A gestão térmica é uma questão crítica numa vasta gama de aplicações, desde baterias de veículos elétricos a eletrónica de consumo, onde a dissipação eficiente de calor é essencial. Numerosos tipos de materiais de interface térmica (TIMs) desempenham um papel crucial na transferência de calor de uma fonte térmica. Este artigo discute as principais inovações nestes materiais e as razões da sua importância.

A IDTechEx realizou um estudo de mercado inovador sobre materiais de interface térmica. O estudo oferece uma análise detalhada tanto dos materiais em si como de uma vasta gama de aplicações. As inovações em materiais de interface térmica podem ser divididas em três categorias principais: aplicações de grande volume, novos mercados emergentes e desenvolvimento de novos materiais para um desempenho melhorado.

Mercados de grande volume

Quase todas as principais empresas químicas e de materiais estão a tentar posicionar-se para conquistar uma quota de mercado na cadeia de abastecimento de veículos elétricos; no entanto, ainda existe muita turbulência à medida que as cadeias de abastecimento se formam, os projetos de baterias evoluem e a produção aumenta. Ainda não existe convergência nos conjuntos de baterias, e uma grande quantidade de investigação e desenvolvimento disruptivos está a chegar ao mercado, o que representa tanto uma ameaça como uma oportunidade para os fornecedores estabelecidos.

As baterias de iões de lítio serão o maior mercado (em volume) para materiais de interface térmica (TIMs). Os TIM desempenham um papel crucial na gestão térmica, ligando células ou módulos a um dissipador de calor, e existe uma atividade de mercado significativa nesta área. A condutividade térmica necessária é de aproximadamente 3 W/mK, o que é relativamente fácil de conseguir com silicones com carga cerâmica ou produtos equivalentes. Os silicones não são populares na indústria automóvel, e muitas matrizes concorrentes estão a disputar a adoção do mercado. Em vez disso, as inovações aqui não estão ao nível do material, mas sim em alcançar um elevado desempenho a baixo custo. A IDTechEx foi regularmente informada de que o preço-alvo é de 10 dólares/kg, o que é um preço agressivamente baixo para os TIM.

A IDTechEx prevê que, em resposta a esta procura, o mercado irá migrar das mantas de enchimento para os materiais de enchimento de vazios nos próximos 10 anos. Os materiais de enchimento de vazios podem ser dispensados ​​sob a forma líquida, permitindo taxas de aplicação mais rápidas, padrões de distribuição facilmente modificáveis ​​e, tipicamente, camadas mais finas. Os desafios residem na distribuição uniforme do material e na consideração do custo do equipamento, bem como do seu funcionamento, manutenção e vida útil.

Novos Mercados Emergentes:
Os avanços tecnológicos estão a transformar o mundo rapidamente, e qualquer inovação importante pode levar a novas implementações de hardware e, consequentemente, a novos mercados de TI com requisitos específicos. Existem muitos exemplos, como sensores para veículos autónomos e data centers, mas um dos mais proeminentes é a ascensão do 5G.

Normalmente, estes novos mercados não exigem uma melhoria drástica da condutividade térmica, mas sim uma melhoria iterativa dos produtos e formulações existentes. A revolução do 5G trará uma grande mudança na infraestrutura, desde as estações base até ao rápido surgimento de pequenas células. A IDTechEx observou vários lançamentos de produtos específicos para o setor, de empresas como a Dow, Laird e Henkel, geralmente na gama de desempenho de 5 a 10 W/mK. Estão a surgir inovações para satisfazer as necessidades do mercado, mas mais importante do que qualquer melhoria material será o posicionamento do produto, a construção/expansão de relações e o custo, à medida que estas cadeias de abastecimento se desenvolvem.

Novos materiais para um maior desempenho:
Esta é a área onde se concentra a maior parte da inovação científica. Os desenvolvimentos nesta área apresentam-se frequentemente sob a forma de pads pré-fabricados que visam condutividades térmicas muito elevadas, superiores a 20 W/mK, e com propriedades únicas (como uma vasta gama de temperatura de ciclagem).

Têm geralmente aplicações específicas, como supercomputadores e satélites, antes de migrarem para a indústria convencional, como dispositivos eletrónicos de consumo mais avançados.

A IDTechEx dividiu estas inovações em seis categorias , que serão descritas de seguida. Estes avanços abrangem desde startups até às divisões de I&D de empresas consolidadas.
- Fibra de carbono, grafite e nanocarbonos: Uma das áreas mais promissoras é a utilização de fibra de carbono, grafite, nanotubos de carbono (CNTs) e grafeno. Estes materiais têm uma enorme condutividade térmica, mas também são condutores elétricos, o que traz considerações adicionais de projeto. Existem várias empresas a trabalhar neste campo, desde a Dexerials, com o seu pad de fibra de carbono comercialmente estabelecido, à Fujitsu R&D, com alguns anúncios promissores sobre CNTs, e empresas jovens que estão a ganhar destaque, como a Carbice.

Avanços na cerâmica: A cerâmica desempenha um papel fundamental como material dielétrico termicamente condutor para materiais de interface térmica (TIMs). O desafio é aumentar o desempenho o suficiente para que os projetistas não tenham de recorrer a alternativas de carbono ou metal. Há melhorias em produtos já estabelecidos, como os da Showa Denko, mas a inovação mais entusiasmante vem do aparecimento dos nanotubos (BNNTs) e das nanofolhas (BNNSs) de nitreto de boro. São os equivalentes isoelectrónicos dos nanotubos de carbono (CNTs) e do grafeno e começam a ganhar espaço comercial com empresas como a BNNT LLC, a BNNano e outras.

- Cargas metálicas e desenvolvimento de metais líquidos: Os metais são aditivos bem conhecidos e mantêm uma quota de mercado consistente, com claras vantagens e desvantagens. As inovações continuam a impulsionar este crescimento, desde a utilização de metais alternativos, como os da Arieca, até ao desenvolvimento de metais líquidos por empresas como a Indium.

- Alinhamento anisotrópico do empacotamento: Este ponto está relacionado com os três exemplos anteriores, mas centra-se no alinhamento dos empacotamentos para melhorar a condutividade no plano. O objetivo é reduzir a quantidade de empacotamento necessária para atingir o mesmo desempenho ou aumentar a condutividade térmica global no plano z. Existem diversas formas de o fazer, dependendo do material de empacotamento, como os processos de flocagem, os mecanismos de crescimento inicial (como no exemplo da floresta de VACNT) ou processos avançados como o processo de dieletroforese utilizado pela CondAlign. É importante referir que qualquer peça alinhada está ainda sujeita à limitação da resistência de contacto entre o TIM e o substrato.

Materiais de mudança de fase: Mais uma vez, esta é uma classe de materiais bem conhecida que continua a trazer novos produtos para o mercado. Tem havido alguns avanços na sua utilização para encapsulamento de células de bateria, bem como para TIMs (Materiais de Imagem Térmica). Um exemplo é a Rogers, que está a expandir a sua linha de produtos HeatSORB para satisfazer a procura do mercado.

- Integração de dissipador de calor: Isto envolve a integração de um TIM (plano z) com um dissipador de calor (plano xy) num único produto. Podemos também considerar a inclusão de folhas isolantes (por exemplo, aerogéis) se o calor necessitar de ser direcionado para uma direção específica. A IDTechEx identificou um grupo de empresas que oferecem estes produtos mais integrados, incluindo empresas em fase inicial como a HyMet e a SHT Smart High Tech.