais 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 se poderem utilizar pastas ou adesivos condutores de calor, as superfícies devem ser quase ideais em termos de tolerâncias. Se isto não puder ser garantido ou se o manuseamento destes materiais for demasiado complicado, são normalmente utilizadas películas.
Isto permite compensar espaços de ar de até 5 milímetros. No entanto, a resistência térmica destes TIMs é maior devido à sua maior resistência.
Áreas de aplicação dos materiais de interface térmica
A variedade de materiais de interface térmica produzidos em diferentes processos demonstra uma mudança nas melhores práticas de design. Esta mudança também beneficia a frequentemente desejada miniaturização dos componentes.
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 geralmente preferido atualmente em sistemas nos quais as ventoinhas eram originalmente utilizadas para ventilação forçada.
TIM's na vida quotidiana
Otimização e aplicações industriais Espalhadores de calor
O aparelho de teste TIM pode ser utilizado para medir espalhadores de calor, que são materiais que espalham o calor uniformemente sobre uma superfície. O aparelho de teste TIM funciona aplicando pressão a uma amostra colocada entre uma haste de medição quente e uma fria.
Os sensores de temperatura são utilizados para medir o fluxo de calor através da amostra. A impedância térmica pode ser determinada calculando a queda de temperatura causada pelo material da amostra com base na sua geometria. A espessura da amostra pode ser introduzida manualmente ou medida utilizando um LVDT integrado.
Medições de alta precisão são a base para uma gestão térmica optimizada
Devido às inúmeras áreas de aplicação possíveis e à imensa variedade de materiais, os materiais condutores térmicos 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.
Para além de medir os dissipadores de calor, o aparelho de teste TIM também pode ser utilizado para testar outros materiais de interface térmica, tais como fluidos térmicos, pastas térmicas (massas lubrificantes), materiais de mudança de fase (PCM), soldas ou condutores térmicos robustos. Em resumo, o aparelho de teste TIM é uma ferramenta versátil e indispensável para medir as propriedades térmicas de dissipadores de calor e outros materiais de interface térmica utilizados em dispositivos electrónicos que requerem dissipação/blindagem de calor.
A otimização dos projectos de dissipadores de calor em eletrónica, aeroespacial e outras indústrias onde a gestão térmica eficiente é essencial é possível graças a estes métodos de investigação e desenvolvimento. A condutividade térmica pode ser medida com precisão pelos fabricantes para melhorar as capacidades de dissipação de calor, melhorar o desempenho do produto e garantir a fiabilidade em várias aplicações.
Com este conhecimento, é possível aperfeiçoar a cooperação de componentes e materiais de interface e desenvolver uma gestão térmica óptima para aplicações electrónicas complexas.
