Os projetistas têm agora à sua disposição uma vasta gama de materiais térmicos, refletindo uma mudança nas melhores práticas de projeto. Esta mudança está a substituir a ventilação de componentes eletrónicos pelo uso generalizado de dissipadores de calor e pelo estabelecimento de ligações precisas entre componentes quentes e superfícies dissipativas, como o chassis metálico ou a tampa da caixa. Esta mudança demonstra uma procura geral por conjuntos miniaturizados. A densidade cada vez maior dos componentes reduz eficazmente o volume de ar disponível para arrefecimento e impede a sua circulação. Onde antes se utilizava um ventilador para arrefecer o sistema com ar forçado, agora é frequentemente preferido um design sem ventilador para reduzir custos, consumo de energia, tamanho e ruído audível. Além disso, o ventilador é muitas vezes o componente menos fiável do sistema.
O ar como inimigo:
O ar estático é considerado um inimigo da gestão térmica. Com a sua baixa condutividade térmica de apenas 0,024 W/mK, em comparação com os 250 W/mK do alumínio, o ar aprisionado em bolsas microscópicas na interface entre um dissipador de calor e um componente pode prejudicar seriamente a transferência de calor. Tradicionalmente, aplicava-se pasta térmica ou um material de mudança de fase nas superfícies para eliminar estas bolsas de ar.
Para satisfazer as práticas modernas de gestão térmica, está agora disponível uma maior variedade de produtos e materiais com propriedades mais abrangentes, ajudando os engenheiros a eliminar eficazmente as folgas de ar em toda a caixa. Um dos principais desafios enfrentados pelos projetistas atualmente é o enchimento de folgas de ar relativamente grandes dentro da caixa. Estas folgas podem variar de 1 mm a 5 mm. Além disso, quando vários componentes são montados num dissipador de calor comum, o tamanho das folgas de ar pode ser inconsistente e variar de componente para componente. Este problema pode ser ainda agravado pela acumulação de tolerâncias de montagem mecânica. Nestes casos, o material de enchimento escolhido deve ser capaz de compensar estas variações para manter um contacto firme com cada superfície sem exercer forças excessivas sobre a caixa do componente.
As almofadas térmicas e os géis térmicos são duas das soluções térmicas mais populares atualmente. As almofadas, que são elementos compressíveis com um aglutinante de elastómero de silicone preenchido com partículas termicamente condutoras, adaptam-se aos contornos da placa-mãe. O gel é um material de silicone vulcanizado que pode ser aplicado com uma bomba ou um dispensador. É ideal quando a distância entre a superfície do componente e a superfície fria adjacente pode variar, por exemplo, quando vários componentes estão ligados a um dissipador de calor comum. Também pode ser utilizado como alternativa à pasta térmica tradicional ou ao material de mudança de fase, uma vez que exerce apenas uma força baixa e constante sobre a placa e os seus componentes.
Almofadas de enchimento:
Os avanços nos materiais de ligação à base de polímeros, capazes de operar numa ampla gama de temperaturas, têm sido essenciais para o desenvolvimento de almofadas de enchimento, uma vez que resolvem muitos dos problemas atuais de gestão térmica enfrentados pelos engenheiros. Os elastómeros de silicone normalmente utilizados têm um baixo módulo de compressão, permitindo que se adaptem aos contornos das superfícies de ligação com uma compressão mínima. Isto evita forças elevadas sobre os componentes e as juntas de soldadura. Por conseguinte, um baixo módulo de compressão e uma elevada condutividade térmica são qualidades ideais para uma almofada de enchimento. Novos materiais, como o HCS10 da Chomerics, revelam uma tendência persistente para compostos cada vez mais macios, que são claramente muito úteis no design de sistemas eletrónicos delicados com um formato compacto.
São oferecidos diversos níveis de desempenho térmico, com condutividades térmicas que variam entre menos de 1 W/mK e mais de 6 W/mK. Como a condutividade é geralmente determinada pela quantidade e tipo de carga condutora, que pode ser partículas de um material cerâmico ou de um composto metálico como o óxido de alumínio, o óxido de zinco ou o nitreto de boro, é normalmente obtida uma condutividade mais elevada através do aumento do módulo de compressão.
