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Materiais de mudança de fase para dissipação de calor em placas de circuito impresso

Atualmente, os dispositivos eletrônicos são capazes de realizar cálculos muito complexos dentro do tamanho de seus componentes. Como resultado, durante a operação, as placas de circuito impresso (PCBs) geralmente apresentam altas cargas térmicas. Uma das principais razões para isso é o superaquecimento, que afeta o desempenho, reduz a vida útil e causa falhas inesperadas do dispositivo. Portanto, Gestão térmica de PCB tornou-se um fator crucial que limita a confiabilidade, o desempenho e a miniaturização do sistema.

Os materiais tradicionais de interface térmica (como pasta térmica e almofadas de silicone) estão apresentando limitações crescentes no que diz respeito ao gerenciamento de altas cargas térmicas instantâneas, confiabilidade a longo prazo e à necessidade de resistência térmica ultrabaixa na interface. Os materiais de mudança de fase, como solução de gerenciamento térmico baseada em mecanismos físicos de mudança de fase, conquistaram uma posição de destaque no campo da dissipação de calor em PCBs de alta performance devido às suas propriedades termofísicas únicas.

O artigo discute os materiais de mudança de fase (PCMs) como uma solução de gerenciamento térmico de alto nível para placas de circuito impresso (PCBs). Ele explica seu princípio de funcionamento, integração, capacidade para altas cargas térmicas, bem como as tendências recentes e áreas onde estão se tornando comuns na eletrônica de próxima geração.

Material de mudança de fase

O que são materiais de mudança de fase para dissipação de calor em placas de circuito impresso?

Os materiais de mudança de fase são desenvolvidos para capturar grandes quantidades de energia térmica na transição de fase do estado sólido para o líquido e, em seguida, liberar esse calor armazenado no processo de solidificação. A temperatura de transição de fase normalmente se encontra dentro da faixa de operação de dispositivos eletrônicos; portanto, eles podem ser acoplados termicamente a esses dispositivos. 

Quando um dispositivo aquece rapidamente, o material de mudança de fase derrete, absorvendo o calor sem permitir aumentos significativos de temperatura. Ao esfriar, o material de mudança de fase solidifica e libera seu calor gradualmente. O ciclo de absorção/solidificação de calor descrito acima atua como uma barreira térmica, protegendo o dispositivo. componentes sensíveis a partir de flutuações rápidas de temperatura, mantendo ao mesmo tempo o funcionamento estável de todo o sistema.

Mecanismo termofísico de materiais de mudança de fase (PCMs)

Os materiais de mudança de fase (PCMs) usados no gerenciamento térmico de placas de circuito impresso (PCBs) são baseados principalmente na mudança de fase sólido-líquido a uma temperatura definida. Isso envolve dois processos principais da termofísica:

  1. Absorção de calor latente: Quando o PCM atinge a temperatura de mudança de fase, a substância sofre uma transição do estado sólido para o estado líquido/pastoso. Este é um processo isotérmico no qual o calor latente é absorvido pela substância em dezenas a centenas de joules por grama, e a temperatura da substância permanece relativamente constante. Portanto, a substância atua como um amortecedor térmico para reduzir o pico de potência dos componentes eletrônicos durante a transição.
  2. Molhabilidade e Preenchimento da Interface: Acima da temperatura de mudança de fase, a fluidez do PCM é significativamente aprimorada, permitindo a umidificação e o preenchimento de vazios microscópicos e imperfeições de planicidade presentes nas interfaces de dispositivos que geram calor, como chips e dissipadores de calor, como heat pipes e invólucros. Isso possibilita o deslocamento máximo do ar, pois este possui baixa condutividade térmica, em torno de 0,026 W/mK, reduzindo significativamente a resistência térmica de contato.

 

Em conjunto, os dois métodos permitem que os PCM lidem simultaneamente com condução eficiente em regime permanente e situações transitórias de choque térmico. Em implementações práticas, a temperatura de mudança de fase em um PCM é definida ligeiramente acima da temperatura nominal de operação do dispositivo a ser protegido, para que o dispositivo esteja em um modo pós-transição termicamente condutivo quando operando em seu ambiente normal.

Principais sistemas de materiais e formas de produtos em materiais de mudança de fase

Os primeiros materiais de mudança de fase, como as parafinas, eram preferidos por sua capacidade de armazenamento de calor; no entanto, esses primeiros materiais apresentavam uma condutividade térmica muito baixa.

Os avanços mais recentes em materiais de mudança de fase incluem o aprimoramento de materiais de mudança de fase iniciais com cargas de alta condutividade (flocos de grafite, CNTs, óxidos metálicos e compósitos de polímeros), bem como o desenvolvimento de materiais de mudança de fase nanoaprimorados, que exibem características de condução térmica mais rápidas e tempos de resposta aumentados. 

