Scegliere e usare paste termiche polimerizzate

GESTIONE TERMICA –

L’utilizzo di paste termoconduttive polimerizzate in situ diventerà presumibilmente la tecnica dominante per depositare materiali termici in sistemi elettronici.

I materiali a forma di cuscinetto (pad) e le paste (filler) termicamente efficienti hanno assunto un'importanza vitale nel soddisfare i requisiti per incrementare le prestazioni e ridurre le dimensioni di molti apparati elettronici, come alimentatori e centraline, senza comprometterne l'affidabilità. I materiali termici oggi più comuni sono costituiti tipicamente da elastomeri al silicone ripieni di materiale ceramico, che sono facili da maneggiare, si adattano bene alla forma e alla struttura superficiale dei dissipatori metallici o dei componenti elettronici, e possiedono un'elevata conduttività termica rispetto all'aria stagnante da eliminare. Inoltre, sono state sviluppate le paste termiche senza silicone per applicazioni estremamente sensibili alla presenza di sostanze siliconiche. Esse vengono utilizzate principalmente dove vi sono rischi di arco elettrico o di combustione, fenomeni che possono trasformare il silicone in silice isolante e quindi impedire il corretto funzionamento del sistema. I cuscinetti termoconduttivi disponibili in tagli, forme, dimensioni e spessori standard oppure personalizzati, hanno almeno un grande vantaggio: sono estremamente facili da utilizzare rispetto a materiali più vecchi come il grasso termoconduttivo. Il grasso è notoriamente difficile da utilizzare e impreciso, pertanto non è molto apprezzato nei moderni ambienti di produzione. Infine, vi è una crescente richiesta di materiali termici in grado di essere polimerizzati “in situ”, ossia direttamente nel punto di applicazione. Le paste termiche polimerizzate in situ, depositate in forma liquida, consentono di ottenere piste estremamente sottili, migliorando in tal modo la conduttività termica, e sono quindi da preferire in sistemi altamente miniaturizzati come le centraline per autoveicoli. Un calcolo attento della forma e della quantità da depositare può ridurre al minimo la pressione esercitata su componenti sensibili, come i piccoli componenti passivi Smd e i chip Bga, quando il sistema è completamente assemblato; i costruttori di dispositivi Bga spesso fissano una pressione massima per pin, che può essere superata quando la copertura viene portata a stretto contatto con il materiale del cuscinetto termico posizionato sul componente. Inoltre, un materiale polimerizzato in situ, quando depositato, “bagnerà” la superficie, adattandosi in modo ottimale persino a superfici ruvide. Ciò contribuisce a eliminare le bolle d'aria, migliorando le prestazioni termiche. È possibile calcolare con precisione il volume e la forma della pasta da depositare utilizzando componenti di prova in vetro, che forniscono una visione chiara dell'estensione superficiale e dello spessore delle pasta deposta. In pratica, le paste polimerizzate in situ possono garantire migliori prestazioni termiche, come si può evincere semplicemente confrontando i normali parametri che compaiono nei datasheet dei materiali. Anche se un materiale polimerizzato in situ possiede apparentemente una minore conducibilità termica (W/m-K) rispetto ai materiali termici più consolidati, come i cuscinetti, il minore spessore delle piste e le eccellenti proprietà impregnanti del materiale polimerizzato in situ consentono di migliorare di fatto le caratteristiche termiche del sistema. Un ulteriore vantaggio offerto dai materiali polimerizzati in situ è che le eventuali modifiche di progetto che alterano la posizione o la tipologia dei componenti utilizzati possono essere effettuate rapidamente cambiando la forma e il volume del materiale termico depositato. Se si utilizzano apparecchiature di deposizione automatica, queste possono essere riprogrammate, evitando quindi la necessità di ordinare altri cuscinetti termici di dimensioni o forme diverse. Bergquist ha sviluppato con successo diversi tipi di paste termoconduttive non corrosive, stabili in temperatura applicabili tramite opportuni dispenser. Tra di esse vi sono materiali costituiti da due tipi di sostanze studiate per essere miscelate insieme in fase di erogazione e di impregnare le superfici adiacenti riempiendo persino le più piccole fessure e aperture. La polimerizzazione inizia man mano che le due parti costitutive vengono miscelate insieme e si completa dopo che il materiale è stato depositato. A fine polimerizzazione, il materiale diventa un elastomero flessibile e morbido, che contribuisce a ridurre le tensioni meccaniche dovute al disadattamento dei coefficienti di espansione termica che si verifica durante il ciclo termico.

