Pasta termica: guida alla dissipazione in elettronica

Quando un componente elettronico lavora genera calore. Il problema nasce quando quel calore non riesce ad allontanarsi abbastanza velocemente.

Questa è una casistica comune nei circuiti elettronici di potenza, negli inverter, nelle unità di controllo, nei microprocessori e in molti altri dispositivi nei quali la temperatura può incidere direttamente sul corretto funzionamento e sulla durata dei componenti.

La difficoltà non riguarda soltanto la presenza di un dissipatore. Tra il componente che genera calore e il dissipatore possono infatti rimanere piccoli spazi occupati dall’aria. E l’aria non è un buon conduttore di calore.

È proprio in questa interfaccia che entra in gioco la pasta termica, chiamata anche pasta termoconduttiva, grasso termoconduttivo o pasta dissipante. La sua funzione è creare un contatto termico più efficace tra le superfici e favorire il trasferimento del calore verso il dissipatore.

Paste conduttive: la differenza tra termoconduttive ed elettroconduttive

Con il termine pasta conduttiva si indica in senso generale un materiale in forma pastosa formulato per favorire un fenomeno di conduzione.

In elettronica, però, questa espressione può riferirsi a proprietà molto diverse: una formulazione può essere studiata per trasferire il calore oppure per permettere il passaggio della corrente elettrica. Per questo parlare semplicemente di “pasta conduttiva” senza specificarne la funzione può creare ambiguità.

Quando si parla genericamente di pasta conduttiva si possono quindi indicare due famiglie di materiali molto diverse ed è proprio in questa distinzione che sta la differenza fondamentale tra paste termoconduttive ed elettroconduttive:

Una pasta termoconduttiva favorisce il trasferimento del calore tra il componente e la superficie incaricata di dissiparlo. In questo caso, la pasta è isolante elettricamente.

Una pasta elettroconduttiva è studiata per creare conduzione elettrica tra le parti interessate. Quindi migliora il trasferimento elettrico tra 2 superfici e, essendo normalmente caricata con metalli nobili, è contemporaneamente termoconduttiva.

Nelle applicazioni dedicate alla dissipazione termica, normalmente l’obiettivo è trasferire il calore senza creare contemporaneamente un percorso elettricamente conduttivo tra i componenti.

Questo non significa, però, che qualsiasi pasta termica possa essere automaticamente considerata elettricamente isolante. Le proprietà elettriche dipendono dalla singola formulazione e devono essere verificate sul prodotto selezionato.

Cos’è una pasta termica e a cosa serve

La pasta termica è un materiale utilizzato tra un componente che genera calore e una superficie incaricata di dissipare il calore.

Il principio può essere rappresentato in modo semplice:

Le due superfici che devono essere accoppiate non sono infatti perfettamente uniformi. Anche quando sembrano aderire correttamente, possono rimanere piccoli vuoti e irregolarità. Senza un materiale d’interfaccia, questi spazi vengono occupati dall’aria che è un pessimo conduttore di calore.

La pasta termoconduttiva si distribuisce invece tra le superfici, riempie le irregolarità e permette al calore di raggiungere più facilmente il dissipatore.

Questo principio è particolarmente evidente nell’elettronica di potenza. Tra una scheda elettronica e un dissipatore in alluminio possono rimanere piccole zone occupate dall’aria. Inserendo una pasta termica, il calore prodotto dal componente può essere trasferito verso il dissipatore in maniera più efficace, contribuendo a limitarne il surriscaldamento.

Perché vengono utilizzate le paste termiche

Le paste termoconduttive sono particolarmente interessanti quando l’interfaccia da riempire è sottile.

Tra i principali vantaggi applicativi troviamo la possibilità di creare strati molto sottili, adattarsi a superfici non perfettamente uniformi e, nel caso delle formulazioni non polimerizzanti, essere utilizzate senza una fase di miscelazione o polimerizzazione.

