Thermal Interface Materials: metodi e sfide nella misura della conducibilità termica
Nel mondo dell’elettronica avanzata e dell’e-mobility, la gestione termica è diventata una delle principali sfide progettuali.
Una delle sfide riguarda come garantire una dissipazione del calore efficace in dispositivi sempre più compatti
Come evitare fenomeni di thermal runaway in applicazioni ad alta densità di potenza?
E ancora, come misurare in modo affidabile la conducibilità termica dei Thermal Interface Materials (TIM) in condizioni realmente rappresentative?
Se ti occupi di R&D, controllo qualità o progettazione materiali, sai che la risposta a queste domande passa da una caratterizzazione termica accurata e ripetibile!
In questo articolo affrontiamo il tema e presentiamo una soluzione all’avanguardia per la tua attività.
Continua a leggere e scopri di più.
Thermal Interface Materials (TIM): perché la conducibilità termica è cruciale
I TIM (Thermal Interface Materials) sono elementi chiave nella gestione del calore: vengono, infatti, utilizzati tra un componente che genera calore (es. chip, moduli di potenza, motori elettrici) e un dissipatore, per migliorare il trasferimento termico.
Possono presentarsi in diverse forme:
- Paste e grassi termoconduttivi
- Adesivi e potting compound
- Phase Change Materials (PCM)
- Gap pad termici
La scelta del TIM dipende da molte variabili: condizioni di temperatura, compatibilità chimica, spazi disponibili, requisiti meccanici.
Tuttavia, il parametro guida resta sempre la conducibilità termica (W/mK), fondamentale per stimare le prestazioni di dissipazione.
Il problema? Non tutti i metodi di misura sono adatti a tutti i formati di TIM.
Le criticità nella misura della conducibilità termica dei TIM
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Materiali comprimibili: quanto influisce la pressione?
Molti TIM, in particolare gap pad e materiali morbidi, sono comprimibili.
Durante il test, l’applicazione di una forza di contatto può:
- Modificare la struttura interna
- Densificare il materiale
- Alterare le proprietà di trasporto termico
Lo standard ISO 22007-2, ad esempio, specifica che nei materiali soffici la pressione non deve alterare il campione. Ma questo comporta un limite importante: si misura il materiale in stato “non compresso”, che spesso non rappresenta le condizioni reali di utilizzo.
Per chi sviluppa TIM, questo è un problema concreto: i dati di laboratorio rischiano di non riflettere il comportamento in applicazione.
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Additivi e filler: dispersione e hotspot
Per migliorare le prestazioni, molti TIM contengono filler ad alta conducibilità (ceramici, metallici, ecc.).
Questi additivi possono portare il materiale da valori inferiori a 1 W/mK fino a oltre 10 W/mK.
Ma emergono nuove domande:
- La dispersione del filler è uniforme?
- Ci sono zone a minore conducibilità che possono generare hotspot?
- Il metodo di misura è sensibile alle variazioni locali del materiale?
Una caratterizzazione non adeguata può nascondere difetti di formulazione critici.
La soluzione: metodo MTPS e piattaforma Trident Thermal Conductivity Platform
Per affrontare queste sfide, la tecnologia Modified Transient Plane Source (MTPS) rappresenta oggi uno dei metodi più versatili e affidabili per la misura della conducibilità termica dei TIM.
Il metodo MTPS è integrato nella piattaforma modulare Trident di C-Therm Technologies Ltd., di cui noi di FKV siamo distributori per il mercato italiano.
Perché il Metodo MTPS è ideale per i TIM?
Innanzitutto il Metodo MTPS misura solidi, liquidi, polveri e paste con un unico strumento.
Inoltre garantisce un ampio range di temperatura (-50 °C a 200 °C) senza necessità di preparazioni complesse del campione, garantendo test rapidi e altamente ripetibili.
Ciò consente di caratterizzare tutte le tipologie di TIM con un unico approccio, riducendo tempi e incertezze.
Controllo della compressione: dati davvero rappresentativi
A differenza di metodi come il TPS doppio lato, il sistema MTPS può essere integrato con un accessorio per il controllo della forza applicata.
Questo permette di:
- Testare il TIM sotto carichi specifici
- Simulare condizioni reali di assemblaggio
- Analizzare la variazione della conducibilità al variare della compressione
Per esempio, test su gap pad hanno mostrato variazioni significative della conducibilità termica al crescere del carico applicato (75 g, 500 g, 2000 g).
Per chi progetta sistemi elettronici o moduli di potenza, questo significa poter dimensionare correttamente la gestione termica sulla base di dati realistici.
Analisi dei materiali caricati: calibrazione avanzata
Nel caso di TIM con alto contenuto di filler, le proprietà termiche possono uscire dai limiti delle calibrazioni standard.
Il metodo MTPS consente:
- Calibrazione predefinita per test rapidi e riduzione del bias operatore
- Inserimento manuale di densità (ρ) e calore specifico (Cp) quando necessario
- Maggiore accuratezza in applicazioni avanzate o in fase di certificazione
Questo approccio è particolarmente utile nei contesti in cui è richiesta tracciabilità metrologica o conformità a standard internazionali.
Dalla formulazione alla certificazione: un unico flusso di misura
Un ulteriore vantaggio della piattaforma Trident è la modularità: oltre all’MTPS, può integrare anche tecniche come TPS e TLS, permettendo al laboratorio di adattare il metodo alla tipologia di materiale e al contesto applicativo.
In ambito automotive, e-mobility, elettronica di potenza o motori elettrici con potting compound termoconduttivi, questo significa poter ottimizzare la formulazione, validare la qualità in ingresso, supportare audit e certificazioni, oltre che ridurre il rischio di failure termiche sul campo.
Perché affidarsi a FKV
In FKV supportiamo aziende e centri di ricerca nella scelta delle soluzioni più adatte per la caratterizzazione termica dei materiali.
Come distributori ufficiali di C-Therm, offriamo:
- Consulenza tecnica applicativa
- Demo e test su campioni
- Supporto nell’integrazione in laboratorio
- Assistenza post-vendita qualificata
Se stai sviluppando o qualificando Thermal Interface Materials e vuoi ottenere dati affidabili, ripetibili e rappresentativi delle reali condizioni operative, possiamo aiutarti a individuare la configurazione più adatta della piattaforma Trident.
Vuoi approfondire la misura della conducibilità termica dei tuoi TIM?
Contattaci per discutere la tua applicazione o per organizzare una prova su campione: una caratterizzazione termica corretta è il primo passo per garantire affidabilità, sicurezza e performance nel tempo.