Composti per incapsulamento termicamente conduttivi: spiegazione dei valori λ

Anche il miglior dissipatore di calore è inutile quando i componenti elettronici di potenza si surriscaldano, a meno che il calore non possa essere dissipato dal componente incapsulato. I composti di incapsulamento termicamente conduttivi con un elevato valore λ raggiungono proprio questo obiettivo. Proteggono i componenti elettronici dagli agenti atmosferici e allo stesso tempo dissipano efficacemente il calore in eccesso. Ma cosa significa esattamente il valore λ, quali riempitivi aumentano la conduttività termica e quando è opportuno utilizzare composti di incapsulamento termicamente conduttivi?

Sommario

• Perché la conduttività termica è fondamentale per i composti di incapsulamento
• Qual è il valore di λ (Lambda)?
• Suggerimento pratico: valore λ rispetto alla resistenza termica
• Confronto: incapsulamento standard vs. incapsulamento termicamente conduttivo
• I riempitivi e il loro effetto
• Applicazioni
• Criteri di selezione: Determinazione del valore λ corretto
• Suggerimenti per la lavorazione
• Domande frequenti (FAQ)
• Conclusione

---

Perché la conduttività termica è fondamentale per i composti di incapsulamento

I moderni assemblaggi elettronici operano in spazi sempre più ristretti con densità di potenza crescenti. Driver per LED, convertitori DC/DC, sistemi di gestione delle batterie e controllori per motori generano calore che deve essere dissipato. Sebbene i composti di incapsulamento standard a base di resina epossidica o siliconica offrano un'eccellente protezione contro umidità, agenti chimici e sollecitazioni meccaniche, generalmente agiscono come isolanti termici.

Le conseguenze di una dissipazione del calore insufficiente sono misurabili. Temperature di esercizio più elevate accelerano significativamente l'invecchiamento dei componenti elettronici. Una regola empirica comunemente utilizzata afferma che un aumento di temperatura di 10 K può, in molti casi, dimezzare la durata di vita. Tuttavia, l'impatto esatto dipende dal componente e dal meccanismo di guasto predominante.

Inoltre, si creano punti caldi quando il calore non viene distribuito uniformemente. I componenti di potenza devono essere limitati (declassati), impedendo ai sistemi di raggiungere le loro massime prestazioni. In applicazioni critiche come i pacchi batteria per la mobilità elettrica o i moduli LED ad alte prestazioni, il surriscaldamento può causare guasti o rischi per la sicurezza.

I composti di incapsulamento termicamente conduttivi risolvono questo problema grazie alla presenza di cariche termicamente conduttive. Queste cariche formano percorsi termici all'interno della matrice polimerica, consentendo il trasferimento di calore dal componente alle strutture adiacenti, come alloggiamenti, supporti o superfici di raffreddamento. In questo modo, le formulazioni moderne combinano la funzione protettiva dei classici composti di incapsulamento con una gestione termica attiva.

Qual è il valore di λ (Lambda)?

Il valore λ, noto anche come conduttività termica, descrive la capacità di un materiale di condurre il calore. L'unità di misura è il watt per metro e il kelvin (W/m·K). Un valore λ più elevato indica una migliore conduttività termica.

A titolo di confronto, ecco i valori tipici di λ:

• Rame: circa 390 W/m·K (ottimo conduttore di calore)
• Alluminio: circa 235 W/m·K
• Resina epossidica standard: circa 0,2-0,3 W/m·K
• Silicone standard: da circa 0,15 a 0,25 W/m K
• Composto di incapsulamento termicamente conduttivo: da circa 0,5 a 3,0 W/m·K (intervallo tipico)
• Pasta termica ad alte prestazioni: significativamente più elevata a seconda del sistema

La conducibilità termica viene determinata utilizzando procedure di prova standardizzate. A seconda del sistema di materiali e del laboratorio di prova, vengono impiegati metodi diversi, come procedure in regime stazionario o transitorio. È importante notare che i valori di λ sono confrontabili in modo significativo solo nel contesto della metodologia di prova, della temperatura, delle condizioni del campione e delle condizioni di polimerizzazione.

