Dissipazione termica

a cura di Giulio Rigo, REI

In un mercato come quello odierno, in cui le crescenti prestazioni dei sistemi elettronici non ammettono soluzioni non ottimizzate, ad esempio nelle applicazioni di e-mobility (batterie, BMS, Inverter) un corretto progetto di gestione termica è una fase dello sviluppo da cui, in nessun caso, è possibile prescindere.

Lo scopo di tutti i materiali termoconduttivi forniti da REI è fornire il miglior interfacciamento possibile tra un elemento che scalda – per lo più un componente elettronico, ma anche elementi meccanici soggetti a forti attriti e/o sollecitazionie un dissipatore di calore, sia questo un cold-plate in rame, un serie di alette di alluminio estruso, un piatto ad acqua, un pettine in grafite, un armadio metallico o un box di metallo stampato con funzione di contenitore. Tale interfacciamento ha lo scopo di gestire nella maniera più efficiente ed efficace possibile le proprietà termiche ed elettriche del sistema.

Nelle applicazioni di e-mobility può presentarsi la necessità di migliorare sia di isolamento elettrico, sia le prestazioni di trasmissione termica tra più elementi. Questa può avvenire verso l’esterno del sistema, ovvero una dissipazione di calore da massimizzare per migliorare la durata di vita e l’affidabilità del sistema, o verso il suo interno, ad esempio per aumentare la sensibilità rispetto alle grandezze termiche, l’efficienza e l’efficacia nella gestione dei parametri di temperatura.

Per assolvere alla funzione di isolamento elettrico esistono dei materiali specifici che garantiscono la protezione del sistema elettronico, dell’assemblatore e dell’utilizzatore. Tali materiali devono essere scelti in base alle loro caratteristiche termiche, meccaniche e alle certificazioni di prodotto.

Per quanto riguarda il trasferimento termico, invece, le soluzioni adottabili sono molteplici.

Per quanto accurata sia la lavorazione delle superfici di contatto tra l’elemento che scalda e il dissipatore di calore, a livello microscopico si riscontrano sempre delle rugosità e delle nonplanarità piuttosto accentuate. Ciò fa sì che la reale superficie di contatto tra l’elemento riscaldante e il dissipatore sia estremamente bassa.

e-mobility

Le bolle d’aria che si formano a causa della discontinuità tra le due superfici di contatto sono del tutto insufficienti al trasferimento termico e sono causa dell’inefficienza dell’intero sistema di dissipazione. L’aria ha, infatti, una conducibilità termica molto bassa e, di fatto, non contribuisce in alcuna maniera al trasferimento di calore da un corpo all’altro. Tali bolle d’aria pertanto causano l’aumento del valore di resistenza termica, ovvero tendono a frenare il flusso di calore che naturalmente passerebbe dall’elemento che scalda verso il dissipatore.

Per questo motivo è necessario sostituire l’aria indesiderata che si forma tra le due superfici con un elemento che abbia almeno una discreta conduzione del calore. Per dimensionare accuratamente il sistema di trasferimento termico è più utile scegliere un componente attivo adatto a gestire le alte temperature, piuttosto che sovradimensionare il dissipatore di calore.

PROPRIETÀ ELETTRICHE E TERMICHE DEI MATERIALI DI INTERFACCIA

REI propone principalmente materiali termoconduttivi, sia con funzione elettroisolante sia elettroconduttiva.

classificazione materiali di dissipazione

Figura 1: schema di classificazione dei materiali

Secondo lo schema riassuntivo in Figura1, che cataloga i materiali per le loro proprietà di conducibilità elettrica e termica, il core business di REI si sviluppa tra i materiali di tipo D (elettroisolanti e termoconduttivi) e alcuni materiali di tipo C (elettroconduttivi e termoconduttivi). Sono esclusi dall’offerta di REI tutti i materiali di tipo A (elettroconduttivi e termoisolanti) impiegati per lo più in applicazioni di schermatura elettromagnetica.

NATURA E CONSISTENZA DEI MATERIALI DI INTERFACCIA

La natura e la consistenza dei materiali di interfaccia influenzano il modo in cui si riesce a evitare la formazione di bolle d’aria, causa di discontinuità nel contatto tra le due superfici.

Dal punto di vista della natura e della consistenza, i materiali possono essere classificati come segue:

  1. Grassi siliconici e non siliconici
  2. Gel e stucchi siliconici e non siliconici
  3. Resine siliconiche e non siliconiche
  4. Biadesivi termoconduttivi acrilici
  5. Tappetini di adattamento meccanico, “spacer” o “gap-filler”, siliconici e non siliconici
  6. Pad siliconici e non siliconici, in grafite, mylar o kapton
  7. Materiali a cambiamento di fase

Tutti i materiali sopraelencati sono forniti da REI.

comportamento dei materiali di accoppiamento


Figura 2: comportamento dei materiali di accoppiamento

Nel grafico di figura 2 è raffigurato il comportamento delle diverse tipologie di materiali di interfaccia, nello specifico:

  • I materiali di tipo 1, 2 e 3 si comportano come indicato nello schema di sinistra.
  • I materiali 4, 5 e 6 si comportano come indicato nello schema centrale.
  • i materiali di tipo 7 si comportano come indicato nello schema di destra.

Dalla rappresentazione è evidente come grassi, gel, stucchi e resine siano, di gran lunga, i materiali che offrono il miglior contatto tra le superfici interfacciate. I materiali a cambiamento di fase, se utilizzati correttamente, hanno un comportamento molto simile ai suddetti.

L’obiettivo di REI è fornire al cliente prodotti e soluzioni, standard e su specifica, al fine di realizzare progetti che possano contare su una corretta gestione termica dell’intero sistema.

Infine i materiali solidi (biadesivi, tappetini, pad), per quanto intrinsecamente ad alte prestazioni termiche, in realtà non riusciranno mai a riempire ed eliminare bene le bolle d’aria, né riusciranno mai ad avere i bassi spessori tipici dei depositi di grasso. Ed i bassi spessori di materiale di interfaccia sono sicuramente uno dei fattori principali di abbassamento delle resistenza termica di interfaccia tra le superfici.

Per maggiori informazioni: www.reipower.it/

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Redazione Fare Elettronica