Composti di riempimento termoconduttivi: spiegazione dei valori λ
Quando l'elettronica di potenza si surriscalda, anche il miglior dissipatore di calore non serve a nulla, a meno che il calore non fuoriesca dal componente sigillato. I composti di riempimento termoconduttivi con un elevato valore λ fanno proprio questo: proteggono l'elettronica dagli influssi ambientali e allo stesso tempo dissipano in modo mirato il calore disperso. Ma cosa significa concretamente il valore λ, quali riempitivi aumentano la conducibilità termica e quando conviene utilizzare composti di riempimento termoconduttivi?
Perché la conducibilità termica è fondamentale nei composti di riempimento
I moderni componenti elettronici funzionano in spazi sempre più ridotti con densità di potenza crescenti. Driver LED, convertitori CC/CC, sistemi di gestione delle batterie o controller motore generano calore residuo che deve essere dissipato. I composti di riempimento standard a base di resina epossidica o silicone offrono un'eccellente protezione contro umidità, sostanze chimiche e sollecitazioni meccaniche, ma hanno un effetto isolante dal punto di vista termico.
Le conseguenze di un'insufficiente dissipazione del calore sono misurabili: per ogni aumento di 10 Kelvin della temperatura della giunzione, la durata dei semiconduttori si dimezza statisticamente (legge di Arrhenius). Quando il calore non viene distribuito in modo uniforme si formano dei punti caldi. I componenti di potenza devono essere limitati (derating), impedendo ai sistemi di raggiungere la loro piena potenza. In applicazioni critiche come i pacchi batteria per la mobilità elettrica o i moduli LED ad alta potenza, il surriscaldamento causa guasti o rischi per la sicurezza.
I composti di riempimento termoconduttivi risolvono questo problema grazie alla presenza di riempitivi termoconduttivi. Questi formano percorsi di conduzione termica attraverso la matrice polimerica e consentono il trasferimento di calore dal componente all'alloggiamento o al circuito stampato. In questo modo, le formulazioni moderne combinano la funzione protettiva dei composti di riempimento classici con una gestione termica attiva.
Che cos'è il valore λ (lambda)?
Il valore λ, noto anche come conducibilità termica o conducibilità termica, descrive la capacità di un materiale di condurre il calore. L'unità fisica è il watt per metro e kelvin (W/m·K). Un valore λ più elevato indica una migliore conducibilità termica.
Valori λ tipici a titolo comparativo:
- Rame: 390 W/m·K (eccellente conduttore termico)
- Alluminio: 235 W/m·K
- Resina epossidica standard: 0,2–0,3 W/m·K
- Silicone standard: 0,15–0,25 W/m·K
- Massa di riempimento termoconduttiva: 0,5–3,0 W/m·K
- Pasta termoconduttiva ad alte prestazioni: fino a 15 W/m·K
La misurazione viene effettuata secondo procedure standardizzate quali ASTM D5470 (metodo laser flash) o ISO 22007 (metodo hot disk). In questo caso, un flusso termico definito viene condotto attraverso un campione di materiale e viene misurata la differenza di temperatura risultante. Importante: il valore λ viene determinato allo stato indurito – le indicazioni del produttore si riferiscono sempre a masse di riempimento completamente reticolate.
Consiglio pratico: valore λ contro resistenza termica
Il valore λ è una proprietà del materiale, ma non dice nulla sull'effettivo effetto di raffreddamento. Il fattore decisivo è la resistenza termica Rth dell'intero strato di riempimento: Rth = d / (λ × A), dove d è lo spessore dello strato e A è la superficie. Uno strato di 5 mm di spessore con λ = 1 W/m·K dissipa il calore meno efficacemente di uno strato di 2 mm con λ = 0,8 W/m·K. Ottimizzate quindi la scelta dei materiali e la geometria.