Importante a fini pratici: le specifiche del produttore per i valori λ sono confrontabili direttamente solo in misura limitata se i metodi di prova, la temperatura, la geometria del campione o le condizioni di polimerizzazione differiscono.

Suggerimento pratico: valore λ rispetto alla resistenza termica

Il valore λ è una proprietà del materiale, ma non dice nulla sull'effettivo effetto di raffreddamento nel componente. Il fattore decisivo è la resistenza termica R_{_th} dell'intero strato di incapsulamento.

R_th = d / (λ × A)

Qui, d è lo spessore dello strato e A è l'area di scambio termico. Uno strato di 5 mm di spessore con λ = 1 W/m·K conduce il calore in modo meno efficiente di uno strato di 2 mm di spessore con λ = 0,8 W/m·K. Pertanto, è necessario ottimizzare non solo il materiale, ma anche la geometria.

Oltre a λ, spessore e area dello strato, anche le interfacce, le inclusioni d'aria (vuoti) e gli effetti geometrici influenzano la resistenza termica effettiva. In pratica, la dissipazione di calore effettiva è quindi spesso peggiore di quanto suggerirebbe un calcolo ideale unidimensionale.

Confronto: incapsulamento standard vs. incapsulamento termicamente conduttivo

Le differenze tra i composti di incapsulamento convenzionali e quelli termicamente conduttivi vanno oltre il valore λ. Profili di proprietà tipici a confronto:

L'elevato contenuto di riempitivo nei composti per incapsulamento termoconduttivi presenta delle problematiche. La viscosità aumenta significativamente, rendendo più difficili la degassificazione e l'erogazione. La maggiore densità spesso richiede sistemi di erogazione adattati. A seconda della formulazione e delle condizioni di conservazione, possono inoltre verificarsi fenomeni di segregazione o sedimentazione.

Il rischio di sedimentazione dipende fortemente dalla viscosità, dalla tissotropia, dalla distribuzione delle particelle e dal tempo di conservazione. Non tutti i sistemi presentano una segregazione critica in condizioni pratiche. Un'omogeneizzazione accurata prima della lavorazione rimane essenziale.

In cambio, si ottiene una dissipazione del calore notevolmente migliorata, solitamente con un buon isolamento elettrico, a condizione che vengano utilizzati materiali di riempimento elettricamente isolanti.

I riempitivi e il loro effetto

La conducibilità termica di un composto di incapsulamento dipende direttamente dal tipo, dalla quantità, dalla forma e dalla distribuzione dei riempitivi utilizzati. Le matrici polimeriche come l'epossidica, il silicone o il poliuretano sono di per sé scarsi conduttori di calore. Sono i riempitivi a creare percorsi continui di conduzione termica.

Ossido di alluminio ( _{Al₂O₃ )}

L'ossido di alluminio è uno dei riempitivi più utilizzati nei composti di incapsulamento termicamente conduttivi. Offre un buon rapporto qualità-prezzo e, ad alte concentrazioni, raggiunge spesso valori di conducibilità termica (λ) compresi tra circa 0,8 e 1,5 W/m·K. Le particelle sono elettricamente isolanti, chimicamente inerti e disponibili in diverse granulometrie. Combinando diverse granulometrie (distribuzioni bimodali o multimodali), è possibile migliorare la densità di impaccamento.

Nitruro di boro (BN)

Il nitruro di boro esagonale è spesso chiamato "grafite bianca" e presenta una marcata anisotropia termica. Il calore viene condotto in modo significativamente migliore lungo determinati piani cristallini. A seconda della formulazione, ciò consente di ottenere valori di λ più elevati, spesso combinati con proprietà elettriche favorevoli per specifiche applicazioni elettroniche.

Tra gli svantaggi si annoverano il costo del materiale significativamente più elevato e la maggiore complessità del processo. Le particelle a forma di piastrina possono orientarsi, influenzando la conduttività termica effettiva in diverse direzioni.

