dissipatore thermal management

Oggi i dispositivi di potenza, specialmente i Mosfet SiC e GaN, hanno raggiunto prestazioni e livelli di efficienza molto elevati, conseguentemente il loro funzionamento avviene a temperature più basse rispetto ai componenti del passato. Tuttavia le performance migliorano raffreddando ulteriormente tutte le parti in causa. Esaminiamo, nell’articolo, le soluzioni di thermal management proposte da Kerafol ed Edo Components.

Minore è la temperatura, più lunga è la vita dei sistemi elettronici

Se i componenti elettronici (specialmente quelli a semiconduttore) operano a temperature molto alte, il tasso di invecchiamento aumenta enormemente e la loro durata di vita utile si riduce drasticamente poiché è notevolmente influenzata, appunto, dalla temperatura. La corrente attraversa le linee e i circuiti e, per ragioni fisiche, la resistenza elettrica dipende proprio da essa. Più l’oggetto è freddo e meno resistenza elettrica possiede, almeno per la maggior parte dei materiali conduttivi.

Proprio per questo motivo le vecchie lampade a incandescenza spesso esplodevano all’accensione, in quanto sul filamento freddo transitava una quantità eccessiva di corrente. La resistenza tende a diminuire con la bassa temperatura a causa della riduzione della vibrazione termica degli ioni. Ciò determina un minor numero di collisioni degli elettroni nella banda di conduzione. Il resto è legato alla preziosa Legge di Ohm:

Se la temperatura si abbassa anche la tensione segue lo stesso andamento e anche gli altri parametri si comportano di conseguenza.

Quando si applica un dissipatore di calore a un componente di potenza non è sufficiente il semplice contatto fisico, ma occorre fare in modo che tra i due corpi vi sia il massimo livello di conducibilità termica in modo, appunto, da dissipare al massimo il calore. Proprio per questo scopo sono stati progettati alcuni materiali da inserire tra i componenti, in modo da minimizzare le parti non in contatto e riempire i gap e le bolle d’aria che bloccherebbero il flusso di calore (thermal interface material o materiali di interfaccia termica).

In figura 1 si può notare un sistema composto da un MOSFET di potenza posto a contatto diretto con un grande dissipatore di calore. Tra i due componenti è interposto un isolatore elettrico. Il sistema è composto da un MOSFET che dissipa, nel suo funzionamento, parecchie decine di Watt di potenza ed è immerso in una temperatura ambiente di 27°. Nell’esempio superiore, l’isolatore è caratterizzato da un’alta conducibilità termica e, quindi, da una bassa resistenza termica. Il secondo esempio, invece, ha caratteristiche opposte.

Il primo sistema riesce, dunque, a dissipare interamente il calore generato dal MOSFET consentendo, al componente, di scaricare il flusso termico e lavorare a 130° C. Il secondo sistema ha, al contrario, un funzionamento catastrofico, in quanto l’isolatore blocca il flusso termico impedendo la dissipazione. Tutto il calore resta intrappolato sul MOSFET bruciandolo all’istante (teoricamente si raggiungono 540° C), mentre il dissipatore, al contrario, resta freddo.

Pertanto la scelta di un buon dissipatore metallico è importante, ma ancora di più è l’adozione di ottimi materiali termicamente conduttivi da porre tra le due parti in causa.

Figura 1: due dispositivi di potenza con una dispersione differente del calore

Le soluzioni per il thermal management di Kerafol

I dispositivi di potenza SiC e GaN costituiscono, oggi, un punto di svolta per le applicazioni automotive. Mentre la velocità di commutazione degli IGBT al silicio è limitata a circa 15 kHz generando, tra l’altro, molte perdite, i componenti a SiC e GaN possono essere utilizzati a frequenze molto più elevate, con dimensioni ridotte e con perdite estremamente basse. Il risultato è una efficienza totale del sistema molto maggiore.