Confronto: riempimento standard vs. termoconduttivo
Le differenze tra i composti di riempimento tradizionali e quelli termoconduttivi vanno oltre il valore λ. La tabella mostra i profili delle caratteristiche tipiche:
| Caratteristica | Massa di riempimento standard | Massa di riempimento termoconduttiva |
|---|---|---|
| Conducibilità termica λ | 0,2–0,3 W/m·K | 0,6–3,0 W/m·K |
| contenuto di riempitivo | 0-20% in peso | 40-75% in peso |
| Viscosità (non indurito) | 1.000–10.000 mPa·s | 10.000–80.000 mPa·s |
| Durezza Shore (indurito) | Shore A 30–80 | Shore A 50–90 / Shore D 30–60 |
| densità | 1,0–1,2 g/cm³ | 1,8–2,8 g/cm³ |
| lavorazione | Versamento, dosaggio, vuoto opzionale | Si consiglia il degassaggio sottovuoto, è necessario un agitatore |
| Prezzo (relativo) | € | €€–€€€ |
L'elevato contenuto di riempitivi delle masse di riempimento termoconduttive comporta alcune sfide: la viscosità aumenta notevolmente, rendendo più difficile la deaerazione. La maggiore densità richiede sistemi di dosaggio adeguati. Inoltre, i riempitivi tendono a sedimentarsi se il materiale rimane inattivo per un periodo di tempo prolungato prima della lavorazione. In cambio, si ottiene una dissipazione del calore notevolmente migliorata con una capacità di isolamento elettrico costante.
I riempitivi e il loro effetto
La conducibilità termica del composto di riempimento dipende direttamente dal tipo, dalla quantità e dalla forma dei riempitivi utilizzati. Le matrici polimeriche (epossidiche, siliconiche, poliuretaniche) di per sé conducono male il calore: solo i riempitivi creano percorsi di conduzione termica continui. Vengono utilizzati i seguenti materiali:
Ossido di alluminio (Al₂O₃)
Il riempitivo più utilizzato per i composti di riempimento termoconduttivi. L'ossido di alluminio offre un eccellente rapporto qualità-prezzo e raggiunge valori λ compresi tra 0,8 e 1,5 W/m·K con elevati gradi di riempimento (60-70% in peso). Le particelle bianche sono elettricamente isolanti, chimicamente inerti e disponibili in diverse granulometrie. Combinando particelle di diverse dimensioni (distribuzione bimodale) è possibile ottimizzare la densità di impaccamento: le particelle fini riempiono gli spazi tra quelle grossolane.
Nitruro di boro (BN)
Il nitruro di boro esagonale è anche noto come "grafite bianca" e presenta una spiccata anisotropia termica: il calore viene condotto in modo eccellente lungo i piani cristallini. I composti di riempimento con riempitivo BN raggiungono valori λ compresi tra 1,5 e 3,0 W/m·K con una costante dielettrica bassa, ideale per applicazioni ad alta frequenza. Lo svantaggio: il nitruro di boro è notevolmente più costoso dell'ossido di alluminio e la sua lavorazione è più complessa, poiché le particelle a forma di piastrina tendono ad orientarsi.
Nitruro di alluminio (AlN)
Con una conducibilità termica intrinseca superiore a 200 W/m·K, il nitruro di alluminio è uno dei riempitivi ceramici più efficaci. I composti di riempimento raggiungono così valori λ fino a 2,5 W/m·K. L'AlN è elettricamente isolante e, a differenza del nitruro di boro, non presenta anisotropia. I costi elevati e la sensibilità all'umidità rappresentano un limite: l'AlN reagisce con l'acqua formando ossido di alluminio e ammoniaca, pertanto è necessario procedere con un'accurata essiccazione e conservazione.
Riempitivi metallici (argento, alluminio)
I fiocchi d'argento o la polvere di alluminio consentono una conducibilità termica superiore a 3 W/m·K, ma a scapito dell'isolamento elettrico. Questi composti di riempimento elettricamente conduttivi vengono utilizzati laddove sono richiesti collegamenti di massa mirati o schermature EMC. Non sono adatti per le classiche applicazioni di isolamento.
Applicazioni
I composti di riempimento termoconduttivi vengono utilizzati ovunque sia necessario proteggere e raffreddare contemporaneamente i componenti elettronici:
Illuminazione a LED e LED ad alta potenza
I chip LED raggiungono densità di potenza di diversi watt per millimetro quadrato. La temperatura della giunzione determina la luminosità, la posizione cromatica e la durata. Composti di silicone termoconduttivi (λ = 0,8–1,2 W/m·K) incapsulano i moduli LED e conducono il calore al dissipatore di calore in alluminio. La flessibilità meccanica compensa la dilatazione termica, mentre la stabilità ai raggi UV garantisce la trasparenza a lungo termine. Le formulazioni Bluesil per applicazioni LED raggiungono Shore A 40-60 con valori λ intorno a 1,0 W/m·K.
