Composti di riempimento termoconduttivi: spiegazione dei valori λ
Quando l'elettronica di potenza si surriscalda, anche il miglior dissipatore di calore è inutile se il calore non fuoriesce 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 il calore in modo mirato. Ma cosa significa concretamente il valore λ, quali riempitivi aumentano la conducibilità termica e quando conviene utilizzare composti di riempimento termoconduttivi?
Indice
- Perché la conducibilità termica è fondamentale nei composti di riempimento
- Che cos'è il valore λ (lambda)?
- Consiglio pratico: valore λ contro resistenza termica
- Confronto: riempimento standard vs. termoconduttivo
- I riempitivi e il loro effetto
- Applicazioni
- Criteri di selezione: determinare il valore λ corretto
- Consigli per la lavorazione
- Domande frequenti (FAQ)
- Conclusione
Perché la conducibilità termica è fondamentale nei composti di riempimento
I moderni moduli elettronici funzionano in spazi sempre più ridotti con densità di potenza crescenti. I driver LED, i convertitori CC/CC, i sistemi di gestione delle batterie o i controller dei motori generano calore che deve essere dissipato. I composti di riempimento standard a base di resina epossidica o silicone offrono un'eccellente protezione contro l'umidità, gli agenti chimici e le sollecitazioni meccaniche, ma hanno solitamente un effetto isolante dal punto di vista termico.
Le conseguenze di un'insufficiente dissipazione del calore sono misurabili. Una temperatura di esercizio più elevata accelera notevolmente l'invecchiamento dei componenti elettronici. Una regola empirica spesso utilizzata afferma che, in molti casi, un aumento della temperatura di 10 K può dimezzare la durata di vita. Tuttavia, l'effetto esatto dipende dal componente e dal meccanismo di guasto dominante.
Inoltre, 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 può causare 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 nella matrice polimerica e consentono il trasferimento del calore dal componente alle strutture adiacenti, come alloggiamenti, supporti o superfici di raffreddamento. 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: circa 390 W/m·K (ottimo conduttore termico)
- Alluminio: circa 235 W/m·K
- Resina epossidica standard: da 0,2 a 0,3 W/m·K circa
- Silicone standard: da circa 0,15 a 0,25 W/m·K
- Massa di riempimento termoconduttiva: da circa 0,5 a 3,0 W/m·K (intervallo tipico)
- Pasta termoconduttiva ad alte prestazioni: notevolmente superiore a seconda del sistema
La conducibilità termica viene determinata con metodi di prova standardizzati. A seconda del sistema di materiali e del laboratorio di prova, vengono utilizzati metodi diversi, ad esempio metodi stazionari o transitori. È importante che i valori λ siano comparabili solo nel contesto della metodologia di prova, della temperatura, dello stato del campione e delle condizioni di indurimento .
Importante per la pratica: i dati forniti dal produttore sui valori λ sono direttamente comparabili solo in misura limitata se i metodi di prova, la temperatura, la geometria del campione o le condizioni di indurimento sono diversi.
Consiglio pratico: valore λ contro resistenza termica
Il valore λ è una proprietà del materiale, ma non fornisce alcuna indicazione sull'effettivo effetto di raffreddamento nel componente. 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 di trasferimento del calore. Uno strato di 5 mm di spessore con λ = 1 W/m·K dissipa il calore meno efficacemente di uno strato di 2 mm di spessore con λ = 0,8 W/m·K. Ottimizzate quindi non solo il materiale, ma anche la geometria.
Oltre al λ, anche lo spessore dello strato e la superficie influenzano la resistenza termica reale, così come le interfacce, le inclusioni d'aria (vuoti) e gli effetti geometrici. Nella pratica, quindi, la dissipazione effettiva del calore è spesso inferiore a quanto suggerito da un calcolo 1D ideale.