L’azienda tedesca Kerafol si sta concentrando, dunque, sull’utilizzo di materiali a bassa resistenza termica. Lo scopo principale della ricerca e della produzione è ridurre le perdite sia di commutazione sia di conduzione, implementando nuovi approcci.

L’adozione di nuove tipologie di materiali di interfaccia termica è rivolta a gestire le applicazioni ad alta tensione e ad alta temperatura. Kerafol sviluppa e produce materiali di interfaccia termica utilizzati in applicazioni che vanno dall’elettronica di potenza a varie applicazioni automotive quali batterie, motori elettrici, caricabatterie di bordo, tecnologia dei sensori e molto altro.

Il mercato mette a disposizione diverse soluzioni come, ad esempio, i Tapes, i Gap Pads, i biadesivi, i nastri di grafite e le soluzioni liquide come paste o Gap Filler Liquids (GFL). I Tapes e i Pad hanno il grande vantaggio di poter essere applicati a mano, il che risulta estremamente comodo, specialmente in fase di prototipazione. I materiali liquidi (Gap Filler Liquid, GFL) attualmente, hanno più richiesta dai progettisti, in quanto le soluzione finali risultano più affidabili e l’applicazione più rapida ed economica. Si può, dunque, utilizzare un GFL unico invece di diversi Pad dalle varie geometrie. A ogni modo ogni soluzione presenta pregi e difetti, a seconda del suo settore di utilizzo.

Specificatamente per i requisiti di gestione termica del settore automobilistico, Kerafol offre un portafoglio di prodotti unico. Si va da gap filer liquidi bicomponenti, paste termiche (con o senza silicone), gap pads comprimibili e livellanti, nastri sottili standard altamente conduttivi ed elettricamente isolanti, adesivi bicomponenti termoconduttivi e nastri adesivi termoconduttivi, fino a soluzioni personalizzate. Questa gamma completa di materiali d’interfaccia termica garantisce un raffreddamento efficiente dei componenti elettronici mettendo in contatto contemporaneamente la fonte di calore al dissipatore con isolamento elettrico, prerequisito importante per le elevate richieste di qualità del settore automobilistico. Attraverso il materiale di interfaccia termica Keratherm, il collegamento e la compensazione delle corrispondenti tolleranze dei componenti, spazi vuoti o inclusioni d’aria possono essere realizzati in modo semplice.

Andiamo, adesso a esaminare l’ampio ventaglio dei prodotti termici proposti dall’azienda:

  • Pellicole termoconduttrici: le pellicole hanno una superficie liscia per garantire che non vi sia aria intrappolata che limiterebbe il trasferimento di calore tra il componente e il dissipatore. Il materiale compensa le irregolarità microscopiche sulle superfici di contatto, migliorando l’interfaccia termica e, quindi, aumentando la dissipazione del calore;
  • Liquidi riempitivi: i composti termici possono essere utilizzati per intere applicazioni o dissipatori di calore. Grazie alla grande maneggevolezza, essi permettono l’utilizzo agevole anche con le superfici a geometrie più complicate;
  • Pellicole termiche morbide: si tratta di film ideali per compensare anche le irregolarità dei componenti di grandi dimensioni. Grazie alla loro eccellente comprimibilità, realizzano un ottimo contatto termico combinato con l’isolamento elettrico. Gli spessori forniti sono compresi tra 0.5 mm e 5.0 mm. Altri spessori o forme sono disponibili su richiesta;
  • Pellicole termoconduttrici senza silicone: le pellicole standard senza silicone vengono utilizzate ovunque l’uso del silicone possa causare problemi. Oltre alle eccellenti proprietà termiche ed elettriche, questi film sono caratterizzati da una buona resistenza al taglio;
  • Grasso termico: i grassi termici sono particolarmente caratterizzati dalla loro buona plasticità e dalla sua bassissima resistenza termica. Non c’è essiccazione o perdita durante il loro utilizzo;
  • Pellicole adesive: le pellicole adesive KL 90 e KL 91 sono pellicole biadesive termoconduttrici ed elettricamente isolanti. Hanno un’eccellente forza adesiva, offrono elevata conduttività termica e allo stesso tempo isolamento elettrico;
  • Rivestimento adesivo: Keratherm Bond RT 100 è un adesivo bicomponente conduttivo termicamente eccellente con un breve tempo di indurimento. Fornisce un’efficace connessione termica tra i componenti elettronici e il dissipatore di calore;
  • Pellicole di grafite: i film di grafite sono basati su grafite pura al 100% e sono disponibili come senza adesivo, con adesivo standard o adesivi per applicazioni specifiche;
  • Materiale a cambiamento di fase: esso è prodotto sulla base delle proprietà di cambiamento di fase. Questi film compensano anche le più piccole irregolarità tra modulo di potenza e dissipatore di calore, ottimizzando così il contatto tra le superfici e aumentando il trasferimento di calore.

