Paste termicamente conduttive, adesivi, composti e interfacce termiche isolanti: scopo e applicazione

Per migliorare la qualità del trasferimento di calore da una superficie che deve essere efficacemente raffreddata a un dispositivo progettato per recuperare questo calore, vengono utilizzate le cosiddette interfacce termiche.

Un'interfaccia termica è uno strato, solitamente di un composto termicamente conduttivo multicomponente, solitamente una pasta o un composto.

Le interfacce termiche più popolari oggi sono quelle utilizzate per i componenti microelettronici nei computer: per processori, per chip di schede video, ecc. Le interfacce termiche sono ampiamente utilizzate in altri dispositivi elettronici, dove anche i circuiti di potenza subiscono un riscaldamento elevato e quindi necessitano di un raffreddamento efficiente e di alta qualità... Le interfacce termiche sono applicabili anche in tutti i tipi di sistemi di fornitura di calore.

In un modo o nell'altro, vari composti termicamente conduttivi vengono utilizzati nella produzione di elettronica di potenza, elettronica radio, apparecchiature informatiche e di misurazione, in dispositivi con sensori di temperatura, ecc., ovvero dove di solito sono presenti componenti riscaldati dalla corrente di esercizio o in qualche altro modo.con grande dissipazione del calore. Oggi esistono interfacce termiche delle seguenti forme: pasta, colla, composto, metallo, guarnizione.

Pasta termotrasferibile

La pasta termica o semplicemente pasta termica è una forma molto comune di moderna interfaccia termica. È una miscela di plastica multicomponente con una buona conducibilità termica. Le paste termiche vengono utilizzate per ridurre la resistenza termica tra due superfici di contatto, ad esempio tra un chip e un dissipatore di calore.

Grazie alla pasta termicamente conduttiva, l'aria con la sua bassa conducibilità termica tra il radiatore e la superficie raffreddata viene sostituita da una pasta con conducibilità termica notevolmente superiore.

Le paste di fabbricazione russa più comuni sono KPT-8 e AlSil-3. Anche le paste Zalman, Cooler Master e Steel Frost sono popolari.

I requisiti principali per la pasta termoconduttiva sono che abbia la più bassa resistenza termica possibile, che mantenga stabilmente le sue proprietà nel tempo e per tutto l'intervallo di temperature di esercizio, che sia facile da applicare e lavare, e in alcuni casi è utile che ci siano adatti proprietà di isolamento elettrico.

La produzione di paste termicamente conduttive è legata all'utilizzo dei migliori componenti e riempitivi termicamente conduttivi con conducibilità termica sufficientemente elevata.

Polveri e miscele microdisperse e nanodisperse a base di tungsteno, rame, argento, diamante, ossido di zinco e alluminio, nitruro di alluminio e boro, grafite, grafene, ecc.

Il legante nella composizione della pasta può essere olio minerale o sintetico, varie miscele e liquidi a bassa volatilità. Esistono paste termiche il cui legante è polimerizzato all'aria.

Succede che per aumentare la densità della pasta, alla sua composizione vengono aggiunti componenti facilmente vaporizzabili in modo che quando viene applicata la pasta sia liquida e quindi si trasformi in un'interfaccia termica ad alta densità e conducibilità termica. Composizioni di conduttività termica di questo tipo hanno la proprietà caratteristica di raggiungere la massima conducibilità termica dopo da 5 a 100 ore di funzionamento normale.

Esistono paste a base di metallo che sono liquide a temperatura ambiente. Tali paste sono costituite da gallio e indio puri, nonché da leghe a base di essi.

Le paste migliori e più costose sono fatte di argento. Le paste a base di ossido di alluminio sono considerate ottimali. Argento e alluminio danno la più bassa resistenza termica del prodotto finale. Le paste a base di ceramica sono più economiche, ma anche meno efficaci.

La pasta termica più semplice può essere realizzata mescolando la polvere di piombo di una normale matita di grafite strofinata su carta vetrata con alcune gocce di olio lubrificante minerale.

Come notato sopra, un uso comune della pasta termica è come interfaccia termica nei dispositivi elettronici dove necessario e applicata tra un elemento che genera calore e una struttura che dissipa il calore, ad esempio tra un processore e un dispositivo di raffreddamento.

La cosa principale da osservare quando si utilizza una pasta termicamente conduttiva è mantenere lo spessore dello strato al minimo. Per ottenere ciò, è necessario seguire rigorosamente le raccomandazioni del produttore della pasta.

Si applica un po' di pasta sulla zona di contatto termico delle due parti e poi si sbriciola semplicemente premendo insieme le due superfici. La pasta andrà così a riempire i più piccoli alveoli sulle superfici e contribuirà alla formazione di un ambiente omogeneo per la distribuzione e il trasferimento del calore verso l'esterno.

Il grasso termico è utile per raffreddare vari gruppi e componenti dell'elettronica, il cui rilascio di calore è superiore a quello consentito per un determinato componente, a seconda del tipo e delle caratteristiche di un caso particolare. Microcircuiti e transistor di alimentatori a commutazione, scanner lineari di dispositivi con lampade per immagini, stadi di potenza di amplificatori acustici, ecc. Sono luoghi comuni per utilizzare la pasta termica.