Il valore λ non è tutto
- Conducibilità termica del materiale (λ)
- Spessore dello strato del composto di riempimento
- Superficie di contatto effettiva
- Resistenze di contatto alle interfacce
- Inclusioni d'aria / bolle
- Geometria dei componenti e distribuzione del calore
- Profilo termico durante il funzionamento
Confronto: riempimento standard vs. termoconduttivo
Le differenze tra i composti di riempimento tradizionali e quelli termoconduttivi vanno oltre il valore λ. Confronto tra i profili delle caratteristiche tipiche:
| Caratteristica | Massa di riempimento standard | Massa di riempimento termoconduttiva |
|---|---|---|
| Conducibilità termica λ | Da 0,2 a 0,3 W/m·K | Da 0,6 a 3,0 W/m·K (tipico) |
| contenuto di riempitivo | Da 0 a 20% in peso | Dal 40 al 75% in peso |
| Viscosità (non indurito) | Da 1.000 a 10.000 mPa·s | Da 10.000 a 80.000 mPa·s |
| Durezza Shore (indurito) | Shore da 30 a 80 | Shore A da 50 a 90 o Shore D da 30 a 60 |
| densità | Da 1,0 a 1,2 g/cm³ | Da 1,8 a 2,8 g/cm³ |
| lavorazione | Versamento, dosaggio, vuoto opzionale | L'omogeneizzazione è importante, spesso è consigliabile il degassaggio, è utile una tecnica di dosaggio adeguata |
| Prezzo (relativo) | più basso | più alto |
L'elevato contenuto di riempitivi delle masse di riempimento termoconduttive comporta alcune sfide. La viscosità aumenta notevolmente, rendendo più difficili la sfiatatura e il dosaggio. La maggiore densità richiede spesso sistemi di dosaggio adeguati. A seconda della formulazione e delle condizioni di stoccaggio, possono verificarsi anche separazione o sedimentazione.
Il rischio di sedimentazione dipende fortemente dalla viscosità, dalla tixotropia, dalla distribuzione delle particelle e dal tempo di conservazione. Non tutti i sistemi mostrano una separazione critica nella finestra pratica. Tuttavia, è comunque necessario omogeneizzare accuratamente il prodotto prima della lavorazione.
In cambio si ottiene una dissipazione del calore notevolmente migliorata, mantenendo nella maggior parte dei casi una buona capacità di isolamento elettrico, purché vengano utilizzati riempitivi elettricamente isolanti.
I riempitivi e il loro effetto
La conducibilità termica di un composto di riempimento dipende direttamente dal tipo, dalla quantità, dalla forma e dalla distribuzione dei riempitivi utilizzati. Le matrici polimeriche come l'epossidico, il silicone o il poliuretano conducono male il calore. Solo i riempitivi creano percorsi di conduzione termica continui.
Ossido di alluminio (Al2O3)
L'ossido di alluminio è uno dei riempitivi più utilizzati per i composti di riempimento termoconduttivi. Offre un buon rapporto qualità-prezzo e, con elevati gradi di riempimento, consente spesso valori λ compresi tra 0,8 e 1,5 W/m·K. Le particelle sono elettricamente isolanti, chimicamente inerti e disponibili in diverse granulometrie. Combinando particelle di diverse dimensioni (distribuzioni bimodali o multimodali) è possibile migliorare la densità di impaccamento.
Nitruro di boro (BN)
Il nitruro di boro esagonale è spesso definito "grafite bianca" e presenta una spiccata anisotropia termica. Il calore viene condotto molto meglio lungo determinati piani cristallini. A seconda della formulazione, è quindi possibile ottenere valori λ più elevati, spesso accompagnati da proprietà elettriche favorevoli per determinate applicazioni elettroniche.
Gli svantaggi sono il prezzo dei materiali notevolmente più elevato e una lavorazione più complessa. Le particelle a forma di piastrina possono orientarsi, influenzando il comportamento termico reale in diverse direzioni.
Nitruro di alluminio (AlN)
Il nitruro di alluminio è un riempitivo ceramico molto efficiente con un'elevata conducibilità termica intrinseca. I composti di riempimento con AlN possono raggiungere valori λ elevati e allo stesso tempo rimanere elettricamente isolanti. I limiti sono solitamente rappresentati dai costi più elevati e dalla sensibilità all'umidità nella catena di lavorazione.
Filler metallici (ad es. argento, alluminio)
I riempitivi metallici possono aumentare notevolmente la conducibilità termica, ma spesso comportano conducibilità elettrica o almeno un isolamento notevolmente ridotto. Tali sistemi sono generalmente inadatti alle classiche applicazioni di riempimento isolante, ma possono essere utili in applicazioni speciali con riferimento EMC o massa.
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 moduli LED sono sensibili all'aumento della temperatura dello strato di barriera. Ciò influisce sulla luminosità, sulla posizione cromatica e sulla durata. I composti di riempimento termoconduttivi possono proteggere i moduli LED e allo stesso tempo migliorare il trasporto del calore alle strutture di raffreddamento. A seconda della progettazione, vengono utilizzati sistemi flessibili in silicone o sistemi più rigidi in resina.
Elettronica di potenza e convertitori di frequenza
I moduli IGBT, i circuiti MOSFET e i convertitori CC/CC generano calore residuo rilevante durante il funzionamento. I composti di riempimento termoconduttivi aiutano a ridurre i punti caldi e a migliorare la distribuzione della temperatura. Inoltre, offrono protezione contro umidità, sporco e sollecitazioni meccaniche.