I liquidi riempitivi di Kerafol (GFL gap filler liquid)

Si tratta di materiali liquidi termicamente conduttivi che riempiono i gap tra le parti in contatto (vedi in figura 2). Sono progettati per migliorare le prestazioni termiche e consentire un’alta velocità e grandi volumi di produzione. L’indurimento avviene a temperatura ambiente. Possono essere utilizzati in tutte le applicazioni che richiedono minime tolleranze di fabbricazione.

Dal momento che sono materiali liquidi, essi si conformano a topografie altamente intricate e superfici multi livello. Ciò consente di ottenere una resistenza termica inferiore rispetto a mezzi a base di pad. Di seguito alcune soluzioni:

  • Keratherm GFL 3020 / GFL 3025 / GFL 3030 / GFL 3040: si tratta di elastomeri siliconici bicomponenti con ceramica privi di solventi. Per le loro diverse conduttività termiche, alle loro diverse caratteristiche di comprimibilità e alle loro buone proprietà dielettriche, risultano ideali per l’incapsulamento. Grazie all’ampia gamma di diverse viscosità dei materiali, essi sono adatti alla produzione “wet-in-wet”;
  • Keratherm GFL 1800 SL: è un Gap Filler Liquid (GFL) esente da solventi. È  a base di un elastomero siliconico 2K con una conduttività termica di 1.8 W/mK, una rottura dielettrica di 15 kV/mm e una viscosità minore di 7000 mPas. Rispetto ad altri liquidi riempitivi, la viscosità è di 1/10. È  un materiale, dunque, molto fluido capace di auto-livellarsi e di riempire ogni angolo.

La tabella sottostante mostra le caratteristiche fisiche, termiche, elettriche e meccaniche dei GFL 1800 SL, GFL 3020, GFL 3025, GFL 3030, GFL 3040:

Proprietà Unità GFL 1800 SL GFL 3020 GFL 3025 GFL 3030 GFL 3040
Colore   Verde, bianco Giallo Arancio Verde Lilla
Materiale   Silicone Silicone Silicone Silicone Silicone
Polimerizzazione T[°C] 1h ; 25 °C 1h ;RT 1h ;RT 1h ;RT 1h ;RT
Resistenza termica K/W 0.69 0.7 0.5 0.41 0.29
Conduttività termica W/mK 1.8 1.8 2.5 3.0 4.3
Tensione di rottura kV. 7.5 10 8 6 5
Spessore mm. 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
Durezza Shore 00 55 – 75 45 – 60 65 – 85 65 – 85 65 – 85
Temperatura esercizio °C Da -40 a +200 Da -40 a +200 Da -40 a +200 Da -40 a +200 Da -40 a +200
Densità g/cm^3 2.3 2.3 2.83 2.94 3.05
Viscosità Pas 2 – 7 45 – 70 45 – 75 50 – 80 55 – 85
Figura 2: particolare dei gap filler Keratherm


