Como otimizar o gerenciamento térmico com dissipadores térmicos e preenchedores de folgas

O bom gerenciamento térmico é importante para garantir o desempenho e a confiabilidade dos dispositivos eletrônicos. Na teoria, isso é simples, começando com a transferência de calor indesejado para longe da fonte e espalhando-o por uma área maior para uma dissipação e resfriamento eficazes. Mas, em muitos casos, a implementação pode ser um desafio.

As superfícies dos dispositivos geradores de calor normalmente não são suficientemente lisas para ter a baixa impedância térmica necessária e garantir uma boa transferência de calor. No caso de alguns dispositivos, as superfícies não são planas, aumentando o desafio do gerenciamento térmico. Além disso, os componentes que precisam ser resfriados podem estar profundamente dentro do sistema, complicando ainda mais a extração do calor potencialmente prejudicial.

Pastas e massas térmicas podem ser usadas para melhorar a condutividade térmica, mas pode ser complicado obter a cobertura necessária para garantir uma boa transferência térmica e evitar a aplicação excessiva que pode causar contaminação das trilhas das placas de circuito e resultar em curto-circuitos. Além disso, as pastas e massas térmicas não podem espalhar o calor lateralmente para longe da fonte.

Em vez disso, os projetistas podem recorrer a uma variedade de materiais de interface térmica (TIMs), incluindo preenchedores de folgas e dissipadores térmicos para fornecer consistentemente as baixas impedâncias térmicas necessárias para uma transferência de calor eficaz, eliminando, ao mesmo tempo, qualquer preocupação com a contaminação. Para atender às necessidades específicas do sistema, os TIMs podem ser estruturados para transferir calor verticalmente ou dissipar calor lateralmente. Os TIMs estão disponíveis em uma variedade de espessuras para atender às exigências de aplicações específicas, são mecanicamente estáveis a temperaturas de operação elevadas para uma boa confiabilidade, podem proporcionar um alto isolamento elétrico e são fáceis de aplicar.

Este artigo avalia a gestão térmica e fornece diretrizes gerais de seleção de um TIM. Em seguida, apresenta várias opções de TIM da Würth Elektronik e examina as considerações de aplicação e projeto para cada uma delas.

O que são TIMs?

Os TIMs são colocados entre uma fonte de calor e um conjunto de resfriamento para melhorar o acoplamento térmico e o fluxo de calor. Dois fatores aumentam a eficiência do acoplamento térmico. Primeiro, a capacidade do TIM de se adaptar às irregularidades microscópicas da superfície, eliminando todas as bolsas de ar isolante que reduzem a condutividade térmica da interface (Figura 1). Segundo, os TIMs terem a condutividade térmica necessária para transferir efetivamente o calor da fonte para o conjunto de resfriamento. A condutividade térmica, K, é quantificada como watts por metro por grau Kelvin (W/mK). É medida usando a ASTM D5470, "Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials".

Figura 1: Um TIM (azul) é usado para preencher as irregularidades microscópicas que existem nas superfícies dos componentes e conjuntos de resfriamento e melhorar o acoplamento térmico. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Além da condutividade térmica, há várias considerações ao selecionar um TIM:

• A faixa de temperatura operacional é importante, uma vez que vários TIMs são especificados para diferentes faixas de temperatura.
• A distância entre as superfícies de acoplamento e se o TIM precisa ser comprimido para proporcionar uma ótima transferência térmica.
• Capacidade de resistência à pressão de compressão do TIM.
• Alguns TIMs estão disponíveis com adesivos aplicados em suas superfícies que permitem a fixação mecânica.
• Propriedade de isolamento elétrico do TIM, pois alguns materiais podem ser usados para fornecer isolamento elétrico.
• Alguns TIMs estão disponíveis como peças padrão sem quantidade mínima de pedidos e sem custos de usinagem, enquanto outros estão disponíveis em formatos personalizados que podem ser otimizados para requisitos específicos da aplicação.