Questa semplicità non significa però che una pasta termoconduttiva sia adatta indistintamente a qualsiasi applicazione. A seconda della formulazione e delle condizioni operative è necessario valutare anche aspetti come:

• migrazione del materiale;
• pump-out durante il funzionamento;
• separazione o sedimentazione;
• comportamento nel tempo alle alte temperature.

La scelta deve quindi partire dal sistema elettronico nel suo complesso, non soltanto da un singolo valore di conducibilità termica.

Tipologie di pasta termica: siliconiche e non siliconiche

Una delle principali distinzioni tra le paste termiche riguarda la matrice del materiale.

Le due famiglie principali sono:

• paste termiche siliconiche;
• paste termiche non siliconiche.

Non si tratta semplicemente di due varianti dello stesso prodotto. La matrice può influenzare il comportamento della pasta, la temperatura di esercizio e la compatibilità con l’applicazione.

Paste termiche siliconiche DOWSIL™

Le paste termoconduttive siliconiche utilizzano una matrice a base silicone e trovano particolare impiego quando l’applicazione deve lavorare a temperature elevate.

In generale, le paste termiche siliconiche tendono a mantenere le proprie prestazioni su intervalli di temperatura più elevati rispetto alle formulazioni non siliconiche. Indicativamente, molte paste siliconiche possono arrivare verso temperature dell’ordine dei 200 °C, mentre numerose formulazioni non siliconiche si collocano più spesso intorno ai 120-130 °C.

La temperatura di esercizio resta comunque una caratteristica specifica della singola formulazione e deve sempre essere verificata sulla relativa scheda tecnica.

Tra le soluzioni siliconiche presenti nella gamma Mascherpa rientrano diverse paste DOWSIL™.

Paste termoconduttive siliconiche Electrolube ed E-MAX

Oltre alle soluzioni DOWSIL™, Mascherpa propone anche paste termoconduttive siliconiche Electrolube ed EMAX, adatte a differenti esigenze di gestione termica nell’elettronica.

DOWSIL™ TC-5026 negli IGBT di un inverter

Un esempio particolarmente rappresentativo riguarda la dissipazione termica degli IGBT, componenti di potenza utilizzati negli inverter.

Durante il funzionamento questi componenti generano calore. Se la temperatura diventa troppo elevata, possono lavorare fuori dalle condizioni previste e andare incontro a danneggiamento.

In questa applicazione, DOWSIL™ TC-5026 viene depositato sul retro degli IGBT. La pasta termoconduttiva viene trasferita attraverso uno stencil che permette di ottenere un disegno preciso e uno spessore controllato. Il modulo viene quindi accoppiato alla scheda elettronica e al relativo sistema di dissipazione.

Il punto non è semplicemente aggiungere materiale tra le due superfici. L’obiettivo è creare un’interfaccia attraverso la quale il calore generato dagli IGBT possa raggiungere in modo più efficace il dissipatore in alluminio.

Questa soluzione trova applicazione, ad esempio, negli inverter utilizzati nelle stazioni di ricarica dei veicoli elettrici, dove l’elettronica di potenza deve gestire elevate quantità di energia e, di conseguenza, una produzione significativa di calore.

Pasta termica nella gestione di una centralina su un veicolo industriale

Un’altra applicazione Mascherpa ha riguardato un veicolo industriale elettrico.

In questo caso il sistema comprendeva un pacco batterie e una piastra incaricata di portare via il calore generato durante il funzionamento.

Tra il sistema elettronico e la superficie destinata alla dissipazione viene è stato utilizzato un compound termoconduttivo siliconico. Il principio è lo stesso visto nel caso degli IGBT: migliorare il contatto termico tra le superfici in modo che il calore possa essere trasferito verso l’elemento incaricato di dissiparlo.

Questa applicazione ha dimostrato per bene come le paste termiche non appartengano soltanto al mondo dei computer, ma trovino impiego anche nell’E-Mobility, nei sistemi battery-powered e nell’elettronica industriale.

Paste termiche non siliconiche

Non tutte le applicazioni richiedono una matrice siliconica.