Elettronica di potenza e convertitori di frequenza
I moduli IGBT, i circuiti a ponte MOSFET e i convertitori CC/CC generano perdite significative durante il funzionamento in commutazione. I composti di riempimento a base epossidica con λ = 1,5-2,0 W/m·K offrono la resistenza meccanica necessaria (Shore D 50-70) e una resistenza alla temperatura fino a 150 °C. L'elevata resistenza alla rottura protegge dalle correnti di dispersione, mentre la dissipazione del calore impedisce il surriscaldamento degli strati barriera. Spessori tipici degli strati: 3–8 mm.
Mobilità elettrica: sistemi di gestione delle batterie ed elettronica di ricarica
Le applicazioni automobilistiche richiedono una resistenza termica da -40 °C a +125 °C, robustezza meccanica contro le vibrazioni e resistenza a lungo termine. I composti di riempimento in poliuretano o silicone termoconduttivi proteggono le schede BMS nei pacchi batteria ad alta tensione e dissipano il calore. Allo stesso tempo, devono soddisfare i requisiti di resistenza alla fiamma UL94-V0. Requisiti per i valori λ: almeno 1,0 W/m·K per il raffreddamento attivo, fino a 2,0 W/m·K per i sistemi passivi.
Alimentatori e alimentatori elettrici
Gli alimentatori a commutazione combinano un'elevata densità dei componenti con un carico termico permanente. Trasformatori, raddrizzatori e condensatori elettrolitici traggono vantaggio dall'incapsulamento termoconduttivo, che convoglia il calore verso gli alloggiamenti metallici o le piastre di base. Nel caso dei siliconi bicomponenti, il lungo tempo di lavorabilità (20-60 minuti) consente di riempire completamente anche geometrie complesse.
Criteri di selezione: determinare il valore λ corretto
Una maggiore conducibilità termica sembra inizialmente sempre migliore, ma comporta costi più elevati, una lavorazione più difficile e spesso una maggiore durezza meccanica. La scelta del materiale dovrebbe basarsi su calcoli termici:
1. Determinare la potenza dissipata
Qual è la potenza termica P (in Watt) che deve essere dissipata? Valori ricavati dalle schede tecniche dei semiconduttori di potenza o dalle misurazioni effettuate durante il funzionamento.
2. Impostare la differenza di temperatura
Qual è la differenza di temperatura ΔT consentita tra il componente e il dissipatore di calore? Tipicamente: 20-40 Kelvin, a seconda della temperatura massima della giunzione e della temperatura ambiente.
3. Calcolare la resistenza termica
Rth = ΔT / P (unità: K/W). Si tratta della resistenza termica massima consentita dello strato di riempimento.
4. Determinare il valore λ richiesto
λ = d / (Rth × A), dove d è lo spessore dello strato di rivestimento in metri e A è la superficie di trasferimento termico in metri quadrati. Calcolare un fattore di sicurezza compreso tra 1,3 e 1,5 per compensare le tolleranze di produzione e l'invecchiamento.
Esempio di calcolo: un modulo LED genera 10 W di calore disperso, che deve essere dissipato attraverso uno strato di resina di 5 mm di spessore e 50 cm² di superficie. Differenza di temperatura consentita: 30 K.
- Rth = 30 K / 10 W = 3 K/W
- λ = 0,005 m / (3 K/W × 0,005 m²) = 0,33 W/m·K
- Con fattore di sicurezza 1,4: λ ≥ 0,46 W/m·K
In questo caso sarebbe sufficiente un composto di riempimento con λ = 0,8 W/m·K.
Ulteriori criteri di selezione: resistenza chimica (refrigeranti, oli), intervallo di temperatura, durezza Shore (assorbimento delle vibrazioni), resistenza di isolamento elettrico (resistenza alla corrente di dispersione CTI), lavorabilità (durata di conservazione, sfiato) e omologazioni (UL, REACH, RoHS).