Mobilità elettrica: sistemi di gestione delle batterie ed elettronica di ricarica
Le applicazioni automobilistiche pongono requisiti elevati in termini di intervallo di temperatura, resistenza alle vibrazioni, resistenza ai fluidi e stabilità a lungo termine. I composti di riempimento termoconduttivi vengono utilizzati, tra l'altro, nell'elettronica BMS, nella sensoristica e nell'elettronica di ricarica. A seconda delle specifiche, possono essere rilevanti requisiti aggiuntivi come le classificazioni di resistenza alla fiamma o approvazioni speciali.
Alimentatori e alimentatori elettrici
Gli alimentatori a commutazione combinano un'elevata densità dei componenti con un carico termico costante. Il riempimento termoconduttivo può convogliare il calore in modo mirato verso gli alloggiamenti metallici o le piastre di base e allo stesso tempo proteggere il gruppo dai fattori ambientali. In caso di geometrie complesse, la durata di vita, la fluidità e il degassamento sono particolarmente importanti.
Criteri di selezione: determinare il valore λ corretto
Una maggiore conducibilità termica sembra sempre migliore a prima vista. Nella pratica, tuttavia, un valore λ più elevato comporta spesso costi più elevati, una lavorazione più difficile e, in alcuni casi, una maggiore durezza meccanica. La scelta del materiale dovrebbe quindi basarsi su una valutazione termica.
-
Determinare la potenza dissipata
Quale potenza termica P (in Watt) deve essere dissipata? Il punto di partenza sono le schede tecniche, le simulazioni o le misurazioni durante il funzionamento. -
Definizione della differenza di temperatura consentita
Qual è la differenza di temperatura ΔT consentita tra il componente e la struttura di raffreddamento? A seconda dell'applicazione, in genere si tratta di alcune decine di Kelvin. -
Calcolare la resistenza termica massima
Rth = ΔT / P (unità: K/W) -
Stimare il valore λrichiesto
λ = d / (Rth × A)
Dove d è lo spessore dello strato in metri e A è la superficie di trasferimento del calore in metri quadrati. È opportuno applicare un fattore di sicurezza (ad es. da 1,3 a 1,5) per tenere conto delle tolleranze, dei vuoti e dell'invecchiamento.
Esempio di calcolo
Un modulo LED genera 10 W di calore disperso. Il calore deve essere dissipato attraverso uno strato di rivestimento dello spessore di 5 mm e della superficie di 50 cm². Differenza di temperatura ammessa: 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 un fattore di sicurezza pari a 1,4, si ottiene λ ≥ 0,46 W/m·K.
In molti casi sarebbe sufficiente un composto di riempimento con λ = 0,8 W/m·K, a condizione che la qualità del contatto, la geometria e la dissipazione del calore nell'intero sistema siano adeguate.
Ulteriori criteri di selezione
- Resistenza chimica (ad es. a refrigeranti, oli, detergenti)
- Intervallo di temperatura e resistenza agli sbalzi termici
- Durezza Shore e disaccoppiamento meccanico (vibrazioni, urti)
- Parametri di isolamento elettrico (ad es. rigidità dielettrica, CTI a seconda dell'applicazione)
- Lavorabilità (durata in opera, miscelabilità, sfiato, dosabilità)
- Aderenza su substrati rilevanti
- CTE e aumento della tensione in caso di variazioni di temperatura
- Omologazioni e requisiti normativi (ad es. UL, REACH, RoHS, approvazioni specifiche per l'applicazione)
- Requisiti di rilavorazione / Smontabilità
Consigli per la lavorazione
L'elevata viscosità e l'alto contenuto di riempitivi delle masse di riempimento termoconduttive richiedono tecniche di lavorazione adeguate. Anche un materiale con un buon valore λ può avere prestazioni scadenti nella pratica se non viene lavorato correttamente a causa di vuoti o bagnatura incompleta.
Miscelazione e omogeneizzazione
I riempitivi possono separarsi o sedimentare durante lo stoccaggio e il trasporto. Prima della lavorazione è importante omogeneizzarli accuratamente. Nei sistemi a 2 componenti, entrambi i componenti devono essere omogeneizzati separatamente prima di essere miscelati. Una tecnica di miscelazione adeguata migliora la distribuzione del riempitivo e riduce le variazioni tra i lotti durante la lavorazione.
degassaggio sottovuoto
Le inclusioni d'aria compromettono notevolmente l'efficacia della conduzione termica, poiché l'aria ha una conducibilità termica molto bassa. Il degassamento dopo la miscelazione può migliorare notevolmente la qualità dell'iniezione. In caso di volumi maggiori o di assemblaggi critici, può essere opportuno procedere all'iniezione sotto vuoto.
