TIMs spiegati: grassi, distanziatori termici e materiali a cambiamento di fase

Perché due superfici che sembrano perfettamente lisce possono comunque creare un grave collo di bottiglia termico? Nel raffreddamento elettronico, la risposta risiede spesso nelle minuscole intercapedini tra di esse e nel materiale utilizzato per riempire tali intercapedini.

Che cos’è un materiale interfaccia termica?

Un materiale di interfaccia termica (TIM) viene utilizzato nell’imballaggio dei circuiti integrati (IC) e nella gestione termica dell’elettronica per riempire i microspazi vuoti e le depressioni superficiali in corrispondenza del contatto tra due materiali. Riempiendo tali interstizi, un TIM riduce la resistenza termica di contatto e aiuta il dispositivo a dissipare il calore in modo più efficace.</p>

Perché i TIM sono importanti: il problema del 10% dei contatti

I materiali microelettronici e le superfici dei dissipatori di calore non sono mai perfettamente piani a livello microscopico. Quando vengono montati direttamente, l’effettiva area di contatto può essere solo circa il 10% dell’area della base del dissipatore di calore. Il resto è occupato da interstizi d’aria.

Questo è un problema importante perché l’aria ha una conducibilità termica di soli circa 0,024 W/(m·K). Quei vuoti d’aria creano un’elevata resistenza termica di contatto e impediscono al dissipatore di calore di svolgere il proprio compito.

Un materiale di interfaccia termica (TIM) ad alta conducibilità riempie gli interstizi, sposta l’aria e crea un percorso termico efficace tra la sorgente di calore e il dissipatore di calore. In altre parole, il dissipatore di calore potrebbe essere eccellente, ma è comunque l’interfaccia a determinare se funzionerà correttamente.</p>

Che cosa rende un TIM ideale?

Un TIM ideale dovrebbe offrire:

• Elevata conducibilità termica
• Elevata conformabilità/flessibilità in modo da riempire i vuoti sotto una pressione di montaggio bassa e mantenere bassa la resistenza di contatto
• Isolamento elettrico
• Installazione e rimozione semplici
• Applicabilità ampia, coprendo sia piccoli che grandi spazi

Questo elenco di controllo è un utile quadro di valutazione per confrontare materiali reali.

Tre TIM comuni e quando utilizzarli

• 1. Pasta termica

La pasta termica è generalmente realizzata con olio di silicone come materiale di base e cariche resistenti al calore e conduttive termicamente.

Vantaggi: Basso costo ed estremamente comune.

Svantaggi: applicazione disordinata, l’olio di silicone può fuoriuscire e può seccarsi nel tempo. In genere non è raccomandato per prodotti destinati a una lunga durata.

• 2. Guarnizioni termoconduttive in silicone

I cuscinetti termici in silicone utilizzano il silicone come base, con additivi quali ossidi metallici, e vengono realizzati mediante processi speciali. Sono inoltre denominati cuscinetti di riempimento, film di silicone o cuscinetti termici morbidi.

Riempiono gli spazi vuoti e trasferiscono il calore tra i componenti che generano calore e quelli che lo dissipano, fornendo contemporaneamente isolamento, smorzamento delle vibrazioni e tenuta stagna.

Supportano design miniaturizzati e ultra-sottili e sono disponibili in un’ampia gamma di spessori.

Vantaggi: Ampia gamma termica e stabilità, copertura dei divari di processo, isolamento elettrico, assorbimento di vibrazioni e rumore, nonché installazione, collaudo e riutilizzo agevoli.

• 3. Materiali a cambiamento di fase

I materiali a cambiamento di fase (PCM) cambiano fase con la temperatura e forniscono calore latente. Il passaggio di fase solido-solido può assorbire una certa quantità di calore e attenuare gli shock ad alto flusso termico, come se si aggiungesse un “serbatoio” al percorso termico.

Le temperature di cambiamento di fase commerciali sono intorno a 45–50 °C. Vengono utilizzate principalmente per le CPU e altre fonti di calore con flusso termico elevato transitorio, in particolare per proteggere durante l’avvio o il riavvio. Prestare attenzione alla loro capacità termica e alla resistenza termica; alcuni prodotti possono essere sottili fino a 0,125 mm.

Avvertenze: possono essere difficili da immagazzinare e installare, la fuoriuscita di olio al silicone può influire sull’efficienza luminosa delle apparecchiature di illuminazione e l'affidabilità è solo moderata. In caso di utilizzo prolungato a temperature elevate, le prestazioni possono diminuire di circa il 40–70% nell’arco di circa due anni. Sono più adatti per l’elettronica di consumo, i laptop e le console per videogiochi.

In conclusione

I materiali di interfaccia termica influenzano direttamente la qualità dell’interfaccia termica. La pasta termica è economica e comune, ma presenta scarse prestazioni in termini di affidabilità a lungo termine; i fogli termoconduttivi (gap pads) offrono isolamento, smorzamento e possibilità di ripristino (reworkability); i materiali a cambiamento di fase contribuiscono ad attenuare gli shock termici transitori, ma presentano limitazioni relative alla conservazione, all’espulsione (bleed) e all’affidabilità a lungo termine. Scegliere il materiale di interfaccia termica in base alle dimensioni del gap, alla pressione di montaggio, alle esigenze di isolamento, ai requisiti di ripristino e alla durata operativa prevista, non soltanto in base alla conducibilità termica.