Perché la conducibilità termica non è sufficiente quando si sceglie una compressa termica?

Quando si sceglie una pastiglia termica, la conduttività termica è spesso la prima specifica che gli ingegneri esaminano.Un materiale con 10 W/m·K o 15 W/m·K può sembrare offrire prestazioni termiche migliori di uno con 5 W/m·K.

Tuttavia, la sola conducibilità termica non determina quanto bene un pad termico funzioni in un vero dispositivo elettronico.

Per applicazioni quali server IA, GPU, CPU, moduli di alimentazione, elettronica automobilistica e sistemi di batterie, gli ingegneri devono considerare diversi altri fattori, tra cui resistenza termica, spessore,compressibilità, pressione di contatto, isolamento elettrico, affidabilità e condizioni di applicazione.

1Conduttività termica contro resistenza termica

La conduttività termica, espressa in W/m·K, descrive l'efficacia con cui un materiale conduce il calore.

Ma le effettive prestazioni di trasferimento del calore di una pastiglia termica dipendono da qualcosa di più della conduttività.

Una relazione semplificata è:

Resistenza termica ≈ Spessore / (conduttività termica × area di contatto)

Ciò significa che una pastiglia termica ad alta conducibilità potrebbe non fornire necessariamente una bassa resistenza termica se è troppo spessa o non raggiunge un buon contatto con le superfici di accoppiamento.

Ad esempio, un pad termico da 15 W/m·K con scarso contatto superficiale può avere prestazioni peggiori di un pad a bassa conducibilità che si adatta strettamente al componente e al dissipatore termico.

Pertanto, gli ingegneri dovrebbero valutare la resistenza termica in condizioni di applicazione effettive, piuttosto che confrontare i soli valori W/m·K.

2Lo spessore è importante.

Lo spessore della pastiglia termica è un altro fattore critico.

I componenti elettronici e i dissipatori di calore raramente hanno superfici perfettamente piatte.

Se il pad è troppo sottile, potrebbe non compensare adeguatamente le irregolarità della superficie.

Se è troppo spessa, l'eccesso di spessore del materiale può aumentare la resistenza termica.

Pertanto, la scelta dello spessore corretto è un equilibrio tra:

• Dimensione della lacuna
• Resistenza termica
• Compressibilità
• Piattazza della superficie
• Tolleranza di montaggio

Per applicazioni come la gestione termica della GPU e il raffreddamento dei server AI, la selezione precisa dello spessore può essere particolarmente importante perché il gap di interfaccia termica disponibile può essere molto limitato.

3Compressibilità e conformabilità

Un buon cuscinetto termico dovrebbe essere in grado di adattarsi alle superfici della fonte di calore e del dissipatore.

È qui che diventa importante la compressibilità.

Un cuscinetto termico morbido e conformabile può riempire irregolarità microscopiche della superficie e ridurre gli spazi vuoti dell'aria.quindi ridurre al minimo gli spazi vuoti può migliorare significativamente il trasferimento di calore.

Tuttavia, un'eccessiva morbidezza non è sempre desiderabile.

Il materiale deve inoltre fornire una stabilità meccanica sufficiente durante il montaggio e il funzionamento a lungo termine.

Pertanto, gli ingegneri dovrebbero considerare:

Compressibilità + Pressione di contatto + Conformabilità superficiale

piuttosto che semplicemente scegliere il materiale con la più alta conducibilità termica.

4L' isolamento elettrico può essere critico.

Molte applicazioni elettroniche richiedono un materiale di interfaccia termica per fornire sia conducibilità termica che isolamento elettrico.

Per esempio, i cuscinetti termici possono essere utilizzati intorno a:

• Dispositivi a semiconduttore di potenza
• MOSFET
• IGBT
• Moduli GPU
• Elettronica per l'automobile
• Sistemi a batteria
• Forniture di alimentazione

In queste applicazioni, un materiale con eccellente conduttività termica potrebbe non essere adatto se non soddisfa i requisiti di isolamento elettrico richiesti.

A seconda della progettazione, gli ingegneri potrebbero aver bisogno di valutare proprietà come:

• Resistenza dielettrica
• Resistenza al volume
• Tensione di rottura
• Stabilità dell'isolamento elettrico

Il pad termico ideale deve pertanto soddisfare simultaneamente i requisiti elettrici e termici.