Consigli per la lavorazione
L'elevata viscosità e il contenuto di riempitivi delle masse di riempimento termoconduttive richiedono tecniche di lavorazione adeguate:
Miscelazione e omogeneizzazione
I riempitivi sedimentano durante lo stoccaggio. Prima della lavorazione è indispensabile mescolare accuratamente. Nei sistemi a 2 componenti, entrambi i componenti devono essere omogeneizzati separatamente prima di essere miscelati. I miscelatori planetari o gli agitatori a doppia vite garantiscono una distribuzione uniforme del riempitivo. Tempo di miscelazione: almeno 2-3 minuti per confezioni di dimensioni superiori a 1 kg.
degassaggio sottovuoto
Le inclusioni d'aria riducono drasticamente la conducibilità termica effettiva: una bolla d'aria con λ = 0,026 W/m·K funge da barriera termica. Il degassaggio a 10-50 mbar per 5-10 minuti dopo la miscelazione elimina l'aria incorporata. In caso di grandi volumi di colata, è possibile eseguire la colata direttamente nella camera a vuoto. Attenzione: un vuoto troppo prolungato riduce il tempo di lavorabilità dei sistemi reattivi.
Dosaggio e fluidità
La viscosità è spesso compresa tra 20.000 e 60.000 mPa·s, notevolmente superiore rispetto alla colata standard. Le pompe a ingranaggi o le pompe a vite eccentrica sono più adatte rispetto ai dosatori a pistone. In caso di assemblaggi complessi, versare lentamente il materiale di riempimento dal punto più basso e lasciarlo salire, in modo che l'aria possa fuoriuscire. Il riscaldamento a 30-40 °C riduce la viscosità e migliora la fluidità, ma riduce il tempo di lavorabilità.
indurimento
L'elevato contenuto di riempitivo rallenta la dissipazione del calore durante l'esotermia. In caso di strati di riempimento spessi (> 20 mm) e sistemi epossidici a reazione rapida, può verificarsi uno sviluppo di calore incontrollato. Rimedio: polimerizzazione graduale (ad es. 2 ore a 60 °C, poi 4 ore a 80 °C) o utilizzo di formulazioni a polimerizzazione lenta. I composti di riempimento al silicone polimerizzano senza esotermia.
Trattamento successivo e controllo qualità
Dopo l'indurimento è necessario verificare la qualità dell'iniezione: controllo visivo per individuare eventuali bolle, misurazione della durezza Shore per controllare la reticolazione, registrazione termografica sotto carico per verificare la dissipazione del calore. In caso di applicazioni critiche per la sicurezza è possibile verificare a campione la resistenza alla perforazione.
Domande frequenti (FAQ)
Conclusione: migliorare in modo misurabile le prestazioni termiche
I composti di riempimento termoconduttivi sono più di un semplice aggiornamento: consentono di realizzare progetti elettronici che non funzionerebbero dal punto di vista termico con il riempimento standard. Il valore λ indica la capacità del materiale, ma l'effettivo effetto di raffreddamento dipende dallo spessore dello strato, dalla superficie e dal sistema complessivo. I sistemi riempiti con ossido di alluminio offrono il miglior rapporto qualità-prezzo per la maggior parte delle applicazioni, mentre il nitruro di boro e il nitruro di alluminio rimangono riservati alla gestione termica ad alte prestazioni.
La lavorazione richiede maggiore attenzione rispetto alla colata standard: omogeneizzazione, degassificazione e tecnica di dosaggio adeguata sono fondamentali per ottenere risultati riproducibili. In cambio si ottengono vantaggi misurabili: temperature inferiori dello strato barriera, maggiore durata, prestazioni di sistema più elevate e maggiore affidabilità.
Nella scelta vale la regola: tanta conducibilità termica quanto necessaria, non quanto possibile. Un calcolo termico accurato evita un eccesso di ingegnerizzazione e mantiene i costi sotto controllo. I composti di riempimento Bluesil offrono soluzioni su misura per diversi requisiti λ, dalle formulazioni flessibili in silicone con λ = 0,8 W/m·K ai sistemi altamente riempiti con λ = 2,5 W/m·K.
Composti di riempimento termoconduttivi per la vostra applicazione
I nostri specialisti dei materiali vi aiutano a scegliere il composto di riempimento termoconduttivo ottimale, fornendovi calcoli termici, campioni e consulenza sulla lavorazione. SILITECH offre sistemi di riempimento Bluesil con valori λ compresi tra 0,6 e 3,0 W/m·K per elettronica, LED, mobilità elettrica e applicazioni industriali.
