I dispositivi elettronici e i moduli di controllo sono ampiamente richiesti nei settori di largo consumo, industriale, medicale e automobilistico. Per soddisfare le diverse esigenze di progettisti e utilizzatori finali, molte applicazioni pratiche sono soggette a stringenti vincoli dimensionali; alcuni esempi sono i prodotti tascabili o indossabili, l'adattamento alle dimensioni standard nella sostituzione di tecnologie più vecchie come le lampade a incandescenza e la necessità di utilizzare un packaging molto compatto in sistemi come le centraline automobilistiche. Nel tentativo di ottenere maggiori prestazioni in apparecchiature caratterizzate da dimensioni più piccole, i progettisti si spingono oltre le regole già consolidate per aspetti come il layout su scheda e la producibilità in serie. Per mantenere il passo con l’evoluzione tecnica, senza compromettere la qualità e l'affidabilità, servono nuove soluzioni applicabili a un'ampia gamma di problematiche tecniche, come il packaging dei componenti, l'assemblaggio, il collaudo e la gestione termica.
Una nuova generazione di materiali termici
Per la gestione termica, occorrono soluzioni versatili e creative per assecondare la continua miniaturizzazione dei sistemi e il costante aumento della densità di potenza. Vi è uno sviluppo rapido di materiali compatibili con l'assemblaggio automatico che siano facili da gestire sulla linea di produzione, possano essere posizionati accuratamente in quantità dosate con precisione e siano adatti alla produzione su piccola, media e grande scala. Tra questi vi sono i materiali di interfacciamento termico erogabili del tipo form-in-place, materiali liquidi plasmabili, e adesivi che offrono prestazioni termiche elevate. Anche i substrati termici stanno cambiando, con l'arrivo di nuovi e migliori dielettrici per applicazioni che richiedono prestazioni termiche molto elevate.
Materiali riempitivi form-in-place
L'estrema miniaturizzazione dei sistemi elettronici tende a far aumentare la densità di potenza, particolarmente in dispositivi come piccoli azionamenti e motori, o controller per luci a Led. Se le procedure tradizionali richiedono di posizionare un gap-pad pretagliato o un filler tra i chip o i dispositivi di potenza e il relativo dissipatore o contenitore metallico, il posizionamento manuale del materiale termico può essere lungo e difficile. In generale, ai costruttori viene insistentemente richiesto di minimizzare i processi di assemblaggio manuale, ridurre i costi operativi e massimizzare la qualità finale del prodotto. Per superare le difficoltà che gli odierni costruttori si trovano a dover affrontare, sta emergendo una nuova generazione di materiali gap-filler di tipo form-in-place. Questi materiali termici possono essere depositati utilizzando distributori automatici, contribuiscono a mantenere un elevato volume di produzione ed eliminano le imprecisioni e le imperfezioni associate ai procedimenti di tipo manuale. L'evoluzione è rapida e nuovi materiali offrono ai progettisti una scelta sempre più ampia tre varie proprietà, come la conduttività termica e la resistenza alla penetrazione, per soddisfare diverse richieste applicative. Un efficiente trasmissione del calore nelle applicazioni termiche dipende principalmente dalla capacità del materiale del gap-filler di trasferire il calore al suo interno e di inumidire le interfacce contro cui è applicato. I materiali liquidi di Bergquist sono disponibili con un'ampia scelta di conduttività termiche, specificamente studiati per riempire spazi ampi e irregolari e per asciugare e adattarsi a un'ampia varietà di superfici. Poiché il gap-filler viene erogato e immesso allo stato liquido, il materiale crea in teoria zero stress sui componenti durante il processo di assemblaggio. Per questo motivo, i filler form-in-place sono la soluzione ideale per applicazioni in cui occorre proteggere componenti e interconnessioni fragili. I progettisti possono determinarne la formula specificando determinate caratteristiche, come ad esempio un'elevata consistenza in applicazioni in cui la forma del deposito è di importanza fondamentale, oppure un basso degassaggio in applicazioni di tipo ottico. Bergquist collabora con i principali fornitori di erogatori per garantire la migliore compatibilità tra materiali termici ed erogatori, il che semplifica le impostazioni necessarie per avere un processo controllato e ripetibile. Come risultato di questi programmi, è disponibile una guida dettagliata con cui i tecnici di processo possono meglio gestire aspetti quali la scelta dell'ugello (Fig. 1), le impostazioni della macchina, i modelli di erogazione e le condizioni ambientali come la temperatura e l'umidità. I materiali termici form-in-place possono essere materiali di riempimento a due componenti come la gamma di Gap Filler di Bergquist, disponibili con conduttività comprese tra 1,0 W/m-K e 4,0 W/m-K, e valori bassi di elasticità e plasticità. Sono la soluzione ideale per componenti su scheda affiancati a un dissipatore termico o contenitore metallico. I materiali possono essere polimerizzati a temperatura ambiente, oppure ad alte temperature, senza generare sottoprodotti. Il prodotto polimerizzato è secco al tatto e non viene pompato verso l’esterno dell'interfaccia durante il ciclo termico. Gap Filler 3500S35 è una formula a bassissima elasticità che offre una morbidezza di ordine superiore ed elevate caratteristiche di conformità, ed è utilizzabile con componenti fragili estremamente sensibili alle sollecitazioni meccaniche. Le paste di interfacciamento termico vengono utilizzate in applicazioni che richiedono facilità di erogazione, basse sollecitazioni e la possibilità di effettuare rilavorazioni. L'ideale per applicazioni che presentano una densità di potenza molto elevata, ad esempio sistemi con chip nudi (bare die) che devono essere fissati a un diffusore termico, paste come Liqui-Form 2000 applicano sforzi bassissimi ai componenti durante l'assemblaggio e possiedono un'adesività naturale grazie alla quale restano fisse in posizione. Non necessitano di alcun trattamento, miscelazione o refrigerazione, il che agevola le operazioni nella linea di produzione.
