Oggi i progettisti hanno a disposizione un'ampia gamma di materiali termici, a testimonianza di un cambiamento nelle migliori pratiche di progettazione. Questo cambiamento sta sostituendo la ventilazione dei componenti elettronici con l'uso diffuso di dissipatori di calore e sta creando connessioni precise tra i componenti caldi e le superfici dissipative, come il telaio metallico o il coperchio del case. Tale cambiamento dimostra una richiesta generale di assemblaggi miniaturizzati. La densità sempre crescente dei componenti riduce di fatto il volume d'aria disponibile per il raffreddamento e ne ostacola la circolazione. Laddove un tempo si utilizzava una ventola per raffreddare il sistema con aria forzata, ora si preferisce spesso una soluzione senza ventola per ridurre costi, consumo energetico, dimensioni e rumorosità. Inoltre, la ventola è spesso il componente meno affidabile del sistema.
L'aria come nemica:
l'aria statica è considerata un nemico della gestione termica. Con la sua bassa conduttività termica di soli 0,024 W/mK, rispetto ai 250 W/mK dell'alluminio, l'aria intrappolata in microscopiche sacche all'interfaccia tra un dissipatore di calore e un componente può compromettere seriamente il trasferimento di calore. Tradizionalmente, per eliminare queste sacche d'aria, si applicava alle superfici pasta termica o un materiale a cambiamento di fase.
Per soddisfare le moderne esigenze di gestione termica, è ora disponibile una più ampia varietà di prodotti e materiali con proprietà più diversificate, che aiutano gli ingegneri a eliminare efficacemente le intercapedini d'aria all'interno dell'involucro. Una delle principali sfide che i progettisti si trovano ad affrontare oggi è quella di riempire intercapedini d'aria relativamente ampie all'interno dell'involucro. Queste possono variare da 1 mm a 5 mm di dimensione. Inoltre, quando più componenti sono montati su un dissipatore di calore comune, la dimensione delle intercapedini d'aria può essere irregolare e variare da componente a componente. Questo problema può essere ulteriormente aggravato dall'accumulo delle tolleranze di assemblaggio meccanico. In questi casi, il materiale di riempimento scelto deve essere in grado di compensare tali variazioni per mantenere un contatto saldo con ogni superficie senza esercitare forze eccessive sull'involucro del componente.
I pad termici e i gel sono due delle soluzioni termiche più diffuse al giorno d'oggi. I pad, elementi comprimibili con un legante in elastomero siliconico riempito con particelle termoconduttive, si adattano ai contorni della scheda madre. Il gel è un materiale siliconico vulcanizzato che può essere applicato con una pompa o un dispenser. È ideale quando la distanza tra la superficie del componente e la superficie fredda adiacente può variare, ad esempio, quando più componenti sono collegati a un dissipatore di calore comune. Può anche essere utilizzato come alternativa alla pasta termica tradizionale o ai materiali a cambiamento di fase, poiché esercita una forza bassa e costante sulla scheda e sui suoi componenti.
Tamponi di riempimento:
i progressi nei materiali di incollaggio a base polimerica, capaci di operare in un ampio intervallo di temperature, sono stati fondamentali per lo sviluppo dei tamponi di riempimento, in quanto risolvono molti dei problemi di gestione termica attualmente affrontati dagli ingegneri. Gli elastomeri siliconici comunemente utilizzati hanno un basso modulo di compressione, che consente loro di adattarsi ai contorni delle superfici di incollaggio con una compressione minima. Ciò evita forze elevate sui componenti e sulle giunzioni di saldatura. Pertanto, un basso modulo di compressione e un'elevata conduttività termica sono caratteristiche ideali per un tampone di riempimento. I nuovi materiali, come l'HCS10 di Chomerics, rivelano una tendenza costante verso composti sempre più morbidi, che risultano chiaramente molto utili nella progettazione di sistemi elettronici delicati con un fattore di forma ridotto.
Sono disponibili diversi livelli di prestazioni termiche, con una conduttività termica che varia da meno di 1 W/mK a più di 6 W/mK. Poiché la conduttività è solitamente determinata dalla quantità e dal tipo di riempitivo conduttivo, che può essere costituito da particelle di un materiale ceramico o da un composto metallico come ossido di alluminio, ossido di zinco o nitruro di boro, una maggiore conduttività si ottiene in genere aumentando il modulo di compressione.