Escolha de preenchedores de folgas

O preenchedor de folgas de silicone WE-TGF é um material de uso geral projetado para ser usado em aplicações de baixa pressão que se beneficiam do isolamento elétrico, em que o TIM é comprimido entre 10% e 30% de sua espessura. Exceder o nível de compressão recomendado pode resultar na expulsão de óleo de silicone, reduzindo a vida útil esperada do material e possivelmente contaminando a placa de circuito impresso (pci). Esses TIMs são projetados para uso entre duas superfícies mecanicamente fixadas, pois não possuem qualquer adesivo adicional além de sua aderência natural. Estão disponíveis em espessuras de 0,5 a 18 milímetros (mm), com condutividades térmicas entre 1 e 3 W/mK. Espessuras de 0,5 a 3 mm suportam níveis mais altos de condutividade térmica (Figura 2).

Figura 2: Os preenchedores de folga térmica da Würth estão disponíveis para atender às necessidades de uma grande variedade de aplicações. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Por exemplo, o número de peça 40001020 é um pad de 400 x 200 mm, com espessura de 2 mm, com um K de 1 W/mK e uma resistência dielétrica ou classificação de ruptura elétrica (E_BR) de 8 kV/mm. As características de maciez e de isolamento elétrico dos preenchedores de folgas WE-TGF os tornam adequados para uso entre um ou mais componentes eletrônicos e um conjunto de resfriamento (Figura 3).

Figura 3: Uma almofada de preenchimento de folga de elastômero de silicone é projetada para preencher uma folga entre um ou vários componentes eletrônicos e um conjunto de resfriamento, como um dissipador térmico, uma placa de resfriamento ou uma capa metálica. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Para aplicações de gerenciamento térmico que necessitam de isolamento elétrico e um perfil mais fino, os projetistas podem usar a pad isoladora de silicone termicamente condutivo WE-TINS com K de 1,6 a 3,5 W/mK e uma espessura de 0,23 mm. O número de peça 404035025 tem um K de 3,5 W/mK e um E_BR de 6 kV/mm. Como todas as peças da série WE-TINS, o 404035025 combina borracha de silicone termicamente condutivo e uma malha de fibra de vidro. A malha acrescenta resistência mecânica e é resistente a perfurações e cisalhamento. Como resultado das propriedades mecânicas da estrutura, esses TIMs podem ser comprimidos conforme desejado, e têm alta resistência à tração.

Os materiais de mudança de fase térmica e as fitas de transferência térmica são ainda mais finos, com perfis de apenas 0,02 mm. Por exemplo, a série WE-PCM de TIM de mudança de fase muda de sólido para líquido a uma temperatura específica, proporcionando a umidificação completa da interface sem qualquer derramamento ou transbordamento. Eles são projetados para uso com circuitos integrados de alto desempenho ou componentes de potência e conjuntos de resfriamento. Por exemplo, a peça número 402150101020 mede 100 mm quadrados com adesivo em ambos os lados, com K de 5 W/mK, E_BR de 3 kV/mm e uma temperatura de mudança de fase de 55 graus Celsius (°C).

A fita de transferência térmica WE-TTT é uma fita dupla face que permite a fixação mecânica de ambas as superfícies de contato. Ela tem um K de 1 W/mK e um E_BR de 4 kV/mm, e é projetada para aplicações de baixa pressão. Está disponível em larguras de 8 mm (número de peça 403012008) e 50 mm (número de peça 403012050), em rolos de 25 metros (m).

Soluções de espalhamento de calor de grafite

Os TIMs sintéticos baseados em grafite oferecem os mais altos níveis de condutividade térmica (Figura 4). O número de peça 4051210297017 na família WE-TGS é um espalhador de calor de grafite sintético medindo 297 x 210 mm com um K de 1800 W/mK, que não oferece isolamento elétrico. A combinação de alta condutividade térmica, peso leve e espessura (0,03 mm) torna essas folhas de grafite úteis para uma ampla gama de aplicações, desde módulos semicondutores de alta potência até dispositivos portáteis.