Pellicole adesive Kerafol

Si tratta di pellicole biadesive termoconduttive e isolanti elettricamente (vedi in figura 3). Sono caratterizzati da un’eccellente forza adesiva permanente e da una conduttività termica molto elevata e proprietà isolanti eccezionali. Le applicazioni generiche riguardano l’utilizzo negli alimentatori e moduli inverter, i computer, l’elettronica delle telecomunicazioni e automobilistica. Il ventaglio dei prodotti Keratherm prevede le seguenti soluzioni:

  • KL 90 e KL 91 pellicole biadesive caricate in ceramica, con o senza fibra di vetro: hanno un’eccellente forza adesiva permanente con un’elevata conduttività termica e allo stesso tempo ottime proprietà isolanti. Una bassa resistenza al trasferimento di calore può essere ottenuta con una forza adesiva molto affidabile su diverse superfici. Non è necessario il fissaggio meccanico con clip, viti o rivetti. Sono caratterizzati da grande leggerezza, maneggevolezza ed elasticità;
  • KL 95 nastro adesivo multifunzionale ad alto riempimento: buona conduttività termica di 1,3 W/mK, con proprietà dielettriche di 10 kV/mm ed eccellente comportamento adesivo.

La tabella sottostante mostra le caratteristiche fisiche, termiche, elettriche e meccaniche delle pellicole adesive KL 90, KL 91 e KL 95:

Proprietà Unità KL 90 KL 91 KL 95
Colore   Nero Nero Grigio
Materiale   Acrilato Acrilato Polimero acrilico riempito
Resistenza termica K/W 0.52 0.55 0.32
Conduttività termica W/mK 1.40 1.35 1.3
Tensione di rottura kV. 6 6 2
Spessore mm. 0.3 0.3 0.18
Durezza Shore A 45 59 60
Temperatura esercizio °C Da -40 a +125 Da -40 a +125 Da -40 a +100
Densità g/cm^3 1.98 1.87 2.24
Viscosità Pas      
Figura 3: le pellicole adesive Keratherm

Grasso termico Kerafol

I grassi termici sono caratterizzati da una buona plasticità e dalla bassissima resistenza termica (vedi in figura 4). Non c’è essiccazione o perdita dei componenti in silicone. Le applicazioni generiche riguardano i dispositivi IoT e il mercato di consumo. In dettaglio, si tratta di siliconi monocomponenti caricati con ceramica ad elevata conducibilità termica. I grassi termici non reticolati non seccano e i componenti in silicone non fuoriescono dal grasso. Il grasso termico senza silicone KP 12 è costituito da polimeri sintetici ed è adatto per una rapida ed efficace dissipazione del calore. La stabilità a lungo termine del KP garantisce la piena operatività durante l’intero ciclo di vita del prodotto. In normali condizioni applicative, i grassi termici Keratherm non induriscono, seccano o fondono. Devono essere miscelati intensamente prima dell’uso. La tabella sottostante mostra le caratteristiche fisiche, termiche, elettriche e meccaniche del grasso KP 97, KP 98, KP 99 e KP 12:

Proprietà Unità KP 97 KP 98 KP 99 KP 12
Colore   Bianco Grigio Antracite Argento
Resistenza termica K/W 0.0120 0.0100 0.0068 0.0060
Conduttività termica W/mK 5.0 6.0 9.2 10.0
Spessore mm. 0.025 0.025 0.025 0.025
Temperatura esercizio °C Da -60 a +200 Da -60 a +200 Da -60 a +200 Da -60 a +150
Densità g/cm^3 2.1 2.2 1.9 1.4
Viscosità Pas 70 – 110 110 – 150 90 – 140 30 – 60
Figura 4: il grasso termico Keratherm

Conclusioni

Oggi la densità di potenza è in continuo aumento e il calore generato richiede un trasferimento termico intelligente. Le specifiche di raffreddamento e le relative strategie non risultano tutte uguali, ma cambiano in dipendenza della tipologia dell’applicazione, il settore di punta è rappresentato dall’industria automobilistica, ma interessano anche altri campi di applicazioni (es. lighting, alimentatori) automotive, UPS, ecc), come il raffreddamento dei condensatori negli UPS.

Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.