Dosaggio e fluidità
I sistemi termoconduttivi sono spesso molto più viscosi rispetto ai composti di riempimento standard. Per i materiali altamente riempiti sono spesso vantaggiosi sistemi di pompaggio e dosaggio adeguati. Nel caso di assemblaggi complessi, il materiale dovrebbe essere applicato in modo tale da consentire la fuoriuscita controllata dell'aria. Una moderata regolazione della temperatura può migliorare la fluidità, ma, a seconda del sistema, riduce il tempo di lavorabilità.
indurimento
Nei sistemi di resina reattiva può verificarsi un'esotermia rilevante, in particolare con volumi di colata maggiori. L'elevata percentuale di riempitivo influisce sul bilancio termico e sul decorso della reazione. Se necessario, è opportuno ricorrere a indurimenti graduali o a sistemi più lenti.
I composti di sigillatura in silicone presentano solitamente un'esotermia notevolmente inferiore rispetto a molti sistemi epossidici, il che può essere vantaggioso dal punto di vista del processo in caso di volumi di sigillatura maggiori.
Trattamento successivo e controllo qualità
Dopo l'indurimento, è necessario verificare la qualità dell'incapsulamento, ad esempio mediante ispezione visiva per individuare eventuali bolle, prova di durezza, controllo del peso o della densità e termografia sotto carico per verificare la dissipazione del calore. Per le applicazioni critiche dal punto di vista della sicurezza, è opportuno eseguire ulteriori prove elettriche e meccaniche.
Domande frequenti (FAQ)
È possibile rimuovere successivamente un composto di riempimento termoconduttivo?
Ciò è possibile solo in misura limitata. I sistemi in silicone morbido sono spesso più facili da rimuovere meccanicamente rispetto agli epossidici duri. Tuttavia, i sistemi completamente induriti e altamente riempiti sono spesso rimovibili solo con notevole sforzo e possono danneggiare i componenti. Se è prevista una rilavorazione, ciò dovrebbe essere preso in considerazione già nella scelta del materiale.
In che misura un valore λ più elevato migliora effettivamente il raffreddamento?
Un valore λ più elevato migliora la conduzione termica nel materiale, ma non automaticamente la potenza di raffreddamento complessiva. Sono determinanti anche lo spessore dello strato, la qualità del contatto, le bolle d'aria, la geometria e la successiva dissipazione del calore nel sistema. È fondamentale la resistenza termica dell'intero percorso termico.
Perché il composto di riempimento termoconduttivo costa molto di più rispetto al composto di riempimento standard?
I principali fattori di costo sono i riempitivi termoconduttivi e i maggiori costi di formulazione e lavorazione. Elevati gradi di riempimento aumentano la viscosità e la densità e richiedono tecnologie di miscelazione, degassificazione e dosaggio più sofisticate.
Posso lavorare un composto di riempimento termoconduttivo con attrezzature normali?
Per piccole quantità e geometrie semplici ciò è in parte possibile. Nei sistemi altamente riempiti sono importanti una buona omogeneizzazione, una tecnica di dosaggio adeguata e, se possibile, il degassaggio, al fine di ottenere risultati riproducibili senza inclusioni d'aria.
Un valore λ elevato è sempre la scelta migliore?
No. Valori λ più elevati comportano spesso costi più elevati, maggiore viscosità e lavorazione più difficile. In molte applicazioni, un sistema lavorato in modo pulito con un valore λ moderato rappresenta la soluzione più economica e tecnicamente adeguata.
Conclusione: migliorare in modo misurabile le prestazioni termiche
I composti di riempimento termoconduttivi sono più di un semplice aggiornamento. Consentono la realizzazione di progetti elettronici che non funzionerebbero in modo affidabile dal punto di vista termico con il riempimento standard. Il valore λ descrive la capacità del materiale, ma l'effettivo effetto di raffreddamento dipende dall'intero percorso termico.
I sistemi riempiti con ossido di alluminio offrono un buon rapporto qualità-prezzo per molte applicazioni. I sistemi a base di nitruro di boro e nitruro di alluminio sono particolarmente interessanti quando sono richieste prestazioni termiche più elevate o proprietà elettriche speciali.
La lavorazione richiede maggiore attenzione rispetto alla colata standard. L'omogeneizzazione, il degassamento e una tecnica di dosaggio adeguata sono fondamentali per ottenere risultati riproducibili. I vantaggi sono misurabili: temperature dei componenti più basse, maggiore durata, prestazioni del sistema più elevate e maggiore affidabilità.
Nella scelta vale la regola: tanta conducibilità termica quanto necessaria, non tanta quanto possibile. Una corretta valutazione termica impedisce un eccesso di ingegnerizzazione e mantiene i costi entro limiti ragionevoli.