SILITECH AG
Worbstrasse 173
3073 Gümligen
Svizzera
Tel: +41 31 398 50 70
E-mail: info@silitech.ch
Composti di riempimento termoconduttivi: spiegazione dei valori λ
Quando l'elettronica di potenza si surriscalda, anche il miglior dissipatore di calore non serve a nulla, a meno che il calore non fuoriesca dal componente sigillato. I composti di riempimento termoconduttivi con un elevato valore λ fanno proprio questo: proteggono l'elettronica dagli influssi ambientali e allo stesso tempo dissipano in modo mirato il calore disperso. Ma cosa significa concretamente il valore λ, quali riempitivi aumentano la conducibilità termica e quando conviene utilizzare composti di riempimento termoconduttivi?
Perché la conducibilità termica è fondamentale nei composti di riempimento
I moderni componenti elettronici funzionano in spazi sempre più ridotti con densità di potenza crescenti. Driver LED, convertitori CC/CC, sistemi di gestione delle batterie o controller motore generano calore residuo che deve essere dissipato. I composti di riempimento standard a base di resina epossidica o silicone offrono un'eccellente protezione contro umidità, sostanze chimiche e sollecitazioni meccaniche, ma hanno un effetto isolante dal punto di vista termico.
Le conseguenze di un'insufficiente dissipazione del calore sono misurabili: per ogni aumento di 10 Kelvin della temperatura della giunzione, la durata dei semiconduttori si dimezza statisticamente (legge di Arrhenius). Quando il calore non viene distribuito in modo uniforme si formano dei punti caldi. I componenti di potenza devono essere limitati (derating), impedendo ai sistemi di raggiungere la loro piena potenza. In applicazioni critiche come i pacchi batteria per la mobilità elettrica o i moduli LED ad alta potenza, il surriscaldamento causa guasti o rischi per la sicurezza.
I composti di riempimento termoconduttivi risolvono questo problema grazie alla presenza di riempitivi termoconduttivi. Questi formano percorsi di conduzione termica attraverso la matrice polimerica e consentono il trasferimento di calore dal componente all'alloggiamento o al circuito stampato. In questo modo, le formulazioni moderne combinano la funzione protettiva dei composti di riempimento classici con una gestione termica attiva.
Che cos'è il valore λ (lambda)?
Il valore λ, noto anche come conducibilità termica o conducibilità termica, descrive la capacità di un materiale di condurre il calore. L'unità fisica è il watt per metro e kelvin (W/m·K). Un valore λ più elevato indica una migliore conducibilità termica.
Valori λ tipici a titolo comparativo:
- Rame: 390 W/m·K (eccellente conduttore termico)
- Alluminio: 235 W/m·K
- Resina epossidica standard: 0,2–0,3 W/m·K
- Silicone standard: 0,15–0,25 W/m·K
- Massa di riempimento termoconduttiva: 0,5–3,0 W/m·K
- Pasta termoconduttiva ad alte prestazioni: fino a 15 W/m·K
La misurazione viene effettuata secondo procedure standardizzate quali ASTM D5470 (metodo laser flash) o ISO 22007 (metodo hot disk). In questo caso, un flusso termico definito viene condotto attraverso un campione di materiale e viene misurata la differenza di temperatura risultante. Importante: il valore λ viene determinato allo stato indurito – le indicazioni del produttore si riferiscono sempre a masse di riempimento completamente reticolate.
Consiglio pratico: valore λ contro resistenza termica
Il valore λ è una proprietà del materiale, ma non dice nulla sull'effettivo effetto di raffreddamento. Il fattore decisivo è la resistenza termica Rth dell'intero strato di riempimento: Rth = d / (λ × A), dove d è lo spessore dello strato e A è la superficie. Uno strato di 5 mm di spessore con λ = 1 W/m·K dissipa il calore meno efficacemente di uno strato di 2 mm con λ = 0,8 W/m·K. Ottimizzate quindi la scelta dei materiali e la geometria.