Nitruro di alluminio (AlN)

Il nitruro di alluminio è un riempitivo ceramico ad altissime prestazioni con un'elevata conduttività termica intrinseca. I composti di incapsulamento contenenti AlN possono raggiungere elevati valori di λ pur mantenendo proprietà di isolamento elettrico. I principali limiti sono generalmente il costo più elevato e la sensibilità all'umidità nella catena di produzione.

Materiali di riempimento metallici (ad esempio, argento, alluminio)

I riempitivi metallici possono aumentare significativamente la conduttività termica, ma spesso comportano una riduzione della conduttività elettrica o, quantomeno, un notevole calo dell'isolamento. Tali sistemi sono generalmente inadatti alle classiche applicazioni di incapsulamento isolante, ma possono risultare utili in applicazioni specializzate con requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC) o di messa a terra.

Applicazioni

I composti di incapsulamento termoconduttivi vengono utilizzati ovunque sia necessario proteggere e raffreddare contemporaneamente i componenti elettronici.

Illuminazione a LED e LED ad alte prestazioni

I moduli LED sono sensibili alle temperature di giunzione elevate. Ciò influisce sulla luminosità, sulle coordinate cromatiche e sulla durata. I composti di incapsulamento termicamente conduttivi possono proteggere i gruppi LED migliorando al contempo il trasferimento di calore alle strutture di raffreddamento. A seconda del progetto, vengono utilizzati sistemi in silicone flessibile o sistemi in resina più rigida.

Elettronica di potenza e convertitori di frequenza

I moduli IGBT, i circuiti MOSFET e i convertitori DC/DC generano una notevole quantità di calore durante il funzionamento. I composti di incapsulamento termicamente conduttivi contribuiscono a ridurre i punti caldi e a migliorare la distribuzione della temperatura. Forniscono inoltre protezione contro umidità, sporco e sollecitazioni meccaniche.

Mobilità elettrica: sistemi di gestione delle batterie ed elettronica di ricarica

Le applicazioni automobilistiche pongono elevate esigenze in termini di intervallo di temperatura, resistenza alle vibrazioni, resistenza agli agenti chimici e stabilità a lungo termine. I composti di incapsulamento termicamente conduttivi sono utilizzati in applicazioni quali l'elettronica BMS, i sensori e l'elettronica di ricarica. A seconda delle specifiche, potrebbero essere necessari requisiti aggiuntivi come classificazioni di resistenza alla fiamma o approvazioni speciali.

Alimentatori e adattatori di alimentazione

Gli alimentatori switching combinano un'elevata densità di componenti con un carico termico continuo. I composti di incapsulamento termicamente conduttivi possono trasferire efficacemente il calore agli alloggiamenti metallici o alle piastre di base, proteggendo al contempo l'assemblaggio dagli agenti atmosferici. Per geometrie complesse, la durata del prodotto in contenitore, il comportamento del flusso e il degassamento sono particolarmente importanti.

Criteri di selezione: Determinazione del valore λ corretto

Una maggiore conduttività termica sembra sempre un vantaggio a prima vista. In pratica, tuttavia, un valore λ più elevato spesso comporta costi maggiori, processi più complessi e, talvolta, una maggiore durezza meccanica. Pertanto, la scelta del materiale dovrebbe basarsi su considerazioni termiche.

1. Determinare la perdita di potenza:
   qual è la potenza termica P (in watt) che deve essere dissipata? Il punto di partenza sono le schede tecniche, le simulazioni o le misurazioni effettuate durante il funzionamento.
2. Definire la differenza di temperatura ammissibile.
   Qual è la differenza di temperatura ΔT ammissibile tra il componente e la struttura di raffreddamento? In genere, si tratta di alcune decine di Kelvin, a seconda dell'applicazione.
3. Calcola la resistenza termica massima
   R_{_th} = ΔT / P (unità: K/W)
4. Stimare il valore λ richiesto
   : λ = d / (R_th × A)
   dove d lo spessore dello strato in metri e A è l'area di scambio termico in metri quadrati. È consigliabile un fattore di sicurezza (ad esempio, da 1,3 a 1,5) per tenere conto delle tolleranze, dei vuoti e dell'invecchiamento.