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- Selezione in base alla temperatura, alla meccanica e alla resistenza ai fluidi
- Classificazione dei valori λ nel contesto dell'applicazione
- Indicazioni per la lavorazione (miscelazione, degassificazione, dosaggio)
- Campionatura per test e convalida
Composti di riempimento termoconduttivi per la vostra applicazione
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Contatti e consulenzaComposti di riempimento termoconduttivi: spiegazione dei valori λ
Quando l'elettronica di potenza si surriscalda, anche il miglior dissipatore di calore è inutile se il calore non fuoriesce 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 il calore in modo mirato. Ma cosa significa concretamente il valore λ, quali riempitivi aumentano la conducibilità termica e quando conviene utilizzare composti di riempimento termoconduttivi?
Indice
- Perché la conducibilità termica è fondamentale nei composti di riempimento
- Che cos'è il valore λ (lambda)?
- Consiglio pratico: valore λ contro resistenza termica
- Confronto: riempimento standard vs. termoconduttivo
- I riempitivi e il loro effetto
- Applicazioni
- Criteri di selezione: determinare il valore λ corretto
- Consigli per la lavorazione
- Domande frequenti (FAQ)
- Conclusione
Perché la conducibilità termica è fondamentale nei composti di riempimento
I moderni moduli elettronici funzionano in spazi sempre più ridotti con densità di potenza crescenti. I driver LED, i convertitori CC/CC, i sistemi di gestione delle batterie o i controller dei motori generano calore che deve essere dissipato. I composti di riempimento standard a base di resina epossidica o silicone offrono un'eccellente protezione contro l'umidità, gli agenti chimici e le sollecitazioni meccaniche, ma hanno solitamente un effetto isolante dal punto di vista termico.
Le conseguenze di un'insufficiente dissipazione del calore sono misurabili. Una temperatura di esercizio più elevata accelera notevolmente l'invecchiamento dei componenti elettronici. Una regola empirica spesso utilizzata afferma che, in molti casi, un aumento della temperatura di 10 K può dimezzare la durata di vita. Tuttavia, l'effetto esatto dipende dal componente e dal meccanismo di guasto dominante.
Inoltre, 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 può causare 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 nella matrice polimerica e consentono il trasferimento del calore dal componente alle strutture adiacenti, come alloggiamenti, supporti o superfici di raffreddamento. 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: circa 390 W/m·K (ottimo conduttore termico)
- Alluminio: circa 235 W/m·K
- Resina epossidica standard: da 0,2 a 0,3 W/m·K circa
- Silicone standard: da circa 0,15 a 0,25 W/m·K
- Massa di riempimento termoconduttiva: da circa 0,5 a 3,0 W/m·K (intervallo tipico)
- Pasta termoconduttiva ad alte prestazioni: notevolmente superiore a seconda del sistema
La conducibilità termica viene determinata con metodi di prova standardizzati. A seconda del sistema di materiali e del laboratorio di prova, vengono utilizzati metodi diversi, ad esempio metodi stazionari o transitori. È importante che i valori λ siano comparabili solo nel contesto della metodologia di prova, della temperatura, dello stato del campione e delle condizioni di indurimento .
Importante per la pratica: i dati forniti dal produttore sui valori λ sono direttamente comparabili solo in misura limitata se i metodi di prova, la temperatura, la geometria del campione o le condizioni di indurimento sono diversi.
Consiglio pratico: valore λ contro resistenza termica
Il valore λ è una proprietà del materiale, ma non fornisce alcuna indicazione sull'effettivo effetto di raffreddamento nel componente. 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 di trasferimento del calore. Uno strato di 5 mm di spessore con λ = 1 W/m·K dissipa il calore meno efficacemente di uno strato di 2 mm di spessore con λ = 0,8 W/m·K. Ottimizzate quindi non solo il materiale, ma anche la geometria.
Oltre al λ, anche lo spessore dello strato e la superficie influenzano la resistenza termica reale, così come le interfacce, le inclusioni d'aria (vuoti) e gli effetti geometrici. Nella pratica, quindi, la dissipazione effettiva del calore è spesso inferiore a quanto suggerito da un calcolo 1D ideale.