Le formulazioni non siliconiche rappresentano una seconda famiglia di paste termoconduttive e possono essere utilizzate quando il progetto richiede di evitare la presenza di silicone oppure quando le condizioni operative rendono più indicata una matrice differente.

Tra le soluzioni Mascherpa rientrano dei prodotti della gamma Electrolube ed MG Chemicals.

La distinzione non deve essere interpretata come un confronto tra una soluzione migliore e una peggiore. La domanda corretta è:

Quale matrice risponde meglio alle condizioni della specifica applicazione?

Come scegliere una pasta termica per elettronica

Guardare soltanto alla conducibilità termica rischia di semplificare troppo il problema. Una pasta termica per elettronica lavora all’interno di un sistema e deve essere scelta considerando il modo in cui verrà realmente utilizzata.

Temperatura di esercizio

La temperatura è una delle prime discriminanti. Se l’applicazione sviluppa temperature elevate, la matrice del prodotto e il relativo range operativo diventano particolarmente importanti.

La distinzione tra paste termiche siliconiche e non siliconiche nasce anche da questo: nelle gamme considerate, le prime permettono generalmente di lavorare a temperature superiori rispetto a molte formulazioni non siliconiche.

Tipo di componente e applicazione

Non è la stessa cosa dissipare il calore prodotto da:

• un IGBT;
• una CPU;
• un modulo di potenza;
• una centralina;
• una scheda elettronica;
• un sistema collegato a un pacco batterie.

Cambiano geometrie, superfici, condizioni operative e quantità di calore da trasferire. Per questo la domanda non dovrebbe essere semplicemente: “Qual è la migliore pasta termica?” ,ma: “Qual è la pasta termica più adatta a questa applicazione?”

È una differenza importante soprattutto nel mondo industriale, dove la scelta deve essere legata al progetto e non a una classifica generica di prodotti.

Spessore dell’interfaccia

Le paste termoconduttive sono particolarmente efficaci quando devono creare strati sottili tra componente e dissipatore. In alcune applicazioni lo spessore viene controllato attraverso stencil o altri sistemi di deposito.

La quantità di materiale non deve essere scelta in modo casuale. L’obiettivo è creare l’interfaccia necessaria a mettere termicamente in comunicazione le due superfici. Quando invece il gap da riempire diventa più ampio o presenta geometrie molto differenti, può essere necessario valutare altre tecnologie di interfaccia termica.

Requisiti elettrici

Termoconduttivo non significa automaticamente elettroconduttivo. In molte applicazioni elettroniche è necessario trasferire il calore mantenendo contemporaneamente un adeguato isolamento elettrico.

Le proprietà elettriche devono quindi essere verificate sul singolo prodotto e considerate insieme alle caratteristiche termiche. Non è corretto presumere che qualsiasi pasta termica garantisca automaticamente lo stesso livello di isolamento.

Processo di applicazione

Anche il processo produttivo incide sulla scelta.

A seconda della formulazione, una pasta può essere applicata attraverso:

• dispensing;
• stencil;
• screen printing;
• serigrafia;
• applicazione manuale.

La soluzione più adatta dipende quindi anche dal modo in cui il materiale deve essere integrato nel processo produttivo e dal livello di controllo richiesto su geometria e spessore depositato.

Stabilità nel tempo e rilavorazione

Nel caso delle paste non polimerizzanti bisogna considerare anche il comportamento del materiale durante l’utilizzo.

In funzione della formulazione e delle condizioni operative possono diventare rilevanti fenomeni come:

• migrazione;
• pump-out;
• separazione;
• sedimentazione;
• invecchiamento ad alte temperature.

Allo stesso tempo, il fatto che il materiale rimanga non polimerizzato può facilitare la rilavorazione o la sostituzione del componente. Anche questo aspetto deve essere valutato in funzione delle esigenze del progetto.

Applicazioni delle paste termoconduttive in elettronica

Le paste termiche vengono utilizzate in numerose industrie, dall’elettronica all’E-Mobility, fino alle applicazioni per la produzione e conversione dell’energia.