Esempio di calcolo

Un modulo LED genera 10 W di calore di scarto. Questo calore deve essere dissipato tramite uno strato di incapsulamento di 5 mm di spessore con una superficie di 50 cm². Differenza di temperatura ammessa: 30 K.

• R_{_th} = 30 K / 10 W = 3 K/W
• λ = 0,005 m / (3 K/W × 0,005 m²) = 0,33 W/m K
• Con un fattore di sicurezza di 1,4, si ottiene λ ≥ 0,46 W/m·K

In molti casi, un composto di incapsulamento con λ = 0,8 W/m·K sarebbe dimensionato in modo adeguato, a condizione che la qualità del contatto, la geometria e la dissipazione del calore nell'intero sistema siano appropriate.

Ulteriori criteri di selezione

• Resistenza chimica (ad esempio a refrigeranti, oli, detergenti)
• Intervallo di temperatura e resistenza alle variazioni di temperatura
• Durezza Shore e disaccoppiamento meccanico (vibrazioni, urti)
• Caratteristiche di isolamento elettrico (ad esempio, rigidità dielettrica, CTI a seconda dell'applicazione)
• Processabilità (tempo di lavorabilità, miscibilità, sfiato, dosabilità)
• Adesione ai substrati pertinenti
• CTE e accumulo di tensione durante le variazioni di temperatura
• Approvazioni e requisiti normativi (ad es. UL, REACH, RoHS, approvazioni specifiche per l'applicazione)
• Requisiti di rilavorazione / Smontaggio

Suggerimenti per la lavorazione

L'elevata viscosità e l'alto contenuto di riempitivo dei composti per incapsulamento termicamente conduttivi richiedono tecniche di lavorazione specifiche. Anche un materiale con un buon valore λ può avere prestazioni scadenti nella pratica se non viene lavorato in modo pulito a causa di vuoti o bagnatura incompleta.

Miscelazione e omogeneizzazione

Durante lo stoccaggio e il trasporto, i materiali di riempimento possono separarsi o sedimentare. Un'omogeneizzazione accurata è essenziale prima della lavorazione. Nei sistemi bicomponenti, entrambi i componenti devono essere omogeneizzati separatamente prima di essere miscelati. Tecniche di agitazione adeguate migliorano la distribuzione dei materiali di riempimento e riducono le variazioni tra i lotti durante la lavorazione.

Degassamento sottovuoto

Le inclusioni d'aria compromettono significativamente l'efficace conduzione del calore, poiché l'aria ha una conduttività termica molto bassa. La degassificazione dopo la miscelazione può migliorare considerevolmente la qualità dell'incapsulamento. Per volumi maggiori o assemblaggi critici, può risultare vantaggioso anche l'incapsulamento sottovuoto.

Dosaggio e comportamento del flusso

I sistemi termoconduttivi sono spesso significativamente più viscosi rispetto ai composti di incapsulamento standard. Per i materiali ad alto contenuto di carica, sistemi di pompaggio e dosaggio adattati risultano spesso vantaggiosi. In caso di assemblaggi complessi, il materiale deve essere dosato in modo tale da consentire la fuoriuscita controllata dell'aria. Un controllo moderato della temperatura può migliorare il comportamento del flusso, ma, a seconda del sistema, potrebbe ridurre il tempo di lavorabilità.

Cura

Nei sistemi di resina reattiva, può verificarsi una significativa attività esotermica, soprattutto con volumi di incapsulamento maggiori. L'elevato contenuto di riempitivo influenza il bilancio termico e il processo di reazione. In questi casi, possono essere consigliabili sistemi di polimerizzazione a stadi o a indurimento più lento.

I composti di incapsulamento siliconici presentano generalmente un'esotermicità significativamente inferiore rispetto a molti sistemi epossidici, il che può risultare vantaggioso in termini di processo per volumi di incapsulamento maggiori.