Os projetistas podem também escolher entre vários valores de módulo de compressão. Entre as formulações mais adaptáveis estão a almofada THERM-A-GAP™ HCS10, um material que sofre uma deflexão de 73% a 50 psi, e a THERM-A-GAP 580, que sofre uma deflexão de apenas 30% nas mesmas condições. Consequentemente, alguns materiais de enchimento podem ser utilizados para amortecer vibrações, oferecendo também propriedades de conformabilidade para a gestão térmica.
As almofadas de enchimento estão normalmente disponíveis em várias espessuras. No entanto, os projetistas devem ter em conta que a condutividade térmica de uma almofada é muito inferior à do metal. Uma almofada não é uma solução para um design térmico deficiente, pelo que os engenheiros devem procurar minimizar as folgas para que possam ser preenchidas com almofadas de enchimento de espessura mínima.
As almofadas termicamente condutoras podem ser encomendadas em folhas inteiras, cortadas à medida ou como almofadas personalizadas numa folha ou como componentes individuais. Um suporte, como folha de alumínio ou fibra de vidro, também é aplicado. As superfícies das almofadas possuem normalmente algum grau de aderência para as manter no lugar e minimizar a resistência de contacto. Um adesivo sensível à pressão pode ser pré-aplicado numa superfície para estabelecer um contacto permanente com o material frio. Estão disponíveis formulações com baixa emissão de gases e sem silicone para aplicações sensíveis ao silicone, como equipamentos aeroespaciais e de eletrónica ótica e unidades de disco.
Os géis térmicos
, por outro lado, podem ser fornecidos a granel, em cartuchos ou seringas. Em condições normais, podem ser armazenados sem refrigeração e não tendem a endurecer.
O gel térmico oferece diversas vantagens importantes, incluindo a eliminação da necessidade de manter um stock de almofadas de enchimento em vários formatos e tamanhos, além de garantir a precisão na seleção e posicionamento das almofadas. Os géis secam completamente e mantêm a sua forma, facilitando a utilização em ambientes de produção. Podem ser aplicados em linha com elevada repetibilidade em formato e volume, utilizando dispensadores automatizados. Em alguns casos, uma aplicação circular cobre de forma ideal as superfícies de colagem, enquanto formatos serpentinos, retangulares ou espirais são frequentemente utilizados para alcançar as extremidades de encapsulamentos de circuitos integrados, como QFN, LGA ou BGA. Uma única linha de gel é, sem dúvida, a mais adequada para fixar um dissipador de calor a um encapsulamento DIL tradicional.
Está disponível uma vasta gama de géis térmicos, como o GEL30 da Parker Chomerics, que é adequado tanto para aplicações de enchimento como como substituto direto da pasta térmica. Em comparação com estas, a estrutura reticulada dos géis garante um baixo módulo e elimina desvantagens como o esvaziamento e a secagem.
O GEL30 oferece uma condutividade térmica de 3,5 W/mK. Comparativamente a algumas almofadas de enchimento, os géis exercem uma carga mecânica muito menor sobre os componentes. Isto é normalmente importante, dado que os designs de produtos mais recentes tendem a utilizar montagens de encaixe rápido, cuja força de fixação nunca pode ser tão elevada como a das montagens tradicionais com parafusos, que são mais demoradas e exercem uma maior força de compressão sobre o material da interface.
Estão também disponíveis géis capazes de manter o isolamento elétrico entre o componente e o dissipador de calor. Estes géis incorporam microesferas de vidro com 0,25 mm de diâmetro, que atuam como um dielétrico ou batente de compressão, garantindo uma folga mínima entre a superfície do componente e o dissipador de calor. Isto permite aos engenheiros tirar partido das propriedades do gel ao utilizar encapsulamentos de potência, onde a ligação térmica também fornece a terminação elétrica para o chip.
Resumo:
Como parte de uma estratégia de gestão térmica bem planeada, as almofadas e géis térmicos podem preencher a maior parte dos espaços de ar que não podem ser eliminados durante o processo de conceção de equipamentos eletrónicos. Ambos os tipos de enchimento incorporam materiais de tecnologia avançada e oferecem inúmeras vantagens em termos de desempenho e facilidade de utilização. Cada um deles é uma ferramenta muito útil para os engenheiros que procuram maximizar o desempenho térmico de um novo projeto.
Autor:
Riaz Ahmed, Divisão Chomerics Europa -
Parker Hannifin Ltd