Figura 4: Os espalhadores de calor de grafite oferecem altas condutividades térmicas em múltiplas dimensões e são tão finos quanto 0,03 mm. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

A série WE-TGFG combina folhas de grafite com pads de espuma para produzir soluções únicas de gerenciamento térmico com um K de 400 W/mK e um E_BR de 1 kV/mm. Juntas longas podem ser fabricadas para servir como espalhadores de calor, transferindo calor lateralmente, da fonte para um conjunto de resfriamento localizado em outra parte do sistema (Figura 5). Por exemplo, a peça 407150045015 mede 45 mm de comprimento, 15 mm de largura e 1,5 mm de espessura, e pode ser usada em aplicações que se beneficiam de preenchimento de folgas e transferência lateral de calor.

Figura 5: Um TIM colocado em cima de um componente quente pode atuar como um espalhador de calor, transferindo o calor lateralmente para longe do componente. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Parar atingir condutividades térmicas mais altas com pads de silicone, como os preenchedores de folga WE-TGF, é necessário que os pads sejam mais finos. Os projetistas podem recorrer aos TIMs WE-TGFG para preencher folgas de até 25 mm, com uma condutividade térmica muito maior do que é possível com pads de silicone, e as peças WE-TGFG podem ser feitas em geometrias personalizadas para servir em espaços não planos (Figura 6).

Figura 6: Uma junta de espuma de grafite (centro) pode ser fabricada em várias geometrias e ser usada para fazer a interface entre uma fonte de calor (inferior) e um elemento de dissipação térmica não plano (superior). (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Combinando TIMs para melhorar o desempenho

Os TIMs podem ser combinados para proporcionar níveis mais altos de desempenho. Por exemplo, um espalhador de calor de grafite WE-TGS pode ser combinado com um preenchedor de folga de silicone WE-TGF para permitir o uso de um dissipador térmico com uma abrangência maior do que a fonte de calor, aumentando a capacidade de resfriamento do conjunto geral (Figura 7).

Figura 7: A combinação de um espalhador de calor de grafite WE-TGS (TIM 1) com um preenchedor de folga de silicone WE-TGF (TIM 2) pode permitir o uso de um dissipador térmico maior do que as dimensões do componente quente, proporcionando maior resfriamento. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Diretrizes gerais de aplicação

Independentemente do TIM ou TIMs a serem usados, há algumas diretrizes gerais de aplicação que os projetistas precisam considerar:

• As superfícies do componente e do conjunto de resfriamento precisam estar limpas e secas. Deve ser usado um cotonete sem fiapos ou pano e álcool isopropílico para remover qualquer contaminação superficial.
• Ao utilizar TIMs que requerem compressão, o material deve ser comprimido com pressão uniforme em toda a superfície. O material pode ser danificado se a pressão aplicada exceder a classificação especificada.
• Todas as bolhas de ar e/ou folgas de superfície devem ser eliminadas para se obter a melhor condutividade térmica.
• A temperatura de operação do TIM deve ser capaz de satisfazer a combinação da temperatura ambiente e o aumento da temperatura do componente que está sendo resfriado.

Conclusão

O gerenciamento térmico é um problema para um grande número de projetos de sistemas eletrônicos. Como mostrado, os projetistas podem recorrer a uma ampla gama de TIMs, feitos com uma variedade de materiais, incluindo silicones, materiais de mudança de fase, grafite e pads de espuma. O uso de TIMs pode fornecer as impedâncias térmicas consistentemente baixas necessárias para uma transferência de calor eficaz, eliminando, ao mesmo tempo, qualquer preocupação com contaminação que possa surgir ao usar pastas ou massas térmicas.

Enquanto as pastas e massas somente transferem calor verticalmente, os projetistas podem escolher entre TIMs de preenchimento de folgas que conduzem calor verticalmente ou espalhadores de calor que podem conduzir calor lateralmente. Finalmente, muitos TIMs estão disponíveis sem quantidade mínima para encomenda ou custos de usinagem, tornando-os uma escolha econômica para projetos de gerenciamento térmico.

Leitura recomendada

1. Uma Introdução ao Gerenciamento Térmico
2. Como se manter frio: Os princípios básicos da seleção e aplicação de dissipadores térmicos