Cosa sono i pad termici

Noti anche come thermal pad, i pad termici sono materiali solidi (ma non rigidi), simili a tappetini, progettati per riempire lo spazio tra i componenti elettrici e i dissipatori di calore, formando un ponte termico. Per la loro fabbricazione sono utilizzati vari materiali, come silicone, grafite, o fibra di carbonio, con diverse proprietà di conducibilità termica. A differenza della pasta termica, che è una sostanza viscosa, i pad termici sono facili da maneggiare e non richiedono ulteriori passaggi durante l'applicazione.

I pad termici sono in genere composti da un materiale di base morbido e flessibile che facilita l’adattamento alle superfici irregolari. I siliconi e diversi tipi di polimeri sono comunemente utilizzati per le loro proprietà di flessibilità e conducibilità termica.

Nel materiale di base vengono incorporati dei riempitivi al fine di incrementare la conduttività termica. I materiali più comunemente utilizzati a questo scopo sono le particelle di ceramica (come l'ossido di alluminio, il nitruro di boro o l'ossido di zinco) e le particelle di metallo (come l'argento o il rame). Questi riempitivi migliorano la capacità del pad di trasferire il calore fornendo percorsi per l'energia termica.

Per migliorare le proprietà meccaniche e termiche del pad termico possono essere aggiunti dei modificatori, come agenti indurenti, stabilizzatori e promotori di adesione. Questi modificatori contribuiscono alla stabilità e all'affidabilità complessiva del materiale.

In Figura 1 sono visibili dei thermal pad siliconici di forma quadrata, adatti per essere applicati su componenti che sviluppano una quantità ingente di calore, come ad esempio i microprocessori.

Un pad termico di questo tipo resiste a temperature comprese tra -50 e +200°C, offrendo una resistenza termica molto ridotta, costante dielettrica elevata ed elevata tensione di rottura del dielettrico. I pad termici devono avere una bassa resistenza termica per ridurre al minimo l'accumulo di calore e garantire un raffreddamento efficace. Inoltre, i materiali utilizzati devono possedere un'elevata conducibilità termica per agevolare un efficiente trasferimento di calore.

Figura 1: Thermal pad siliconici 

Come si utilizzano i pad termici

I pad termici sono comunemente utilizzati nei circuiti elettronici dove il trasferimento di calore e il raffreddamento sono fondamentali. Vengono posizionati tra il circuito integrato e il dissipatore di calore per garantire un contatto termico ottimale. Adattandosi perfettamente sia alla superficie irregolare del componente elettronico “caldo”, sia a quella del dissipatore di calore, i pad termici riempiono gli spazi microscopici e migliorano la dissipazione del calore. I tipici componenti elettronici a cui vengono applicati i pad termici includono CPU, GPU, System-on-Chip (SoC), MOSFET, led, regolatori di tensione e altri componenti elettronici con elevata generazione di calore.

I dissipatori di calore sono soluzioni di raffreddamento passive che si basano sull'uso di alette e sul flusso d'aria per dissipare il calore. I pad termici, in combinazione con i dissipatori di calore, migliorano il contatto termico tra il componente “caldo” e il dissipatore di calore, migliorando l'efficienza complessiva del raffreddamento.

I pad termici, disponibili in commercio con diversi spessori e formati, sono relativamente più facili da applicare rispetto ad altri materiali di interfaccia termica. È infatti sufficiente rimuovere la pellicola di plastica protettiva posta su un lato, posizionare il pad termico sulla superficie del componente, rimuovere la pellicola protettiva dall'altro lato e installare il radiatore o il sistema di dissipazione del calore.

Gli spessori differenti consentono ai pad termici di adattarsi alle diverse dimensioni degli spazi esistenti tra i componenti. I pad più spessi possono inoltre compensare le differenze di altezza, garantendo un contatto termico adeguato. Alcuni esempi applicativi dei thermal pad sono visibili nelle Figure 2 e 3.