Il valore λ non è tutto
- Conducibilità termica del materiale (λ)
- Spessore dello strato del composto di riempimento
- Superficie di contatto effettiva
- Resistenze di contatto alle interfacce
- Inclusioni d'aria / bolle
- Geometria dei componenti e distribuzione del calore
- Profilo termico durante il funzionamento
Confronto: riempimento standard vs. termoconduttivo
Le differenze tra i composti di riempimento tradizionali e quelli termoconduttivi vanno oltre il valore λ. Confronto tra i profili delle caratteristiche tipiche:
| Caratteristica | Massa di riempimento standard | Massa di riempimento termoconduttiva |
|---|---|---|
| Conducibilità termica λ | Da 0,2 a 0,3 W/m·K | Da 0,6 a 3,0 W/m·K (tipico) |
| contenuto di riempitivo | Da 0 a 20% in peso | Dal 40 al 75% in peso |
| Viscosità (non indurito) | Da 1.000 a 10.000 mPa·s | Da 10.000 a 80.000 mPa·s |
| Durezza Shore (indurito) | Shore da 30 a 80 | Shore A da 50 a 90 o Shore D da 30 a 60 |
| densità | Da 1,0 a 1,2 g/cm³ | Da 1,8 a 2,8 g/cm³ |
| lavorazione | Versamento, dosaggio, vuoto opzionale | L'omogeneizzazione è importante, spesso è consigliabile il degassaggio, è utile una tecnica di dosaggio adeguata |
| Prezzo (relativo) | più basso | più alto |
L'elevato contenuto di riempitivi delle masse di riempimento termoconduttive comporta alcune sfide. La viscosità aumenta notevolmente, rendendo più difficili la sfiatatura e il dosaggio. La maggiore densità richiede spesso sistemi di dosaggio adeguati. A seconda della formulazione e delle condizioni di stoccaggio, possono verificarsi anche separazione o sedimentazione.
Il rischio di sedimentazione dipende fortemente dalla viscosità, dalla tixotropia, dalla distribuzione delle particelle e dal tempo di conservazione. Non tutti i sistemi mostrano una separazione critica nella finestra pratica. Tuttavia, è comunque necessario omogeneizzare accuratamente il prodotto prima della lavorazione.
In cambio si ottiene una dissipazione del calore notevolmente migliorata, mantenendo nella maggior parte dei casi una buona capacità di isolamento elettrico, purché vengano utilizzati riempitivi elettricamente isolanti.
I riempitivi e il loro effetto
La conducibilità termica di un composto di riempimento dipende direttamente dal tipo, dalla quantità, dalla forma e dalla distribuzione dei riempitivi utilizzati. Le matrici polimeriche come l'epossidico, il silicone o il poliuretano conducono male il calore. Solo i riempitivi creano percorsi di conduzione termica continui.
Ossido di alluminio (Al2O3)
L'ossido di alluminio è uno dei riempitivi più utilizzati per i composti di riempimento termoconduttivi. Offre un buon rapporto qualità-prezzo e, con elevati gradi di riempimento, consente spesso valori λ compresi tra 0,8 e 1,5 W/m·K. Le particelle sono elettricamente isolanti, chimicamente inerti e disponibili in diverse granulometrie. Combinando particelle di diverse dimensioni (distribuzioni bimodali o multimodali) è possibile migliorare la densità di impaccamento.
Nitruro di boro (BN)
Il nitruro di boro esagonale è spesso definito "grafite bianca" e presenta una spiccata anisotropia termica. Il calore viene condotto molto meglio lungo determinati piani cristallini. A seconda della formulazione, è quindi possibile ottenere valori λ più elevati, spesso accompagnati da proprietà elettriche favorevoli per determinate applicazioni elettroniche.
Gli svantaggi sono il prezzo dei materiali notevolmente più elevato e una lavorazione più complessa. Le particelle a forma di piastrina possono orientarsi, influenzando il comportamento termico reale in diverse direzioni.
Nitruro di alluminio (AlN)
Il nitruro di alluminio è un riempitivo ceramico molto efficiente con un'elevata conducibilità termica intrinseca. I composti di riempimento con AlN possono raggiungere valori λ elevati e allo stesso tempo rimanere elettricamente isolanti. I limiti sono solitamente rappresentati dai costi più elevati e dalla sensibilità all'umidità nella catena di lavorazione.
Filler metallici (ad es. argento, alluminio)
I riempitivi metallici possono aumentare notevolmente la conducibilità termica, ma spesso comportano conducibilità elettrica o almeno un isolamento notevolmente ridotto. Tali sistemi sono generalmente inadatti alle classiche applicazioni di riempimento isolante, ma possono essere utili in applicazioni speciali con riferimento EMC o massa.
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 moduli LED sono sensibili all'aumento della temperatura dello strato di barriera. Ciò influisce sulla luminosità, sulla posizione cromatica e sulla durata. I composti di riempimento termoconduttivi possono proteggere i moduli LED e allo stesso tempo migliorare il trasporto del calore alle strutture di raffreddamento. A seconda della progettazione, vengono utilizzati sistemi flessibili in silicone o sistemi più rigidi in resina.
Elettronica di potenza e convertitori di frequenza
I moduli IGBT, i circuiti MOSFET e i convertitori CC/CC generano calore residuo rilevante durante il funzionamento. I composti di riempimento termoconduttivi aiutano a ridurre i punti caldi e a migliorare la distribuzione della temperatura. Inoltre, offrono protezione contro umidità, sporco e sollecitazioni meccaniche.