Confronto: riempimento standard vs. termoconduttivo
Le differenze tra i composti di riempimento tradizionali e quelli termoconduttivi vanno oltre il valore λ. La tabella mostra i profili delle caratteristiche tipiche:
| Caratteristica | Massa di riempimento standard | Massa di riempimento termoconduttiva |
|---|---|---|
| Conducibilità termica λ | 0,2–0,3 W/m·K | 0,6–3,0 W/m·K |
| contenuto di riempitivo | 0-20% in peso | 40-75% in peso |
| Viscosità (non indurito) | 1.000–10.000 mPa·s | 10.000–80.000 mPa·s |
| Durezza Shore (indurito) | Shore A 30–80 | Shore A 50–90 / Shore D 30–60 |
| densità | 1,0–1,2 g/cm³ | 1,8–2,8 g/cm³ |
| lavorazione | Versamento, dosaggio, vuoto opzionale | Si consiglia il degassaggio sottovuoto, è necessario un agitatore |
| Prezzo (relativo) | € | €€–€€€ |
L'elevato contenuto di riempitivi delle masse di riempimento termoconduttive comporta alcune sfide: la viscosità aumenta notevolmente, rendendo più difficile la deaerazione. La maggiore densità richiede sistemi di dosaggio adeguati. Inoltre, i riempitivi tendono a sedimentarsi se il materiale rimane inattivo per un periodo di tempo prolungato prima della lavorazione. In cambio, si ottiene una dissipazione del calore notevolmente migliorata con una capacità di isolamento elettrico costante.
I riempitivi e il loro effetto
La conducibilità termica del composto di riempimento dipende direttamente dal tipo, dalla quantità e dalla forma dei riempitivi utilizzati. Le matrici polimeriche (epossidiche, siliconiche, poliuretaniche) di per sé conducono male il calore: solo i riempitivi creano percorsi di conduzione termica continui. Vengono utilizzati i seguenti materiali:
Ossido di alluminio (Al₂O₃)
Il riempitivo più utilizzato per i composti di riempimento termoconduttivi. L'ossido di alluminio offre un eccellente rapporto qualità-prezzo e raggiunge valori λ compresi tra 0,8 e 1,5 W/m·K con elevati gradi di riempimento (60-70% in peso). Le particelle bianche sono elettricamente isolanti, chimicamente inerti e disponibili in diverse granulometrie. Combinando particelle di diverse dimensioni (distribuzione bimodale) è possibile ottimizzare la densità di impaccamento: le particelle fini riempiono gli spazi tra quelle grossolane.
Nitruro di boro (BN)
Il nitruro di boro esagonale è anche noto come "grafite bianca" e presenta una spiccata anisotropia termica: il calore viene condotto in modo eccellente lungo i piani cristallini. I composti di riempimento con riempitivo BN raggiungono valori λ compresi tra 1,5 e 3,0 W/m·K con una costante dielettrica bassa, ideale per applicazioni ad alta frequenza. Lo svantaggio: il nitruro di boro è notevolmente più costoso dell'ossido di alluminio e la sua lavorazione è più complessa, poiché le particelle a forma di piastrina tendono ad orientarsi.
Nitruro di alluminio (AlN)
Con una conducibilità termica intrinseca superiore a 200 W/m·K, il nitruro di alluminio è uno dei riempitivi ceramici più efficaci. I composti di riempimento raggiungono così valori λ fino a 2,5 W/m·K. L'AlN è elettricamente isolante e, a differenza del nitruro di boro, non presenta anisotropia. I costi elevati e la sensibilità all'umidità rappresentano un limite: l'AlN reagisce con l'acqua formando ossido di alluminio e ammoniaca, pertanto è necessario procedere con un'accurata essiccazione e conservazione.
Riempitivi metallici (argento, alluminio)
I fiocchi d'argento o la polvere di alluminio consentono una conducibilità termica superiore a 3 W/m·K, ma a scapito dell'isolamento elettrico. Questi composti di riempimento elettricamente conduttivi vengono utilizzati laddove sono richiesti collegamenti di massa mirati o schermature EMC. Non sono adatti per le classiche applicazioni di isolamento.
Applicazioni
I composti di riempimento termoconduttivi vengono utilizzati ovunque sia necessario proteggere e raffreddare contemporaneamente i componenti elettronici:
Illuminazione a LED e LED ad alta potenza
I chip LED raggiungono densità di potenza di diversi watt per millimetro quadrato. La temperatura della giunzione determina la luminosità, la posizione cromatica e la durata. Composti di silicone termoconduttivi (λ = 0,8–1,2 W/m·K) incapsulano i moduli LED e conducono il calore al dissipatore di calore in alluminio. La flessibilità meccanica compensa la dilatazione termica, mentre la stabilità ai raggi UV garantisce la trasparenza a lungo termine. Le formulazioni Bluesil per applicazioni LED raggiungono Shore A 40-60 con valori λ intorno a 1,0 W/m·K.
