I materiali di interfaccia termica (TIM) rappresentano un mercato diversificato e in crescita. IDTechEx ha analizzato a fondo questo mercato nel rapporto “Thermal Interface Materials 2020-2030: Forecasts, Technologies, Opportunities”. Vediamo cosa dicono le previsioni.
TIM, materiali di interfaccia termica
Il mercato sta crescendo, la sua composizione sta cambiando e i fornitori si troveranno a doversi adeguare e riposizionare il proprio catalogo di prodotti TIM per intercettarne i settori emergenti: parliamo di veicoli elettrici, di 5G, di data center, di guida autonoma, e così via. Nello stesso tempo, anche il mercato TIM è frammentato a livello di tecnologia o di soluzioni proposte. In realtà, non esiste un prodotto adatto per tutte le taglie. La lista dei TIM ricorda un kit di strumenti per ingegneri termici che possono selezionare – per le loro esigenze specifiche – il materiale con il giusto fattore di forma, la giusta conducibilità termica, la giusta temperatura di esercizio, il giusto spessore, ecc.
Il presente articolo evidenzia alcune tendenze chiave per lo sviluppo dei materiali. Più specificamente, vengono considerati gli approcci per aumentare la conduttività termica (in W/mK) dei TIM. Si tratta di una tendenza importante perché la valutazione di IDTechEx è che il mercato, in termini assoluti, per i TIM ad alta o ultra-alta conducibilità termica, inevitabilmente salirà. Pertanto, i fornitori dovranno sviluppare nuove soluzioni per estendere il loro catalogo di TIM nel segmento della conducibilità termica alta o ultra-alta, a meno che non vogliano rimanere bloccati in segmenti di mercato maturi a basso costo-bassi margini e rischiare di perdere la corsa in relazione alle tendenze emergenti. Le principali categorie considerate dal rapporto di IDTechEx includono l’elettronica di consumo, il 4G e il 5G, le batterie per veicoli elettrici, i LED, i data center, l’elettronica di potenza e così via. Inoltre, il rapporto valuta le tecnologie dei TIM esistenti ed emergenti tra cui l’allumina, il nitruro di boro, la grafite, la grafite allineata verticalmente, il PGS, il grafene, i nanotubi di carbonio, i nanotubi di nitruro di boro e altro ancora. Questo rapporto è dunque prezioso per chi sia interessato al mercato dei TIM.
L’aumento della conduttività termica
La conduttività termica è un indicatore chiave di prestazione. In generale, le soluzioni di conducibilità termica più elevata comportano un prezzo maggiore per mq o per kg. Sono quindi utilizzati là dove sia solo necessario.
Esistono due modi principali per aumentare la conduttività termica in serie: (1) modificare il tipo di materiale di riempimento e (2) aumentare il caricamento del materiale di riempimento. Entrambe le strategie portano in genere a costi e a prezzi più elevati. Il primo perché i filler termicamente più efficienti tendono a essere più costosi e il secondo perché verrà consumato più materiale. Si noti che il carico di materiale non può essere aumentato liberamente perché se ne aumenta automaticamente la durezza. Ciò non è positivo poiché un TIM di maggiore durezza si adatta in modo non ottimale alla superficie presentando una maggiore giunzione o una maggiore resistenza d’interfaccia. Esistono approcci innovativi per migliorare questo compromesso, comprese le tecniche per l’allineamento verticale.
Dall’allumina al nitruro di boro alle nanostrutture
Le sostanze più comuni per che compongono i TIM sono i materiali ceramici.
I composti di allumina, le miscele di nitruro di boro/allumina e/o nitruro di boro vengono invece coinvolti quando si superano i 4-5 W/mK. Questi materiali sono più costosi. Si noti che gli sviluppi intorno al nitruro di boro esagonale, in particolare per quanto riguarda la dimensione delle particelle e la morfologia, hanno fornito la base per raggiungere i 14-15 W/mK, in alcuni casi addirittura i 17 W/mK.
Un’interessante area di sviluppo riguarda le nanostrutture di nitruro di boro, vale a dire i nanotubi BN (BNNT) e le nanofogli (BNNS). I BNNT oggi hanno una vasta gamma di prezzi a seconda della qualità e della morfologia. La gamma di prezzi va dai 200 $/g a più di 1.200 $/g. Enormi intervalli di prezzi si trovano anche in altri nanomateriali come il grafene e il CNT. Allo stesso modo, proprio come i CNT, i BNNT sono disponibili in una grande varietà di forme. L’aspect ratio e la superficie del BET dei nanotubi disponibili in commercio differiscono rispettivamente di circa 4 e 1 ordini di grandezza. In generale i BNNT e i BNNS sono in una fase relativamente iniziale di sviluppo e di commercializzazione.
