Conducibilità termica dei Thermal Interface Materials (TIM): perché misurarla sotto compressione fa la differenza
La conducibilità termica dichiarata dal produttore è davvero quella che il materiale offrirà nel tuo dispositivo?
Quando si progetta un sistema elettronico, un pacco batterie o un’applicazione ad alta densità di potenza, la gestione del calore diventa uno degli aspetti più critici. Ma c’è una domanda che molti progettisti, ricercatori e responsabili di laboratorio si pongono:
Le prestazioni termiche di un Thermal Interface Material (TIM) rimangono le stesse una volta installato e sottoposto a compressione?
La risposta è no.
Le proprietà termiche dei TIM possono variare significativamente in funzione delle reali condizioni di utilizzo.
Per questo motivo, limitarsi ai valori di conducibilità termica dichiarati nelle schede tecniche può portare a valutazioni incomplete e, in alcuni casi, a scelte progettuali non ottimali.
Cosa sono i Thermal Interface Materials?
I Thermal Interface Materials (TIM) sono materiali progettati per migliorare il trasferimento di calore tra due superfici a contatto.
Durante l’assemblaggio di componenti elettronici, infatti, anche superfici apparentemente perfette presentano micro-irregolarità che intrappolano aria, uno dei peggiori conduttori termici. Il TIM riempie questi vuoti, riducendo la resistenza termica dell’interfaccia e favorendo la dissipazione del calore verso dissipatori, heat sink o sistemi di raffreddamento.
Tra i TIM più utilizzati troviamo:
- pad termici;
- grease e paste termiche;
- gel termici;
- materiali a cambiamento di fase (PCM);
- gap filler siliconici e non siliconici.
La scelta del materiale dipende dall’applicazione, dalla pressione di contatto, dalla rugosità delle superfici, dalla temperatura operativa e dalle prestazioni richieste.
Perché la compressione influenza la conducibilità termica?
Durante il montaggio di un dispositivo, il TIM viene quasi sempre sottoposto a una determinata forza di serraggio.
La compressione modifica la struttura del materiale:
- riduce gli spazi vuoti interni;
- aumenta il contatto tra filler termicamente conduttivi;
- migliora l’adesione alle superfici;
- riduce la resistenza termica di contatto.
Il risultato?
La conducibilità termica effettiva può aumentare sensibilmente rispetto al valore misurato senza carico.
Per questo motivo è fondamentale caratterizzare il materiale nelle stesse condizioni in cui lavorerà realmente.
Misurare la conducibilità termica dei TIM nelle reali condizioni operative
La piattaforma Trident™ di C-Therm utilizza il metodo Transient Plane Source (TPS) per misurare la conducibilità termica in modo rapido e accurato.
Grazie all’accessorio Compression Test Accessory (CTA) è possibile applicare una forza controllata sul campione e monitorarne contemporaneamente il grado di compressione.
In questo modo il laboratorio può valutare come cambia la conducibilità termica durante il serraggio del componente, simulando fedelmente le condizioni operative del prodotto finale.
Il caso applicativo: TIM siliconici e non siliconici
Per verificare l’influenza della compressione sono stati analizzati due differenti thermal pad:
- un TIM siliconico;
- un TIM non siliconico.
Le misure sono state effettuate utilizzando:
- Trident™ con tecnologia FLEX Transient Plane Source (TPS);
- sensore TPS da 13 mm;
- Compression Test Accessory (CTA);
- temperatura ambiente;
- media di tre misure per ciascuna condizione.
Sono stati valutati tre differenti livelli di compressione:
- 0%
- 20%
- 45%
I risultati
Thermal Interface Material siliconico
Il materiale siliconico ha mostrato un incremento progressivo della conducibilità termica:
Compressione |
Conducibilità termica |
0% |
8,59 W/m·K |
20% |
9,34 W/m·K |
45% |
9,93 W/m·K |
L’aumento complessivo supera il 15%, dimostrando come la compressione migliori l’efficienza del trasferimento di calore.
Thermal Interface Material non siliconico
Anche il materiale non siliconico ha evidenziato un comportamento interessante.
Compressione |
Conducibilità termica |
0% |
1,52 W/m·K |
20% |
1,77 W/m·K |
45% |
2,18 W/m·K |
Pur partendo da una conducibilità inferiore rispetto al TIM siliconico, il materiale ha registrato un incremento percentuale ancora più marcato:
- +16,4% passando da 0% a 20% di compressione;
- +23,2% a 45% di compressione.
Questo dimostra quanto il comportamento del materiale possa cambiare durante l’installazione e quanto sia importante caratterizzarlo nelle condizioni di utilizzo reali.
Perché questi dati sono importanti per progettisti e laboratori?
Misurare la conducibilità termica senza considerare la compressione può portare a:
- sottostimare le prestazioni del materiale;
- scegliere TIM non ottimali;
- progettare sistemi di raffreddamento sovradimensionati;
- ridurre l’affidabilità di componenti elettronici e batterie.
Al contrario, una caratterizzazione realistica consente di:
- confrontare materiali in modo oggettivo;
- ottimizzare il design termico;
- migliorare l’efficienza energetica;
- ridurre tempi e costi di sviluppo;
- validare rapidamente nuovi materiali.
Trident™ di C-Therm: misure affidabili anche in condizioni reali
Il sistema Trident™ di C-Therm è progettato per la caratterizzazione termica di materiali solidi, liquidi, paste e materiali soffici.
Grazie alla tecnologia Transient Plane Source (TPS) e al Compression Test Accessory (CTA) è possibile misurare la conducibilità termica dei Thermal Interface Materials simulando le condizioni di esercizio, ottenendo dati estremamente rappresentativi delle prestazioni reali.
Questa capacità rende Trident uno strumento particolarmente indicato per attività di ricerca e sviluppo, controllo qualità e sviluppo di nuovi materiali destinati ai settori elettronico, automotive, batterie, aerospazio e materiali avanzati.
FKV: partner C-Therm per la misura della conducibilità termica
FKV distribuisce in Italia le soluzioni C-Therm per la caratterizzazione delle proprietà termiche dei materiali, supportando università, centri di ricerca e aziende nello sviluppo di materiali sempre più performanti.
Se desideri approfondire come misurare la conducibilità termica dei Thermal Interface Materials nelle reali condizioni di utilizzo o conoscere le potenzialità della piattaforma Trident™, il team FKV è a disposizione per una consulenza tecnica dedicata.