Il denominatore comune è sempre lo stesso: un componente genera calore e questo calore deve essere trasferito verso una superficie in grado di dissiparlo.

Pasta termica per IGBT e inverter

Gli IGBT rappresentano uno degli esempi più chiari. Si tratta di componenti di potenza comunemente utilizzati negli inverter e in grado di generare quantità significative di calore durante il funzionamento.

La pasta termica viene applicata nell’interfaccia verso il dissipatore affinché il calore prodotto possa essere trasferito più efficacemente. È proprio il principio applicato nel caso di DOWSIL™ TC-5026.

Pasta termica nelle colonnine di ricarica

Le colonnine di ricarica per veicoli elettrici rappresentano una delle possibili applicazioni degli inverter. Durante il trasferimento di energia verso il veicolo, l’elettronica di potenza deve gestire carichi elevati e può sviluppare quantità importanti di calore.

Inserendo una pasta termoconduttiva nell’interfaccia tra il modulo elettronico e il dissipatore in alluminio, il calore può essere trasferito più efficacemente verso la superficie incaricata di disperderlo.

Pasta termica per inverter fotovoltaici ed eolici

Lo stesso principio riguarda anche gli inverter utilizzati negli impianti per la produzione di energia.

Tra le possibili applicazioni rientrano:

• sistemi fotovoltaici;
• impianti eolici;
• sistemi nei quali l’energia deve essere trasformata tra corrente continua e alternata.

Anche in questi casi l’elettronica di potenza genera calore e richiede una corretta gestione termica.

Pasta termica per batterie e veicoli industriali

Un altro ambito applicativo riguarda i veicoli industriali elettrici e i sistemi alimentati a batteria.

Il calore generato dal sistema deve essere trasferito verso piastre o altre superfici incaricate di dissiparlo. La pasta termoconduttiva può essere utilizzata per migliorare il contatto termico tra i componenti e il sistema di dissipazione.

Pasta termica per CPU e microprocessori industriali

CPU e microprocessori generano calore durante il funzionamento e devono quindi essere accoppiati a un sistema capace di dissiparlo in modo efficace.

Tra il componente e il dissipatore viene applicata la pasta termica, che si distribuisce sull’interfaccia tra le due superfici e favorisce il trasferimento del calore verso il dissipatore.

Lo stesso principio viene applicato anche ai microprocessori utilizzati nell’elettronica industriale, ad esempio all’interno di macchine, sistemi di controllo e altre apparecchiature professionali.

In tutti questi casi, la funzione della pasta rimane la stessa: migliorare il contatto termico tra il componente che genera calore e la superficie incaricata di dissiparlo.

Come viene applicata una pasta termoconduttiva

Non esiste un unico metodo di applicazione valido per qualsiasi componente. Nel caso degli IGBT visto in precedenza, per esempio, viene utilizzato uno stencil.

Il materiale viene distribuito sulla superficie e trasferito attraverso lo stencil in modo da ottenere:

• una geometria definita;
• uno spessore controllato;
• una distribuzione ripetibile.

In altri casi possono essere utilizzati dispensing, screen printing o serigrafia, in funzione della formulazione e del processo produttivo.

L’obiettivo non è applicare più materiale possibile. Una pasta termica deve creare l’interfaccia necessaria a mettere in comunicazione termica le superfici secondo i requisiti definiti dal progetto.

Domande frequenti sulla pasta termica

Trova la pasta termica adatta alla tua applicazione

La scelta della pasta termica dipende dalle caratteristiche del componente, dalla temperatura di esercizio, dall’interfaccia da gestire e dal processo di applicazione.

Mascherpa propone diverse soluzioni DOWSIL™, Electrolube, MG Chemicals ed E-MAX per la gestione termica nell’elettronica e supporta progettisti e aziende nell’individuazione del prodotto più adatto.

Per maggiori informazioni sulle paste termoconduttive contatta i nostri esperti Mascherpa o visita la pagina del sito dedicata.