Alcuni prodotti mostrano che le polveri BNNT disperse nel silicone possono portare a TIM con 10-12 W/mK. Raggiungere un’elevata percentuale di peso senza che venga compromessa la viscosità sarà una vera e propria sfida per il futuro. Pertanto, i BNNT possono essere utilizzati insieme ad altri filler. Esiste il potenziale per sviluppare ulteriormente questa tecnologia, soprattutto utilizzando tecniche di allineamento planare.
Dalla grafite alla fibra di carbonio, dai nanotubi di carbonio al grafene
La discussione finora si è concentrata principalmente sui filler ceramici, che danno origine a TIM isolanti. Ci sono anche molti filler di carbonio o fogli a base di carbonio che fungono da TIM o da film di dissipazione termica. Il carbonio è un materiale disponibile in molte forme e dimensioni. Come tale, dà origine a film/fogli termici e TIM che coprono un ampio spettro di valori di conducibilità termica sia all’interno che attraverso il piano. Il diagramma di riferimento della conducibilità termica attraverso il piano comprende l’allumina arrotondata/sferica, giusto per dare un senso di scala.
La grafite standard è ovviamente molto comune. Può presentarsi in forma di foglio, di pad o di liquido e i valori di conducibilità nel piano sono molto elevati. Tuttavia, la conduttività del piano passante è bassa, ad esempio 7 W/mK.
Per affrontare questo problema sono stati considerati diversi approcci. Una strategia è quella di mescolare piastrine di grafite con altri materiali che interrompono l’allineamento orizzontale delle piastrine stesse, mantenendo così un forte percorso termico verticale. Un’altra strategia è quella di ottenere della grafite completamente allineata verticalmente. In questo caso, la conducibilità termica può raggiungere i 60 W/mK.
Ciò rappresenta una conducibilità termica in direzione z molto elevata.
Novità in termini di TIM
Ci sono alcune interessanti novità in corso. L’uso della fibra di carbonio (CF) con la sua eccellente conduttività termica anisotropica come filler per aumentare la conduttività termica attraverso il piano rappresenta una buona norma. La conduttività è particolarmente evidente per le varianti pitch-based (al contrario del poliacrilonitrile). Il TIM può includere una gamma di elementi con base CF, oppure il CF può essere utilizzato come foglio autonomo (di solito con una piccola quantità di legante o altri additivi). Una grande innovazione è stata quella della tecnica di allineamento verticale dei CF. Questo prodotto è già commercializzato e utilizzato in alcuni telefoni cellulari di alta gamma. Per aumentare la conduttività termica a livelli non raggiungibili è possibile utilizzare anche il nitruro di boro. Naturalmente, questa maggiore conduttività termica ha un prezzo molto più elevato. Anche i nanotubi di carbonio (CNT) e il grafene sono entrambi in gioco. Il primo può essere coltivato in foreste verticali, offrendo un’eccellente conduttività termica sull’asse z. Diverse aziende giapponesi hanno svolto un lavoro eccellente in questo campo. Una di queste ha riportato i migliori risultati di dissipazione con un valore prossimo agli 80 W/mK (direzione z) compresa la resistenza di contatto. Un altro è la commercializzazione di prodotti con 10, 15 e 40 W/mK. Pertanto, i CNT allineati verticalmente (VACNT) possono essere competitivi quanto la fibra di carbonio, fornendo nel contempo un percorso per mitigare quelli con sono i problemi della CF. Naturalmente, ci sono diversi tipi di CNT e questo significa un’ampia fascia di prezzo.
Il grafene ha anche eccellenti proprietà termiche. Dopo un lungo viaggio verso commercializzazione, sembra che il grafene abbia raggiunto oggi il successo sul mercato grazie proprio alle sue proprietà termiche. Un prodotto interessante è formato di fogli termici di grafene definiti heat spreaders. Questi fogli con spessori tipici compresi fra il 20 e i 100 µm presentano 1300-1600 W/mK di conduttività planare, superando le prestazioni dei fogli di grafite standard. Il suo principale concorrente è il PGS (foglio di grafite pirolitica). Il PGS può raggiungere i 1950 W/mK, ma solo in spessori di 10 µm. Man mano che lo spessore di PGS aumenta, la sua conduttività termica diminuisce. Ad esempio, un PGS di 100 µm offre solo 700 W/mK. Sembra quindi che il grafene sia il leader delle prestazioni fra gli heat spreaders a base di carbonio con spessore maggiore di 40 µm. È interessante notare che un importante produttore cinese di telefoni cellulari ha adottato dispersori di calore al grafene, creando uno dei più grandi ordini d’acquisto di grafene in tutto il mondo (si parla di circa 200 tonnellate). Come nota finale sul grafene, IDTechEx ha osservato pad termici in nanoplatelet di grafene allineati verticalmente che raggiungono un’efficace conduttività termica passante di 80 W/mK, con una compressione di 2 MPa. Questo lo pone sullo stesso piano competitivo dei principali VA-CNT.
 rappresentano un mercato diversificato e in crescita. IDTechEx ha analizzato a fondo questo mercato.){kind=link}