5. Set di affidabilità meccanica e compressione

I dispositivi elettronici possono funzionare per migliaia di ore in ciclo termico continuo.

Durante il funzionamento, i componenti possono espandersi e contrarsi ripetutamente con il cambiamento delle temperature.

Un cuscinetto termico deve mantenere un contatto sufficiente durante tutto questo processo.

Le proprietà importanti possono includere:

• Set di compressione
• Resistenza alla trazione
• Resistenza alle lacrime
• Stabilità meccanica
• Comportamento di compressione a lungo termine

Una compressa termica che ha buone prestazioni durante la prova iniziale potrebbe non mantenere le stesse prestazioni dopo un ciclo termico prolungato se le sue proprietà meccaniche non sono idonee.

Ciò è particolarmente importante per l'elettronica automobilistica, i sistemi di batterie per veicoli elettrici e l'elettronica di potenza industriale, dove l'affidabilità a lungo termine è una considerazione importante.

6. Intervallo di temperatura di funzionamento

Le prestazioni termiche devono essere valutate anche nell'intervallo di temperatura di esercizio effettivo.

Un pad termico utilizzato in un dispositivo elettronico di consumo può avere requisiti molto diversi da quelli utilizzati in un'applicazione automobilistica o industriale.

Gli ingegneri dovrebbero considerare:

Temperatura di funzionamento minima → temperatura di funzionamento normale → temperatura di funzionamento massima

Il materiale deve mantenere le sue proprietà meccaniche e termiche per tutta la gamma di temperature richiesta.

Per le applicazioni più impegnative, le prove in condizioni di ciclo termico e di invecchiamento accelerato possono fornire ulteriori informazioni sull'affidabilità a lungo termine.

7. Processabilità e taglio a stampo

Nella produzione in serie, la pastiglia termica viene raramente utilizzata semplicemente come una lamina rettangolare.

Potrebbe essere necessario convertire in una forma personalizzata con:

• Fori
• Scalature
• Passi
• Intagli
• Dimensioni multiple
• Strati adesivi

Pertanto, anche la capacità di taglio a stampo e la stabilità dimensionale possono influenzare la selezione del materiale.

Un pad termico con eccellente conduttività termica ma scarse caratteristiche di lavorazione può aumentare la complessità della produzione o i costi di fabbricazione.

Per le applicazioni OEM e ODM, le compresse termiche personalizzate possono aiutare a semplificare l'assemblaggio e migliorare la consistenza.

8La selezione delle pastiglie termali deve essere basata sull'applicazione

Non esiste una singola compressa termica ideale per ogni applicazione.

Dispositivi diversi possono dare la priorità a proprietà diverse.

È per questo che la selezione dei cuscinetti termici dovrebbe iniziare con i requisiti di applicazione effettivi, piuttosto che con la sola conduttività termica.

Come scegliere la giusta compressa termica?

Prima di scegliere una pastiglia termica, gli ingegneri dovrebbero considerare almeno i seguenti parametri:

1Conduttività termica
Qual è il livello di trasferimento di calore richiesto?

2. Resistenza termica
Qual è la prestazione termica effettiva allo spessore e alla pressione richiesti?

3. Spessore della spaziatura
Qual è la differenza effettiva tra la fonte di calore e il lavandino?

4. Compressibilità
Quanto compressione è disponibile durante l'assemblaggio?

5. Isolamento elettrico
L'applicazione richiede un isolamento dielettrico?

6Temperatura di funzionamento
Quali sono le temperature di funzionamento minime e massime?

7. Affidabilità meccanica
Il materiale può mantenere le prestazioni durante la compressione a lungo termine e il ciclo termico?

8. Requisiti di fabbricazione
Il materiale necessita di taglio a stampo, supporto adesivo o dimensioni personalizzate?

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Possono essere utilizzati in applicazioni tra cui server IA, GPU, CPU, elettronica di potenza, elettronica automobilistica, sistemi di batterie EV e attrezzature industriali.

Invece di selezionare un cuscinetto termico basandosi solo sul suo valore W/m·K, gli ingegneri dovrebbero valutare l'intero sistema di interfaccia termica, compresa la resistenza termica, lo spessore, le condizioni di contatto,proprietà meccaniche e affidabilità a lungo termine.

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