Mobilità elettrica: sistemi di gestione delle batterie ed elettronica di ricarica
Le applicazioni automobilistiche pongono requisiti elevati in termini di intervallo di temperatura, resistenza alle vibrazioni, resistenza ai fluidi e stabilità a lungo termine. I composti di riempimento termoconduttivi vengono utilizzati, tra l'altro, nell'elettronica BMS, nella sensoristica e nell'elettronica di ricarica. A seconda delle specifiche, possono essere rilevanti requisiti aggiuntivi come le classificazioni di resistenza alla fiamma o approvazioni speciali.
Alimentatori e alimentatori elettrici
Gli alimentatori a commutazione combinano un'elevata densità dei componenti con un carico termico costante. Il riempimento termoconduttivo può convogliare il calore in modo mirato verso gli alloggiamenti metallici o le piastre di base e allo stesso tempo proteggere il gruppo dai fattori ambientali. In caso di geometrie complesse, la durata di vita, la fluidità e il degassamento sono particolarmente importanti.
Criteri di selezione: determinare il valore λ corretto
Una maggiore conducibilità termica sembra sempre migliore a prima vista. Nella pratica, tuttavia, un valore λ più elevato comporta spesso costi più elevati, una lavorazione più difficile e, in alcuni casi, una maggiore durezza meccanica. La scelta del materiale dovrebbe quindi basarsi su una valutazione termica.
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Determinare la potenza dissipata
Quale potenza termica P (in Watt) deve essere dissipata? Il punto di partenza sono le schede tecniche, le simulazioni o le misurazioni durante il funzionamento. -
Definizione della differenza di temperatura consentita
Qual è la differenza di temperatura ΔT consentita tra il componente e la struttura di raffreddamento? A seconda dell'applicazione, in genere si tratta di alcune decine di Kelvin. -
Calcolare la resistenza termica massima
Rth = ΔT / P (unità: K/W) -
Stimare il valore λrichiesto
λ = d / (Rth × A)
Dove d è lo spessore dello strato in metri e A è la superficie di trasferimento del calore in metri quadrati. È opportuno applicare un fattore di sicurezza (ad es. da 1,3 a 1,5) per tenere conto delle tolleranze, dei vuoti e dell'invecchiamento.
Esempio di calcolo
Un modulo LED genera 10 W di calore disperso. Il calore deve essere dissipato attraverso uno strato di rivestimento dello spessore di 5 mm e della superficie di 50 cm². Differenza di temperatura ammessa: 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 un fattore di sicurezza pari a 1,4, si ottiene λ ≥ 0,46 W/m·K.
In molti casi sarebbe sufficiente un composto di riempimento con λ = 0,8 W/m·K, a condizione che la qualità del contatto, la geometria e la dissipazione del calore nell'intero sistema siano adeguate.
Ulteriori criteri di selezione
- Resistenza chimica (ad es. a refrigeranti, oli, detergenti)
- Intervallo di temperatura e resistenza agli sbalzi termici
- Durezza Shore e disaccoppiamento meccanico (vibrazioni, urti)
- Parametri di isolamento elettrico (ad es. rigidità dielettrica, CTI a seconda dell'applicazione)
- Lavorabilità (durata in opera, miscelabilità, sfiato, dosabilità)
- Aderenza su substrati rilevanti
- CTE e aumento della tensione in caso di variazioni di temperatura
- Omologazioni e requisiti normativi (ad es. UL, REACH, RoHS, approvazioni specifiche per l'applicazione)
- Requisiti di rilavorazione / Smontabilità
Consigli per la lavorazione
L'elevata viscosità e l'alto contenuto di riempitivi delle masse di riempimento termoconduttive richiedono tecniche di lavorazione adeguate. Anche un materiale con un buon valore λ può avere prestazioni scadenti nella pratica se non viene lavorato correttamente a causa di vuoti o bagnatura incompleta.
Miscelazione e omogeneizzazione
I riempitivi possono separarsi o sedimentare durante lo stoccaggio e il trasporto. Prima della lavorazione è importante omogeneizzarli accuratamente. Nei sistemi a 2 componenti, entrambi i componenti devono essere omogeneizzati separatamente prima di essere miscelati. Una tecnica di miscelazione adeguata migliora la distribuzione del riempitivo e riduce le variazioni tra i lotti durante la lavorazione.
degassaggio sottovuoto
Le inclusioni d'aria compromettono notevolmente l'efficacia della conduzione termica, poiché l'aria ha una conducibilità termica molto bassa. Il degassamento dopo la miscelazione può migliorare notevolmente la qualità dell'iniezione. In caso di volumi maggiori o di assemblaggi critici, può essere opportuno procedere all'iniezione sotto vuoto.