Caratteristiche dei materiali
Le paste erogabili Berquist sono più o meno tixotropiche e pertanto conservano la forma dopo essere state depositate sulla superficie applicativa. Occorre esercitare una forza esterna per bagnare con il materiale le superfici adiacenti. Questi materiali possiedono una viscosità relativamente elevata a riposo. Ma quando si applica una forza di taglio, come durante il processo di erogazione, la viscosità decresce, consentendo un'erogazione più agevole. In effetti, l'apparente viscosità dipende dalla velocità con cui viene applicata la forza di taglio; gli utilizzatori dovrebbero tenere conto di ciò quando effettuano prove e confronti di materiali. Dopo l'erogazione, il materiale recupera la propria viscosità e così riesce a restare in posizione nel sistema, conservando la propria forma senza colare o gocciolare. Il comportamento del materiale dopo l'erogazione e prima della polimerizzazione è descritto in termini di resistenza di alla deformazione (slump resistance). Questo indice fornisce una misura della coesione interna (consistenza del materiale) combinata con l'adesività (abilità di aderire alla superficie di applicazione). Le paste di Bergquist comprendono una varietà di caratteristiche reologiche e possono essere adattate alle specifiche di portata stabilite dal cliente, da materiali autolivellanti a materiali altamente tixotropici che mantengono la forma assunta all'atto dell'erogazione.
Nel processo di deposizione di una pasta a due componenti, la polimerizzazione si avvia quando i due componenti vengono miscelati tra loro. Il tempo di vita dell'impasto (pot-life o working-life) è definito come quello necessario affinché la viscosità raddoppi dopo la miscelazione. Il tempo di vita dell'impasto è fortemente dipendente dalla temperatura; diminuisce a temperature superiori a 25°C e aumenta a temperature inferiori a 25°C. Il tempo di polimerizzazione (cure time) di un materiale a due componenti è definito come quello necessario a raggiungere il 90% della polimerizzazione dopo la miscelazione. Le paste termoconduttive a due componenti polimerizzano a temperatura ambiente (25°C), oppure possono essere polimerizzate più rapidamente elevando la temperatura. I materiali proposti da Bergquist sono disponibili in diverse varianti che differiscono per tempo di durata dell'impasto e tempo di polimerizzazione: queste parametri sono riportati nelle schede tecniche di ogni singolo prodotto, dove viene riportata anche la data di scadenza (shelf life) rispettando le opportune regole di conservazione del materiale. Sebbene le paste termoconduttive non siano progettate per comportarsi da adesivi strutturali, hanno comunque una certa adesività naturale, che dopo la polimerizzazione garantisce una leggera adesione tra i componenti adiacenti. Ciò aiuta a mantenere in posizione il materiale evitando la sua fuoriuscita in seguito a ripetuti cicli termici. I fattori che influiscono sulle caratteristiche di adesione comprendono la pulizia delle superfici, la geometrie e la finitura superficiale (texture). Le modalità di utilizzo suggerite delle paste termoconduttive prevedono pertanto di pulire e sgrassare bene le superfici, utilizzare un solvente e dar tempo alla superfici di asciugarsi completamente prima di depositare la pasta.

Suggerimenti di utilizzo
La paste termoconduttive siliconiche sono tipicamente in grado di resistere per lungo tempo a temperature comprese tra –60°C e 200°C. In applicazioni specifiche, però, può essere consigliabile studiare le prestazioni e il comportamento dei materiali ai due estremi della gamma di temperature previste, per verificare la loro adattabilità alla condizioni di utilizzo previste. I materiali a due componenti devono essere miscelati con un rapporto in volume di 1-a-1. Per semplificare la miscelazione, senza ricorrere a complesse apparecchiature di misura, Bergquist fornisce dei dosatori miscelatori in plastica usa e getta. Questi possono essere attaccati agli estremi delle cartucce o montati su macchine di deposizione automatica, e automaticamente miscelano i due componenti nel rapporto desiderato. Bergquist raccomanda di spurgare i serbatoi di nuovo utilizzo mediante il dosatore statico fino a ottenere un colore uniforme. Ciò permetterà di ottenere il corretto rapporto di miscelazione 1-a-1. Se non diversamente indicato, si suggerisce di usare un dosatore dotato di almeno 21 elementi di miscelazione per garantire una corretta miscelazione. Per garantire prestazioni e caratteristiche del materiale consistenti, il sistema Bergquist a due componenti deve essere sempre usato con materiali provenienti entrambi dallo stesso lotto.

Erogatori per ottenere i migliori risultati
Gli erogatori o dosatori statici o a pistola sono degli strumenti economici per depositare le paste su prototipi o linee di produzione per bassi volumi. Bergquist propone pistole ad azionamento manuale con cartucce da 50 cc, 200 cc e 400 cc, oppure pistole ad azionamento pneumatico con cartucce da 200 cc e 400 cc. Per alcuni materiali è anche possibile usare la deposizione mediante serigrafia o stencil, ma bisogna tenere in considerazione che il materiale comincerà a polimerizzare mentre è sullo stencil o sul telaio. La deposizione automatica è certamente l'approccio da preferire nelle produzioni in serie mediante linee ad alta velocità, in quanto permette di ottenere una migliore ripetibilità e una produttività decisamente più elevata. Bergquist fornisce i materiali in serbatoi di grande capacità fino a 37,8 litri (10 galloni) che sono progettati per un carico e scarico rapidi. Bergquist collabora con i più importanti costruttori di macchine per la deposizione automatica onde facilitare ulteriormente i clienti nella messa a punto di processi estremamente automatizzati. Questo tipo di collaborazione aiuta a ottimizzare le apparecchiature e la resa dei processi. La stretta collaborazione con i costruttori di macchine automatiche aiuta anche a ridurre i tempi di installazione e avviamento, così che i clienti possono al più presto attivare il processo di produzione non appena definite le caratteristiche del sistema di deposizione. Si tratta di un aspetto essenziale per i settori applicativi in rapida evoluzione, come quelli dell'elettronica di consumo e dell'automobile, che possono ora adottare le paste termoconduttive con polimerizzazione in situ in alternativa ai tradizionali materiali termici.

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