Materiais de gerenciamento térmico para embalagens eletrônicas

Introdução

Os dispositivos eletrônicos produzem calor quando estão em uso. Mais calor reduz seu desempenho e sua vida útil. O gerenciamento térmico é necessário para torná-los seguros para uso. Os materiais da embalagem eletrônica ajudam a transferir o calor para longe.

Princípios básicos do gerenciamento térmico

Os sistemas elétricos produzem calor devido à perda de energia. O calor adicional sobrecarrega os circuitos e diminui o desempenho. O conceito geral de gerenciamento térmico é espalhar o calor para manter a temperatura constante. Isso geralmente é feito por meio de condução, convecção e, ocasionalmente, radiação. O material apropriado é empregado para transferir o calor de componentes delicados. Os engenheiros escolhem esses materiais cuidadosamente de acordo com as necessidades do dispositivo e as cargas térmicas esperadas.

Metais: Alta resistência e condutividade térmica

Os metais costumam ser o material escolhido para o gerenciamento térmico. Eles possuem alta condutividade térmica. O cobre é excepcional entre os metais. O cobre apresenta uma condutividade térmica de quase 400 watts por metro Kelvin. Em seguida vem o alumínio, com cerca de 205 watts por metro Kelvin. Os metais também possuem alta resistência e durabilidade. Em embalagens eletrônicas, os dissipadores de calor e as placas de base feitos de cobre ou alumínio dissipam o calor com eficiência. Sua condução eficaz é utilizada para fazer com que os componentes funcionem com segurança em temperaturas mesmo sob condições exigentes.

Cerâmica: Condutividade com isolamento

As cerâmicas também são úteis no sentido de que não apenas conduzem o calor, mas também isolam eletricamente. O nitreto de alumínio, por exemplo, possui uma condução térmica de quase 170 watts por metro Kelvin. Essa cerâmica é comum em substratos empregados em eletrônica de potência. O carbeto de silício também é uma cerâmica usada onde o isolamento e a condução são necessários. O caráter da cerâmica permite que ela seja usada onde o isolamento elétrico e a transferência contínua de calor devem ocorrer simultaneamente. Elas são muito comuns em aplicações de alta tensão.

Polímeros e compostos termicamente condutores

Os polímeros são leves e flexíveis. Eles são amplamente usados sempre que o peso é um problema. Os polímeros puros raramente conduzem bem o calor, mas os enchimentos, no entanto, fazem com que eles tenham um desempenho excelente. Por exemplo, os polímeros misturados com nitreto de boro ou grafeno podem ser fornecidos com condutividades térmicas de até 10 watts por metro Kelvin. Eles encontram aplicação em dispositivos portáteis em que o peso extra é uma desvantagem. Sua flexibilidade permite que sejam moldados em vários designs e dimensões para atender a diferentes demandas de resfriamento.

Materiais de interface térmica (TIMs)

Com bons dissipadores de calor, os pontos de contato entre os elementos podem não ser ideais. Pequenas aberturas dificultam a transferência de calor. Os materiais de interface térmica preenchem essas aberturas. Normalmente, os TIMs estão na forma de pasta ou almofada. As pastas à base de silicone são comuns. Eles permitem o fluxo de calor eficiente de um elemento para outro. Esses tipos de materiais são essenciais em equipamentos com alta densidade de potência. Sua função é reduzir a resistência térmica e manter as temperaturas operacionais sob controle.

Mudança de fase e nanomateriais avançados

Algumas das soluções de gerenciamento térmico dependem de propriedades de mudança de fase. Elas absorvem o calor em uma transição de estado de sólido para líquido e o processo reduz os picos de temperatura em caso de ciclos de alta potência. Os materiais de mudança de fase são aplicados em aplicações de temperatura variável. Os nanomateriais avançados também estão sendo considerados. Os nanotubos de carbono e os nanoenchimentos, por exemplo, podem aumentar significativamente a condutividade térmica. Em alguns compostos avançados, há um aumento da condutividade térmica para cerca de 20 watts por metro Kelvin. Eles são usados em computação de alto desempenho e iluminação LED e oferecem novas oportunidades para o controle do calor em dispositivos que estão sob pressão para obter alto desempenho.

Conclusão

O gerenciamento térmico de embalagens eletrônicas é muito importante, pois evita que os dispositivos sejam danificados e aumenta a vida útil deles. Metais, cerâmicas e polímeros têm propriedades diferentes para ajudar no movimento ou na dissipação do calor. Os materiais de interface térmica ajudam a liberar o fluxo de calor entre os espaços. Os materiais de mudança de fase e os nanomateriais oferecem novas soluções para problemas de calor difíceis de resolver.

Perguntas frequentes

F: Qual material tem condutividade térmica extremamente alta em eletrônicos?

P: O cobre é um metal de alta qualidade, conhecido por sua condutividade de quase 400 watts por metro Kelvin.

F: Qual é a função da cerâmica nas embalagens eletrônicas?

P: A cerâmica proporciona transferência de calor e isolamento elétrico eficazes para aplicações de alta tensão.

F: Por que os dispositivos precisam de materiais de interface térmica?

P: Eles preenchem espaços minúsculos e reduzem a resistência entre as peças para permitir uma transferência de calor eficaz.

Referência:

[1] Gerenciamento térmico (eletrônica). (2025, 12 de maio). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_management_(electronics)