Dosaggio e fluidità
I sistemi termoconduttivi sono spesso molto più viscosi rispetto ai composti di riempimento standard. Per i materiali altamente riempiti sono spesso vantaggiosi sistemi di pompaggio e dosaggio adeguati. Nel caso di assemblaggi complessi, il materiale dovrebbe essere applicato in modo tale da consentire la fuoriuscita controllata dell'aria. Una moderata regolazione della temperatura può migliorare la fluidità, ma, a seconda del sistema, riduce il tempo di lavorabilità.
indurimento
Nei sistemi di resina reattiva può verificarsi un'esotermia rilevante, in particolare con volumi di colata maggiori. L'elevata percentuale di riempitivo influisce sul bilancio termico e sul decorso della reazione. Se necessario, è opportuno ricorrere a indurimenti graduali o a sistemi più lenti.
I composti di sigillatura in silicone presentano solitamente un'esotermia notevolmente inferiore rispetto a molti sistemi epossidici, il che può essere vantaggioso dal punto di vista del processo in caso di volumi di sigillatura maggiori.
Trattamento successivo e controllo qualità
Dopo l'indurimento, è necessario verificare la qualità dell'incapsulamento, ad esempio mediante ispezione visiva per individuare eventuali bolle, prova di durezza, controllo del peso o della densità e termografia sotto carico per verificare la dissipazione del calore. Per le applicazioni critiche dal punto di vista della sicurezza, è opportuno eseguire ulteriori prove elettriche e meccaniche.
Domande frequenti (FAQ)
È possibile rimuovere successivamente un composto di riempimento termoconduttivo?
Ciò è possibile solo in misura limitata. I sistemi in silicone morbido sono spesso più facili da rimuovere meccanicamente rispetto agli epossidici duri. Tuttavia, i sistemi completamente induriti e altamente riempiti sono spesso rimovibili solo con notevole sforzo e possono danneggiare i componenti. Se è prevista una rilavorazione, ciò dovrebbe essere preso in considerazione già nella scelta del materiale.
In che misura un valore λ più elevato migliora effettivamente il raffreddamento?
Un valore λ più elevato migliora la conduzione termica nel materiale, ma non automaticamente la potenza di raffreddamento complessiva. Sono determinanti anche lo spessore dello strato, la qualità del contatto, le bolle d'aria, la geometria e la successiva dissipazione del calore nel sistema. È fondamentale la resistenza termica dell'intero percorso termico.
Perché il composto di riempimento termoconduttivo costa molto di più rispetto al composto di riempimento standard?
I principali fattori di costo sono i riempitivi termoconduttivi e i maggiori costi di formulazione e lavorazione. Elevati gradi di riempimento aumentano la viscosità e la densità e richiedono tecnologie di miscelazione, degassificazione e dosaggio più sofisticate.
Posso lavorare un composto di riempimento termoconduttivo con attrezzature normali?
Per piccole quantità e geometrie semplici ciò è in parte possibile. Nei sistemi altamente riempiti sono importanti una buona omogeneizzazione, una tecnica di dosaggio adeguata e, se possibile, il degassaggio, al fine di ottenere risultati riproducibili senza inclusioni d'aria.
Un valore λ elevato è sempre la scelta migliore?
No. Valori λ più elevati comportano spesso costi più elevati, maggiore viscosità e lavorazione più difficile. In molte applicazioni, un sistema lavorato in modo pulito con un valore λ moderato rappresenta la soluzione più economica e tecnicamente adeguata.
Conclusione: migliorare in modo misurabile le prestazioni termiche
I composti di riempimento termoconduttivi sono più di un semplice aggiornamento. Consentono la realizzazione di progetti elettronici che non funzionerebbero in modo affidabile dal punto di vista termico con il riempimento standard. Il valore λ descrive la capacità del materiale, ma l'effettivo effetto di raffreddamento dipende dall'intero percorso termico.
I sistemi riempiti con ossido di alluminio offrono un buon rapporto qualità-prezzo per molte applicazioni. I sistemi a base di nitruro di boro e nitruro di alluminio sono particolarmente interessanti quando sono richieste prestazioni termiche più elevate o proprietà elettriche speciali.
La lavorazione richiede maggiore attenzione rispetto alla colata standard. L'omogeneizzazione, il degassamento e una tecnica di dosaggio adeguata sono fondamentali per ottenere risultati riproducibili. I vantaggi sono misurabili: temperature dei componenti più basse, maggiore durata, prestazioni del sistema più elevate e maggiore affidabilità.
Nella scelta vale la regola: tanta conducibilità termica quanto necessaria, non tanta quanto possibile. Una corretta valutazione termica impedisce un eccesso di ingegnerizzazione e mantiene i costi entro limiti ragionevoli.
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