Elettronica di potenza e convertitori di frequenza
I moduli IGBT, i circuiti a ponte MOSFET e i convertitori CC/CC generano perdite significative durante il funzionamento in commutazione. I composti di riempimento a base epossidica con λ = 1,5-2,0 W/m·K offrono la resistenza meccanica necessaria (Shore D 50-70) e una resistenza alla temperatura fino a 150 °C. L'elevata resistenza alla rottura protegge dalle correnti di dispersione, mentre la dissipazione del calore impedisce il surriscaldamento degli strati barriera. Spessori tipici degli strati: 3–8 mm.
Mobilità elettrica: sistemi di gestione delle batterie ed elettronica di ricarica
Le applicazioni automobilistiche richiedono una resistenza termica da -40 °C a +125 °C, robustezza meccanica contro le vibrazioni e resistenza a lungo termine. I composti di riempimento in poliuretano o silicone termoconduttivi proteggono le schede BMS nei pacchi batteria ad alta tensione e dissipano il calore. Allo stesso tempo, devono soddisfare i requisiti di resistenza alla fiamma UL94-V0. Requisiti per i valori λ: almeno 1,0 W/m·K per il raffreddamento attivo, fino a 2,0 W/m·K per i sistemi passivi.
Alimentatori e alimentatori elettrici
Gli alimentatori a commutazione combinano un'elevata densità dei componenti con un carico termico permanente. Trasformatori, raddrizzatori e condensatori elettrolitici traggono vantaggio dall'incapsulamento termoconduttivo, che convoglia il calore verso gli alloggiamenti metallici o le piastre di base. Nel caso dei siliconi bicomponenti, il lungo tempo di lavorabilità (20-60 minuti) consente di riempire completamente anche geometrie complesse.
Criteri di selezione: determinare il valore λ corretto
Una maggiore conducibilità termica sembra inizialmente sempre migliore, ma comporta costi più elevati, una lavorazione più difficile e spesso una maggiore durezza meccanica. La scelta del materiale dovrebbe basarsi su calcoli termici:
1. Determinare la potenza dissipata
Qual è la potenza termica P (in Watt) che deve essere dissipata? Valori ricavati dalle schede tecniche dei semiconduttori di potenza o dalle misurazioni effettuate durante il funzionamento.
2. Impostare la differenza di temperatura
Qual è la differenza di temperatura ΔT consentita tra il componente e il dissipatore di calore? Tipicamente: 20-40 Kelvin, a seconda della temperatura massima della giunzione e della temperatura ambiente.
3. Calcolare la resistenza termica
Rth = ΔT / P (unità: K/W). Si tratta della resistenza termica massima consentita dello strato di riempimento.
4. Determinare il valore λ richiesto
λ = d / (Rth × A), dove d è lo spessore dello strato di rivestimento in metri e A è la superficie di trasferimento termico in metri quadrati. Calcolare un fattore di sicurezza compreso tra 1,3 e 1,5 per compensare le tolleranze di produzione e l'invecchiamento.
Esempio di calcolo: un modulo LED genera 10 W di calore disperso, che deve essere dissipato attraverso uno strato di resina di 5 mm di spessore e 50 cm² di superficie. Differenza di temperatura consentita: 30 K.
- Rth = 30 K / 10 W = 3 K/W
- λ = 0,005 m / (3 K/W × 0,005 m²) = 0,33 W/m·K
- Con fattore di sicurezza 1,4: λ ≥ 0,46 W/m·K
In questo caso sarebbe sufficiente un composto di riempimento con λ = 0,8 W/m·K.
Ulteriori criteri di selezione: resistenza chimica (refrigeranti, oli), intervallo di temperatura, durezza Shore (assorbimento delle vibrazioni), resistenza di isolamento elettrico (resistenza alla corrente di dispersione CTI), lavorabilità (durata di conservazione, sfiato) e omologazioni (UL, REACH, RoHS).