I progettisti possono anche scegliere tra vari valori del modulo di compressione. Tra le formulazioni più flessibili si annoverano il cuscinetto THERM-A-GAP™ HCS10, un materiale che si flette del 73% a 50 psi, e il THERM-A-GAP 580, che si flette solo del 30% nelle stesse condizioni. Di conseguenza, alcuni materiali di riempimento possono essere utilizzati per smorzare le vibrazioni offrendo al contempo proprietà di conformabilità per la gestione termica.
I pannelli di riempimento sono generalmente disponibili in vari spessori. Tuttavia, i progettisti devono tenere presente che la conduttività termica di un pannello è molto inferiore a quella del metallo. Un pannello non è una soluzione per una progettazione termica inadeguata, quindi gli ingegneri dovrebbero cercare di ridurre al minimo le dimensioni degli spazi vuoti in modo che possano essere riempiti con pannelli di riempimento di spessore minimo.
I cuscinetti termoconduttivi possono essere ordinati in fogli interi, tagliati su misura, oppure come cuscinetti personalizzati su un foglio o come singoli componenti. Viene inoltre applicato un supporto, come ad esempio un foglio di alluminio o fibra di vetro. Le superfici dei cuscinetti presentano in genere un certo grado di adesività per mantenerli in posizione e ridurre al minimo la resistenza di contatto. Un adesivo sensibile alla pressione può essere preapplicato sulla superficie per stabilire un contatto permanente con il materiale freddo. Sono disponibili formulazioni a basso degassamento e prive di silicone per applicazioni sensibili al silicone, come apparecchiature elettroniche aerospaziali e ottiche e unità disco.
I gel termici
, invece, possono essere forniti sfusi, in cartucce o in siringhe. In condizioni normali, possono essere conservati senza refrigerazione e non tendono a indurirsi.
Il gel termico offre diversi vantaggi importanti, tra cui l'eliminazione della necessità di gestire un magazzino di cuscinetti di riempimento di varie forme e dimensioni, garantendo la precisione nella selezione e nel posizionamento dei cuscinetti stessi. I gel si asciugano completamente e mantengono la loro forma, facilitandone l'utilizzo in ambienti di produzione. Possono essere applicati in linea con elevata ripetibilità di forma e volume utilizzando dispenser automatici. In alcuni casi, un'applicazione circolare copre in modo ottimale le superfici di incollaggio, mentre forme a serpentina, a scatola o a spirale sono spesso utilizzate per raggiungere le estremità dei package di circuiti integrati come QFN, LGA o BGA. Una singola linea di gel è senza dubbio la soluzione migliore per fissare un dissipatore di calore a un package DIL tradizionale.
È disponibile un'ampia varietà di gel termici, come il GEL30 di Parker Chomerics, adatto sia come riempitivo che come sostituto diretto della pasta termica. Rispetto a questi, la struttura reticolata dei gel garantisce un basso modulo elastico ed elimina inconvenienti come lo svuotamento e l'essiccazione.
Il GEL30 offre una conduttività termica di 3,5 W/mK. Rispetto ad alcuni pad di riempimento, i gel esercitano un carico meccanico molto inferiore sui componenti. Questo è spesso importante, dato che i design di prodotto più recenti tendono a utilizzare assemblaggi a scatto a sgancio rapido, le cui forze di serraggio non possono mai essere elevate come quelle dei tradizionali assemblaggi a vite, che richiedono più tempo ed esercitano una maggiore forza di compressione sul materiale di interfaccia.
Sono disponibili anche gel in grado di mantenere l'isolamento elettrico tra il componente e il dissipatore di calore. Questi gel incorporano microsfere di vetro, di 0,25 mm di diametro, che agiscono come dielettrico o arresto di compressione, garantendo uno spazio minimo tra la superficie del componente e il dissipatore di calore. Ciò consente ai progettisti di sfruttare le proprietà del gel quando si utilizzano power package in cui la connessione termica fornisce anche la terminazione elettrica al chip.
In sintesi:
nell'ambito di una strategia di gestione termica ben concepita, i pad e i gel termici possono riempire la maggior parte degli spazi d'aria che non possono essere eliminati durante la fase di progettazione delle apparecchiature elettroniche. Entrambi i tipi di riempimento incorporano materiali tecnologicamente avanzati e offrono numerosi vantaggi in termini di prestazioni e facilità d'uso. Ciascuno rappresenta uno strumento molto utile per gli ingegneri che mirano a massimizzare le prestazioni termiche di un nuovo progetto.
Autore:
Riaz Ahmed, Divisione Chimica Europa -
Parker Hannifin Ltd