Adesivo a trasferimento termico

Quando l'uso della pasta termoconduttiva è impossibile per qualche motivo, ad esempio a causa dell'impossibilità di premere saldamente i componenti l'uno contro l'altro con elementi di fissaggio, ricorrono all'uso di colla termoconduttiva. Il dissipatore di calore è semplicemente incollato al transistor, al processore, al chip, ecc.

La connessione risulta essere inscindibile, quindi richiede un approccio estremamente preciso e il rispetto della tecnologia per un incollaggio corretto e di alta qualità. Se la tecnologia viene violata, lo spessore dell'interfaccia termica potrebbe risultare molto grande e la conducibilità termica del giunto si deteriorerà.

Miscele per impregnazione termicamente conduttive

Quando, oltre all'elevata conduttività termica, sono richieste ermeticità, resistenza elettrica e meccanica, i moduli raffreddati vengono semplicemente riempiti con una miscela polimerizzabile, progettata per trasferire il calore dal componente riscaldato all'alloggiamento del dispositivo.

Se il modulo raffreddato deve dissipare molto calore, allora il composto deve anche avere una resistenza sufficiente al riscaldamento, ai cicli termici ed essere in grado di sopportare lo stress termico derivante dal gradiente di temperatura all'interno del modulo.

Metalli a basso punto di fusione

Le interfacce termiche stanno guadagnando sempre più popolarità grazie alla saldatura di due superfici con un metallo a basso punto di fusione. Se la tecnologia viene applicata correttamente, è possibile ottenere una conducibilità termica record, ma il metodo è complesso e comporta molte limitazioni.

Prima di tutto, è necessario preparare qualitativamente le superfici di accoppiamento per l'installazione, a seconda del loro materiale, questo può essere un compito difficile.

Nelle industrie high-tech è possibile saldare qualsiasi metallo, nonostante alcuni di essi richiedano una preparazione superficiale speciale. Nella vita di tutti i giorni, solo i metalli che si prestano bene alla stagnatura saranno legati qualitativamente: rame, argento, oro, ecc.

Ceramica, alluminio e polimeri non si prestano affatto alla stagnatura, con loro la situazione è più complicata, qui non sarà possibile ottenere l'isolamento galvanico delle parti.

Prima di iniziare la saldatura, le future superfici da unire devono essere pulite da ogni traccia di sporco. È importante farlo in modo efficace, per pulirlo da tracce di corrosione, perché a basse temperature i flussi generalmente non aiutano.

La pulizia viene solitamente eseguita meccanicamente utilizzando alcool, etere o acetone. È per questo che a volte nella confezione dell'interfaccia termica sono presenti un panno duro e una salvietta imbevuta di alcol.Il lavoro deve essere svolto con i guanti, poiché il grasso che si può ottenere dalle mani deteriorerà sicuramente la qualità della saldatura.

La saldatura stessa deve essere eseguita con riscaldamento e rispetto della forza specificata dal produttore. Alcune delle interfacce termiche industriali richiedono il preriscaldamento obbligatorio delle parti collegate a 60-90 °C e questo può essere pericoloso per alcuni componenti elettronici sensibili. Il riscaldamento iniziale viene solitamente effettuato con un asciugacapelli, quindi la saldatura viene completata mediante l'autoriscaldamento del dispositivo funzionante.

Le interfacce termiche di questo tipo sono vendute sotto forma di glory foil con un punto di fusione leggermente superiore alla temperatura ambiente, nonché sotto forma di paste. Ad esempio, la lega di Fields sotto forma di lamina ha un punto di fusione di 50 ° C. Galinstan sotto forma di pasta si scioglie a temperatura ambiente. A differenza del foglio, le paste sono più difficili da usare perché devono essere incorporate molto bene nelle superfici da saldare, mentre il foglio richiede solo un adeguato riscaldamento durante l'assemblaggio.

Guarnizioni isolanti

Nell'elettronica di potenza, è spesso richiesto l'isolamento elettrico tra gli elementi di trasferimento del calore e dissipatore di calore. Pertanto, quando la pasta termicamente conduttiva non è adatta, vengono utilizzati substrati in silicone, mica o ceramica.

I cuscinetti morbidi flessibili sono realizzati in silicone, i cuscinetti rigidi sono realizzati in ceramica. Esistono circuiti stampati basati su un foglio di rame o alluminio ricoperto da un sottile strato di ceramica, su cui sono applicate tracce di lamina di rame.

Solitamente si tratta di tavole monofacciali, su un lato del binario, e sull'altro c'è una superficie per il fissaggio al radiatore.

Inoltre, in casi speciali, vengono prodotti componenti di potenza in cui la parte metallica dell'alloggiamento, fissata al radiatore, viene immediatamente ricoperta da uno strato di resina epossidica.

Caratteristiche dell'uso di interfacce termiche

Quando si applica e si rimuove l'interfaccia termica, è necessario seguire rigorosamente le raccomandazioni del suo produttore, nonché il produttore del dispositivo raffreddato (raffreddamento). È importante prestare particolare attenzione quando si lavora con interfacce termiche elettricamente conduttive, poiché il suo eccesso può entrare in altri circuiti e causare un cortocircuito.