Não se esqueça dos materiais de interface térmica

No âmbito do gerenciamento térmico, é dada muita atenção a ventoinhas, dissipadores de calor e dispositivos Peltier, o que pode facilitar o esquecimento da maneira como esses componentes são montados. Um Material de Interface Térmica (TIM) é de extrema importância para proporcionar o desempenho ideal dessas outras técnicas de gerenciamento térmico. O objetivo dos TIMs é ocupar os vãos microscópicos e minúsculos presentes entre duas superfícies não uniformes com uma substância que apresenta melhor condutividade térmica do que o ar. Os TIMs podem incluir vários materiais utilizados para melhorar a condutividade térmica, garantindo uma transferência de calor eficiente de um elemento gerador de calor, como um transistor de potência, para um dissipador de calor, como um dissipador térmico, um resfriador termoelétrico ou ambos. Este artigo definirá a condutividade e a impedância térmicas com mais detalhes e, ao mesmo tempo, fornecerá uma introdução de alto nível sobre os diferentes tipos de TIMs disponíveis para um engenheiro de projeto.

Figura 1: Uma representação básica de um TIM preenchendo as folgas de ar entre duas superfícies não uniformes. (Fonte da imagem: Same Sky)

Visão geral da condutividade térmica

Para entender completamente como o preenchimento desses vãos microscópicos pode melhorar a transferência de calor, é essencial ter uma compreensão clara da condutividade térmica. A condutividade térmica é uma medida da capacidade de um material de transmitir calor e não depende do tamanho de um determinado componente. Esse parâmetro é geralmente quantificado em unidades de potência dividida pela área vezes a temperatura, como W/m°C ou W/m*K. Deve-se observar que, como uma unidade na escala Kelvin é equivalente a um grau Celsius, ao realizar cálculos, somente a mudança relativa na temperatura é relevante, não o valor absoluto.

Quando se trata de dissipação de calor, uma maior condutividade térmica é sempre mais desejável. Os materiais de baixa condutividade térmica apresentam uma baixa taxa de transferência de calor, enquanto os materiais com alta condutividade térmica permitem uma transferência mais rápida de calor. Para fins de contexto, a condutividade térmica do ar é de apenas 0,0263 W/m*K, o que é aproximadamente duas ordens de grandeza menor do que a dos materiais de interface térmica. Se houver folgas de ar entre o componente e o dissipador térmico, a dissipação de calor será prejudicada. Ao preencher esses vãos com um TIM, que apresenta uma condutividade térmica significativamente maior do que a do ar, obtém-se uma transferência de calor mais eficiente.

Visão geral da resistência térmica

Por outro lado, a impedância ou resistência térmica depende muito do formato de um componente específico e é expressa em unidades de temperatura dividida pela potência, ou seja, graus Celsius por Watt. Embora a resistência térmica seja abordada em detalhes nos blogs (em inglês) Visão geral do gerenciamento térmico e Como selecionar um dissipador térmico da Same Sky, aqui está uma rápida recapitulação. A resistência térmica, indicada em unidades de C/W, determina quantos graus Celsius mais quentes uma junção ficará por watt de potência dissipada. Por exemplo, se uma junção que dissipa 4 watts de potência tiver uma resistência de 10 C/W, sua temperatura aumentará 40 graus Celsius em relação à temperatura ambiente. Geralmente, o valor da resistência térmica é citado para um meio e uma área específicos, como um invólucro TO-220 para o ar sem um dissipador térmico.

Quando vários dispositivos são integrados, um novo valor de resistência térmica é atribuído. Entretanto, esse valor de resistência térmica pressupõe a existência de uma conexão perfeita entre as duas superfícies, o que nem sempre é o caso. Nessas situações, um material de interface térmica é empregado para criar condições tão próximas do ideal quanto possível. Embora isso melhore a transferência de calor, também acrescenta um nível de complexidade, pois a resistência térmica do TIM deve ser incluída nos cálculos. Pode parecer irônico que, embora o material da interface térmica reduza a resistência térmica entre dois objetos, ele também possua sua própria resistência térmica. Esse valor não é insignificante, mas ainda reduz a resistência térmica entre dois objetos significativamente mais do que aumenta. Dependendo do tipo de TIM empregado, essa resistência térmica pode ser fornecida ou precisa ser calculada com base na espessura do TIM e na área da superfície sobre a qual ele é aplicado.

Figura 2: Exemplo de caminhos típicos de impedância térmica que podem ser considerados em uma aplicação. (Fonte da imagem: Same Sky)

Tipos comuns de material de interface térmica

Os materiais de interface térmica, que podem assumir a forma de géis, graxas, pastas e pads, oferecem diversas soluções para enfrentar os desafios de gerenciamento de calor. Entre elas, as pastas de interface térmica, incluindo géis e graxas, são conhecidas por sua alta condutividade térmica, flexibilidade e capacidade de preencher espaços maiores. No entanto, a aplicação da pasta pode ser complicada, principalmente em superfícies irregulares, e nem sempre produz resultados consistentes. A aplicação excessiva pode levar a uma redução na eficácia geral, enquanto a aplicação insuficiente pode comprometer o desempenho da interface térmica. Além disso, as pastas à base de metal, que oferecem condutividade térmica superior, podem criar riscos elétricos se forem derramadas sobre a PCI. As pastas à base de cerâmica ou carbono podem ser uma alternativa mais segura, mas sua eficiência térmica pode não ser tão boa quanto a das opções à base de metal.

Por outro lado, os pads térmicos são TIMs de material sólido feito de elastômeros de silicone ou não-silicone, com muitos outros materiais também disponíveis. Por exemplo, os pads térmicos da Same Sky são naturalmente pegajosos, eletricamente isolados e têm dimensionamentos variáveis de condutividade térmica, que vão de 1,0 a 6,0 W/m*K. Uma das principais vantagens do uso de pads de interface térmica em vez de pastas é a facilidade de aplicação. Os pads térmicos da Same Sky são pré-cortados para corresponder aos perfis de seus dispositivos Peltier, o que poupa tempo e oferece mais conveniência durante a montagem, em comparação com a compra de grandes folhas de material pad e seu corte no tamanho certo. Os pads térmicos também oferecem maior consistência, menos sujeira e são mais reutilizáveis do que as pastas térmicas.

No entanto, em situações em que os usuários se deparam com diversos dispositivos e tamanhos, a pasta térmica continua sendo a opção preferida devido à sua versatilidade. A pasta térmica também é popular entre os amadores, pois é barata e está prontamente disponível em pequenos tubos, eliminando a necessidade de medições e dimensionamentos precisos. Isso o torna uma opção conveniente para pequenos projetos e aplicações pontuais. Aqui está um resumo rápido das diferentes opções de TIM:

Tabela 1: Resumo das opções de materiais de interface térmica. (Fonte da imagem: Same Sky)

Conclusão

O gerenciamento térmico eficiente é um problema complexo que exige uma série de estratégias e soluções. É fundamental não ignorar a importância dos materiais de interface térmica como um componente essencial do sistema em geral. Seja no estágio de protótipo, na transição para a produção ou apenas usando materiais de interface térmica para projetos de bricolagem, entender os motivos de sua necessidade e os mecanismos por trás de sua funcionalidade pode fazer uma diferença significativa no desempenho térmico de um projeto.