Consigli per la lavorazione
L'elevata viscosità e il contenuto di riempitivi delle masse di riempimento termoconduttive richiedono tecniche di lavorazione adeguate:
Miscelazione e omogeneizzazione
I riempitivi sedimentano durante lo stoccaggio. Prima della lavorazione è indispensabile mescolare accuratamente. Nei sistemi a 2 componenti, entrambi i componenti devono essere omogeneizzati separatamente prima di essere miscelati. I miscelatori planetari o gli agitatori a doppia vite garantiscono una distribuzione uniforme del riempitivo. Tempo di miscelazione: almeno 2-3 minuti per confezioni di dimensioni superiori a 1 kg.
degassaggio sottovuoto
Le inclusioni d'aria riducono drasticamente la conducibilità termica effettiva: una bolla d'aria con λ = 0,026 W/m·K funge da barriera termica. Il degassaggio a 10-50 mbar per 5-10 minuti dopo la miscelazione elimina l'aria incorporata. In caso di grandi volumi di colata, è possibile eseguire la colata direttamente nella camera a vuoto. Attenzione: un vuoto troppo prolungato riduce il tempo di lavorabilità dei sistemi reattivi.
Dosaggio e fluidità
La viscosità è spesso compresa tra 20.000 e 60.000 mPa·s, notevolmente superiore rispetto alla colata standard. Le pompe a ingranaggi o le pompe a vite eccentrica sono più adatte rispetto ai dosatori a pistone. In caso di assemblaggi complessi, versare lentamente il materiale di riempimento dal punto più basso e lasciarlo salire, in modo che l'aria possa fuoriuscire. Il riscaldamento a 30-40 °C riduce la viscosità e migliora la fluidità, ma riduce il tempo di lavorabilità.
indurimento
L'elevato contenuto di riempitivo rallenta la dissipazione del calore durante l'esotermia. In caso di strati di riempimento spessi (> 20 mm) e sistemi epossidici a reazione rapida, può verificarsi uno sviluppo di calore incontrollato. Rimedio: polimerizzazione graduale (ad es. 2 ore a 60 °C, poi 4 ore a 80 °C) o utilizzo di formulazioni a polimerizzazione lenta. I composti di riempimento al silicone polimerizzano senza esotermia.
Trattamento successivo e controllo qualità
Dopo l'indurimento è necessario verificare la qualità dell'iniezione: controllo visivo per individuare eventuali bolle, misurazione della durezza Shore per controllare la reticolazione, registrazione termografica sotto carico per verificare la dissipazione del calore. In caso di applicazioni critiche per la sicurezza è possibile verificare a campione la resistenza alla perforazione.
Domande frequenti (FAQ)
Conclusione: migliorare in modo misurabile le prestazioni termiche
I composti di riempimento termoconduttivi sono più di un semplice aggiornamento: consentono di realizzare progetti elettronici che non funzionerebbero dal punto di vista termico con il riempimento standard. Il valore λ indica la capacità del materiale, ma l'effettivo effetto di raffreddamento dipende dallo spessore dello strato, dalla superficie e dal sistema complessivo. I sistemi riempiti con ossido di alluminio offrono il miglior rapporto qualità-prezzo per la maggior parte delle applicazioni, mentre il nitruro di boro e il nitruro di alluminio rimangono riservati alla gestione termica ad alte prestazioni.
La lavorazione richiede maggiore attenzione rispetto alla colata standard: omogeneizzazione, degassificazione e tecnica di dosaggio adeguata sono fondamentali per ottenere risultati riproducibili. In cambio si ottengono vantaggi misurabili: temperature inferiori dello strato barriera, maggiore durata, prestazioni di sistema più elevate e maggiore affidabilità.
Nella scelta vale la regola: tanta conducibilità termica quanto necessaria, non quanto possibile. Un calcolo termico accurato evita un eccesso di ingegnerizzazione e mantiene i costi sotto controllo. I composti di riempimento Bluesil offrono soluzioni su misura per diversi requisiti λ, dalle formulazioni flessibili in silicone con λ = 0,8 W/m·K ai sistemi altamente riempiti con λ = 2,5 W/m·K.
Composti di riempimento termoconduttivi per la vostra applicazione
I nostri specialisti dei materiali vi aiutano a scegliere il composto di riempimento termoconduttivo ottimale, fornendovi calcoli termici, campioni e consulenza sulla lavorazione. SILITECH offre sistemi di riempimento Bluesil con valori λ compresi tra 0,6 e 3,0 W/m·K per elettronica, LED, mobilità elettrica e applicazioni industriali.
SILITECH AG
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