Adesivi termici: due funzioni in una
In sistemi come controllori ad alta potenza che richiedono il fissaggio di molteplici dispositivi di potenza a un unico dissipatore, la sostituzione di fermi meccanici con adesivi termici può contribuire in maniera significativa alla produttività del sistema assemblato. La deposizione di un adesivo siliconico monocomponente, come il Liqui-Bond SA, può essere effettuata automaticamente ad alta velocità richiedendo pochissimo intervento umano per completare l'assemblaggio. Questi materiali possono altresì essere depositati tramite serigrafia. Gli adesivi Liqui-Bond SA sono studiati per mantenere la propria struttura e stabilità su un ampio intervallo di temperature e in condizioni ambientali estreme. Inoltre, le blande proprietà elastiche contribuiscono a ridurre il disadattamento tra i diversi coefficienti di espansione termica. Nei casi in cui possono essere utilizzati, sono anche disponibili nastri adesivi termicamente conduttivi come la gamma Bond-Ply. L'adesivo acrilico termicamente conduttivo su entrambi i lati del nastro permette di fissare i diffusori o dissipatori termici ai componenti o al circuito stampato senza dover utilizzare fissaggi meccanici. I progettisti possono specificare un rinforzo opzionale in fibra di vetro o in poliimmide. .
I substrati termici aumentano la densità di potenza
In applicazioni come convertitori di potenza, sistemi con barre di dissipazione (heat-rail), azionamenti per motori e lampade allo stato solido, un substrato termico può aiutare ad aumentare la densità di potenza, ridurre il numero dei componenti di potenza e massimizzare l'affidabilità di dispositivi come i Led. Quando si progetta con i Led, in particolare, nella sostituzione di lampade a incandescenza o luci motorizzate, i produttori di Led spesso raccomandano di aggiungere numerosi collegamenti verticali (via) placcati nel normale circuito stampato FR4 per condurre il calore lontano dall'emettitore. L'utilizzo di un substrato termico in alternativa all'FR4 può aiutare ad evitare di progettare un circuito stampato così complesso, permettendo al progettista di controllare la temperatura operativa di giunzione. Ciò aumenta l'affidabilità del sistema e permette di mantenere stabile l'intensità luminosa del Led con conseguente uniformità delle prestazioni e prolungamento della vita operativa. Tecnologie di substrati come Direct-Bond Copper (DBC) e ceramiche a film spesso offrono eccellenti proprietà termiche. Un substrato metallico isolato o Ims (Insulated Metal Substrate) come il Thermal Clad, d'altro canto, fornisce una soluzione meccanicamente robusta ed economicamente conveniente, e si rivela molto adatti in tutti quei casi in cui si richiede una connessione elettrica alla piastra di base. Lo strato metallico di base può essere in alluminio o in rame, solitamente di spessore unificato, sebbene siano anche disponibili spessori non standard. È disponibile una guida per aiutare i progettisti a scegliere i valori ottimali di resistenza meccanica, peso e coefficiente di espansione termica al fine di massimizzare le prestazioni e l'affidabilità della giunzione di saldatura nell'applicazione finale. È inoltre possibile specificare finiture normali o spazzolate, ed è offerta la possibilità di scegliere il colore di anodizzazione degli strati base di alluminio tra chiaro, nero, azzurro o rosso. Un Ims di alta qualità avrà tipicamente risultati migliori rispetto ad alternative come le schede laminate e termicamente migliorate tra cui le lamine preimpregnate e i fogli diffusori metallici. Il dielettrico è un fattore importante alla base delle prestazioni di un Ims nell'applicazione di destinazione. Il dielettrico è una miscela di polimeri che offre un elevato isolamento elettrico, una grande forza di legame e la capacità di resistere all'invecchiamento termico, con un riempimento ceramico che garantisce una bassa impedenza termica e mantiene un'elevata rigidità dielettrica. Per offrire le migliori prestazioni e permettere una soluzione economicamente competitiva in un vasto range di applicazioni, Thermal-Clad Ims è disponibile con una gamma di composti dielettrici Multi-Purpose, High-Temperature o la versione speciale High-Power Lighting. Il dielettrico HPL è molto sottile, di soli 38 µm, possiede una bassissima impedenza termica che produce prestazioni termiche pari a 0,30°C/W nel rispetto della normativa RD 2018, e può sopportare temperature elevate. Il Thermal-Clad HPL Ims è disponibile in una varietà praticamente infinita di profili tra cui componenti tranciati singolarmente e a forma di stella o quadrato, adatti ai più comuni formati dei Led di potenza (Fig. 3). Sebbene molti tipi di substrati di diversi costruttori possono essere confrontati in modo piuttosto efficace utilizzando i valori di conduttività termica pubblicati nei datasheet, tali valori spesso non tengono conto delle variazioni di spessore, resistenze interfacciali e materiali di rinforzo. Per questo motivo, l'impedenza termica è sempre il parametro migliore per prevedere le prestazioni nel mondo reale. In aggiunta, le informazioni riguardanti le procedure di test utilizzate aiutano i progettisti a verificare le cifre pubblicate e a confrontare in maniera indipendente i prodotti di più fornitori. Per rispondere a questa necessità, Bergquist utilizza prove standard riconosciute a livello internazionale o, qualora non siano disponibili, rende disponibili gratuitamente le informazioni su i propri metodi di prova.
