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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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• Connessione tramite una o più file di contatti o pin ravvicinati per garantire un collegamento elettrico affidabile.
• Montaggio su PCB. Questi connettori sono progettati per essere saldati sul bordo di un circuito stampato. Sono spesso montati perpendicolarmente alla superficie del PCB, con i contatti che si estendono verso l'esterno.
• Compatibilità. Per stabilire una connessione corretta e affidabile, il connettore card edge richiede un particolare sistema di accoppiamento che impedisca meccanicamente l’inserimento di parti o schede non compatibili tra loro. Il meccanismo di inserimento polarizzato garantisce il corretto allineamento e previene connessioni errate.
• Varietà di formati, in base ai requisiti di connessione della specifica applicazione.
• Durabilità

Inoltre, i connettori EC.8 SMT tollerano un offset durante l'inserimento di 0,6 mm sull'asse longitudinale e di 0,7 mm sull'asse trasversale. Analogamente, la daughter board può essere inserita nel connettore EC.8 con un'angolazione fino a 5° sugli assi longitudinale e trasversale.

Applicazioni 
L’elevata velocità di trasferimento dati rende questi connettori ideali per le applicazioni Industria 4.0, Internet of Things (IoT) e cloud computing. Inoltre, la connessione diretta con il PCB permette di conseguire un significativo risparmio di spazio e risorse rispetto a una tradizionale connessione maschio-femmina.

La famiglia di connettori Zero8

La famiglia Zero8 comprende connettori per PCB con passo di 0,8 mm realizzati con tecnologia a montaggio superficiale (SMD). Caratterizzati da elevata robustezza e scalabilità, questi connettori sono in grado di sopportare trasferimenti dati con velocità massima pari a 16 Gbit/s.

La serie Zero8, visibile in Figura 3, è basata sulla tecnologia proprietaria di ept, chiamata ScaleX.

Questa innovativa tecnologia assicura una stabilità a lungo termine sia a livello elettrico sia a livello meccanico, anche quando i connettori sono soggetti a urti o vibrazioni.

Inoltre, offre una buona capacità di adattamento alle variazioni delle tolleranze fino a 0,4 mm.

Il particolare design dei connettori impedisce che si verifichino errori durante l'accoppiamento, mentre l’elevata compatibilità elettromagnetica li rende la soluzione ideale per trasferimenti dati ad alta velocità, fino a 16 Gbit/s.

La serie Zero8 garantisce connessioni affidabili, anche in condizioni operative difficili. Allo stesso tempo, offre la massima flessibilità grazie alla possibilità di scalare il sistema di connettori in termini di numero di contatti, distanza tra le schede, orientamento e, opzionalmente, schermatura EMC.

I connettori Zero8 di ept consentono di realizzare distanze da scheda a scheda comprese tra 6 e 20 mm. A differenza dei connettori SMD tradizionali che utilizzano un contatto a lama e uno a molla, il connettore Zero8 PCB dispone di entrambi questi tipi di contatti su ogni coppia di connettori, sia lato plug che lato socket. Questa tecnologia di connessione affidabile garantisce un doppio contatto su un singolo pin, offrendo una ridondanza elevata e quindi massima affidabilità nel contatto che risulta essere più sicuro, robusto e resistente agli agenti esterni come urti, vibrazioni, cicli termici e gas nocivi.

Sono inoltre provvisti di uno schermo opzionale contro le radiazioni elettromagnetiche. La schermatura, applicata su entrambi i lati del connettore, costituisce una solida base per garantire una trasmissione priva di interferenze e ad alta velocità in ambienti industriali. Il materiale integrato per la schermatura dimostra particolare idoneità per i componenti con requisiti avanzati in termini di compatibilità elettromagnetica, mantenendo un'induttanza di accoppiamento massima di 10 pH per i connettori PCB.

La schermatura non solo preserva il connettore dall'interferenza elettromagnetica (EMI), agendo come un efficace soppressore di interferenze, ma offre anche una protezione ai componenti adiacenti quando il connettore PCB assume il ruolo di sorgente di interferenze.

In Figura 4 sono messi a confronto due connettori simili, con (a sinistra) e senza (a destra) protezione dalle interferenze elettromagnetiche. Come si può osservare, il connettore schermato offre elevata protezione, su ambo i lati, sia dai campi elettrici, sia da quelli elettromagnetici.

Ecco le caratteristiche tecniche della serie Zero8:

Da 12 a 80 contatti disponibili;

Applicazioni

La linea di prodotti Zero8 è stata appositamente concepita per rispondere alle esigenze più rigorose delle applicazioni industriali, mantenendo allo stesso tempo un'elevata flessibilità per adattarsi alle specifiche richieste individuali.
La tecnologia di connessione ScaleX è progettata per resistere alle condizioni sfidanti tipiche delle applicazioni industriali, assicurando un contatto affidabile anche in presenza di sollecitazioni meccaniche come urti e vibrazioni. Inoltre, durante la fase di connessione, è in grado di compensare le tolleranze presenti sul lato del dispositivo in tutte le direzioni.

La schermatura EMC garantisce una protezione completa dei segnali da influenze esterne nell'ambiente industriale, e grazie alla composizione del materiale utilizzato, è possibile raggiungere velocità di trasmissione dati fino a 16 Gbps.
Oltre alle famiglie Zero8 ed EC.8, si trovano la serie One27, board to board smt passo 1.27mm che permette distanze scheda scheda fino a 20mm e Colibrì, connessione SMT ad alta velocità passo 0.5mm, che soddisfa gli standard COM Express e CORE Express.

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• Robust & High Reliability Cooling Fan & Blower
• Smart Control by NTC & Software
• IP x7 Technology Support
• 5VDC-48VDC, 25mm-172mm.
• EC Series: 100VAC-230VAC

• Medical/ Military Communication/ Peoples Livelihood/ Architecture

• AC to DC Dimension: 80mm & 245mm. ( Axial)
• Water Proof Design
• EC FAN
• High Operating Voltage
• Water Proof Design
• Soft Start up & Hot Swappable support

• Energy Saving Brushless DC Cooling Fan & Blower
• High Performance & Reliability
• IP x7 Technology Support
• 12VDC-48VDC

• Solar energy/Wide energy PV Inverter
• Energy Storage System(ESS)
• Electric vehicle Battery module/ DC Charger
• UPS

• Soft Start up & Hot Swappable support
• Water Proof Design

• De-Vibration & Ultra Silence Cooling Fan & Blower
• Smart Control by NTC & Software
• High Performance & Reliability
• 5VDC-48VDC, 40mm-172mm.

• Cloud & Telecom
• (Macrocell)/ Data Center
• (Router)/(Switch)/(Hub)/(SERVER)
• Storage/ Network Attached Storage/UPS

• High Operating Voltage(Max. Operating Voltage 75VDC for 48VDC Rated. )
• Water Proof Design
• Soft Start up & Hot Swappable support