Figura 2: Applicazione di un pad termico del tipo visibile in Figura 1 su un componente ad elevata generazione di calore

Figura 3: Il pad termico riempie perfettamente le superfici tra il componente e il dissipatore di calore

I thermal pad richiedono competenze minime per l’installazione. Sono disponibili in forme o fogli pretagliati, il che li rende facili da usare, soprattutto per chi non ha competenze tecniche. A differenza della pasta termica, che richiede un'attenta applicazione e stesura uniforme, la pellicola adesiva presente sulle superfici dei pad termici li rende facili da maneggiare e applicare, facendo risparmiare tempo e riducendo il rischio di errori di installazione.

Inoltre, i pad termici sono progettati per fornire un isolamento elettrico tra il componente elettronico e il dissipatore di calore. In questo modo si evita la conduttività elettrica, proteggendo i componenti da potenziali danni.

Occorre infine osservare come i pad termici siano in genere riutilizzabili. Se è necessario sostituire un componente, oppure eseguire un aggiornamento hardware, spesso è possibile riutilizzare un pad termico, cosa non possibile quando si utilizza la pasta termica.

Applicazioni

I thermal pad trovano ampio utilizzo nei dispositivi elettronici, dai computer e laptop agli smartphone. Sono impiegati per facilitare un'efficiente dissipazione del calore da microprocessori, schede grafiche e altri componenti a semiconduttore.

I dispositivi elettronici di potenza, come inverter, convertitori di potenza e MOSFET, generano una notevole quantità di calore durante il funzionamento. I thermal pad sono utilizzati per trasferire questo calore lontano dai componenti critici, prevenendo il degrado termico e garantendo prestazioni ottimali.

Nel settore automobilistico, i pad termici svolgono un ruolo fondamentale nel garantire le prestazioni affidabili dei componenti elettronici. Sono comunemente utilizzati nelle unità di controllo elettroniche (ECU), nei sistemi di illuminazione a led e nei sistemi di gestione delle batterie. La capacità dei thermal pad di dissipare il calore contribuisce efficacemente alla longevità e alla durata dei sistemi elettronici nei veicoli, soprattutto in ambienti con temperature estreme.

Anche nel settore delle energie rinnovabili i pad termici possono svolgere un ruolo cruciale, dissipando il calore generato dall’elettronica di potenza e dai sistemi di controllo nei pannelli solari e nelle turbine eoliche.

Sfide progettuali

Per garantire una gestione termica e una dissipazione del calore ottimali, i pad termici impongono ai progettisti alcune sfide progettuali, tra cui:

L’offerta di pad termici di Orvem

Orvem offre un’ampia gamma di pad termici, disponibili in diverse versioni : siliconico (isolato), non siliconico e in fibra di carbonio. A seconda delle versioni, la conducibilità termica varia da 2 W/mk a 40 W/mk.

I thermal pad siliconici presentano proprietà fisiche stabili, elevata resistenza allo strappo e alla perforazione e ottima resilienza. La conduttività termica massima può raggiungere 12 W/mk. La famiglia di thermal pad siliconici, contraddistinta dalla sigla SF, include modelli con conduttività termica compresa tra 1,5 (SF100), sino a 12,0 (SF1200).

I thermal pad non siliconici offrono prestazioni chimiche stabili e non rilasciano molecole di silano. La conducibilità termica di questi thermal pad può arrivare a 8 W/mK, un valore sufficiente per resistere a lungo a temperature elevate fino a 130°C. La famiglia di thermal pad siliconici, contraddistinta dalla sigla AF, include modelli con conduttività termica compresa tra 1,0 (AF100), sino a 8,0 (AF800).

I thermal pad in fibra di carbonio offrono elevata durata e bassa densità. Dotato di un’elevata conduttività termica nella direzione dello spessore (fino a 40W/mk), la fibra di carbonio è un materiale anisotropo con uno spessore minimo è di 0,5 mm.

Sono inoltre disponibili versioni customizzate, disegnate in base ai requisiti tecnici e che soddisfano le esigenze di design e di performance richieste dalle applicazioni.

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