Post-trattamento e controllo qualità

Dopo la polimerizzazione, la qualità del composto di incapsulamento deve essere verificata, ad esempio mediante ispezione visiva per la presenza di bolle, prove di durezza, controlli di peso o densità e termografia sotto carico per verificare la dissipazione del calore. Per applicazioni critiche per la sicurezza, si consigliano ulteriori test elettrici e meccanici.

Domande frequenti (FAQ)

Posso rimuovere in seguito un composto di malta termoconduttivo?

Ciò è possibile solo entro certi limiti. I sistemi siliconici morbidi sono spesso più facili da rimuovere meccanicamente rispetto alle resine epossidiche dure. Tuttavia, i sistemi completamente induriti e ad alto contenuto di riempitivo sono spesso difficili da rimuovere e possono danneggiare i componenti. Se si prevede di effettuare delle rilavorazioni, questo aspetto deve essere preso in considerazione nella scelta del materiale.

Quanto migliora effettivamente il raffreddamento un valore di λ più elevato?

Un valore λ più elevato migliora la conduttività termica all'interno del materiale, ma non automaticamente le prestazioni di raffreddamento complessive. Anche lo spessore dello strato, la qualità del contatto, le bolle d'aria, la geometria e la conseguente dissipazione del calore all'interno del sistema sono cruciali. La resistenza termica dell'intero percorso di calore è il fattore determinante.

Perché il composto per vasi termoconduttivo costa significativamente di più rispetto al composto per vasi standard?

I principali fattori che incidono sui costi sono i riempitivi termicamente conduttivi e la maggiore complessità di formulazione e lavorazione. Elevati livelli di riempitivo aumentano la viscosità e la densità, imponendo maggiori esigenze in termini di tecnologia di miscelazione, degassamento e dosaggio.

Posso utilizzare un composto per incapsulamento termicamente conduttivo con attrezzature standard?

Per piccole quantità e geometrie semplici, ciò è parzialmente possibile. Per sistemi ad alto contenuto di gas, una buona omogeneizzazione, una tecnologia di dosaggio adeguata e, se possibile, la degassificazione sono importanti per ottenere risultati riproducibili senza inclusioni d'aria.

Un valore di λ elevato è sempre la scelta migliore?

No. Valori di λ più elevati spesso implicano costi maggiori, viscosità più elevata e processi più complessi. In molte applicazioni, un sistema ben processato con un valore di λ moderato rappresenta la soluzione più economica e tecnicamente valida.

Conclusione: Miglioramento misurabile delle prestazioni termiche

I composti di incapsulamento termicamente conduttivi non sono solo un miglioramento. Permettono di realizzare progetti elettronici che non funzionerebbero in modo affidabile con i composti di incapsulamento standard. Il valore λ descrive la capacità del materiale, ma l'effettivo effetto di raffreddamento dipende dall'intero percorso termico.

I sistemi a base di ossido di alluminio offrono un buon rapporto qualità-prezzo in molte applicazioni. I sistemi a base di nitruro di boro e nitruro di alluminio sono particolarmente interessanti quando sono richieste prestazioni termiche superiori o specifiche proprietà elettriche.

Il processo richiede maggiore attenzione rispetto alla normale incapsulazione. L'omogeneizzazione, la degassificazione e una tecnologia di dosaggio adeguata sono fondamentali per ottenere risultati riproducibili. I vantaggi sono tangibili: temperature dei componenti più basse, maggiore durata, prestazioni del sistema superiori e maggiore affidabilità.

Nella scelta dei componenti, la regola è: la conduttività termica deve essere massima, non il più elevata possibile. Un'accurata analisi termica previene la sovradimensionamento e mantiene bassi i costi.

---

Supporto tecnico fornito da SILITECH

Stai cercando di selezionare un composto di incapsulamento termicamente conduttivo o di ottimizzare un sistema esistente? SILITECH ti supporta nella preselezione, nel campionamento e nella classificazione tecnica per la tua applicazione.

• Selezione basata su temperatura, proprietà meccaniche e resistenza ai fluidi
• Classificazione dei valori λ nel contesto dell'applicazione
• Istruzioni per la lavorazione (miscelazione, degassamento, dosaggio)
• Campionamento per test e convalida

Su