Os pesquisadores também estão desenvolvendo configurações de PCMl termicamente condutoras, porém eletricamente não condutoras, para que possam coexistir com PCBs sensíveis. O desenvolvimento dessas novas tecnologias permite que os materiais de mudança de fase não apenas armazenem calor, mas também auxiliem na distribuição de temperatura mais uniforme em toda a PCB.

1. Materiais de mudança de fase compósitos à base de parafina

Esta categoria é o sistema comercial dominante. A parafina refinada é escolhida como material de mudança de fase, e a condutividade térmica é aumentada pela adição de cargas que possuem um alto valor de condutividade térmica. Alguns desses materiais incluem alumina, nitreto de boro, folhas de grafite e fibras de carbono. Polímeros ou estruturas de suporte microporosas podem ser combinados para manter a estabilidade da forma quando em estado líquido. Sua condutividade térmica varia entre 1,5 e 8,0 W/mK, enquanto sua temperatura de mudança de fase pode ser ajustada dependendo do comprimento da cadeia de carbono da parafina. Sua faixa varia entre 40 °C e 80 °C.

2. Ligas metálicas de baixo ponto de fusão

As ligas típicas de gálio, índio, estanho e outros elementos relacionados são líquidas ou quase líquidas à temperatura ambiente. O uso mais comum dessas ligas se baseia em sua condutividade térmica intrínseca excepcionalmente alta (>20 W/mK). Condutoras de eletricidade, possivelmente corrosivas para alguns metais e com potencial de vazamento, essas ligas precisam ser encapsuladas em cavidades seladas ou embalagens de folha metálica. Elas são bastante caras. As aplicações dessas ligas são limitadas a situações com alta densidade de fluxo de calor, como em sistemas de resfriamento líquido por contato direto em alguns componentes eletrônicos militares e chips de computação de alto desempenho.

3. Principais Formas de Produto

  • Almofadas térmicas de mudança de fase: O tipo mais popular, pré-fabricadas em forma de folhas, com propriedades adesivas suaves para facilitar a instalação e remoção. Esses materiais mudam de fase quando uma força é aplicada sobre eles, adaptando-se assim à superfície.

  • Pasta térmica de mudança de fase: Conceitualmente semelhante à graxa de silicone comum, mas com maior fluidez na temperatura de mudança de fase e baixa resistência térmica inicial, porém não necessariamente estável a longo prazo.

  • Folhas encapsuladas de mudança de fase: Esses componentes permitem encapsular o PCM (material de mudança de fase), com foco em ligas de baixo ponto de fusão, dentro de um filme de polímero metalizado. Essas folhas encapsuladas de mudança de fase resolvem quaisquer problemas de vazamento associados a esse componente.

Integração de materiais de mudança de fase no projeto de PCBs

Para que os materiais de mudança de fase sejam utilizados de forma eficaz, eles devem ser posicionados próximos aos elementos (componentes) que geram mais calor. Em Engenharia Térmica, existem diversos métodos comuns para a integração de materiais de mudança de fase:

Utilizando filmes ou almofadas de material de mudança de fase

São muito finas e ficam posicionadas entre os dissipadores de calor e o componentes. São camadas macias e compressíveis que se posicionam imediatamente acima do CIs ou módulos de potência. Assim que o circuito integrado começa a aquecer, o material de mudança de fase captura todo o calor adicional gerado pelo circuito integrado antes que ele atinja o dissipador de calor; dessa forma, estabiliza as temperaturas em todo o circuito integrado durante mudanças rápidas de temperatura.

Materiais de mudança de fase microencapsulados no substrato de PCB

Utilizando essa técnica, as gotículas de PCM são encapsuladas em uma camada de polímero e, em seguida, incorporadas às camadas de resina da placa de circuito impresso (PCB). A camada de polímero proporciona total resistência a vazamentos, permitindo, ao mesmo tempo, o posicionamento preciso do armazenamento térmico em qualquer ponto da estrutura da PCB.

Leia mais: materiais de substrato de PCB

Posicionamento estratégico de cavidades de materiais de mudança de fase

Pequenas áreas compartimentadas contendo o material de mudança de fase podem ser usinadas ou moldado na placa de circuito impresso. Essas cavidades são projetadas para funcionar como um reservatório térmico local ao redor de componentes de alta potência, proporcionando melhor distribuição de temperatura e minimizando o impacto em roteamento de circuitos.

Isolamento utilizando interfaces de materiais de mudança de fase em sistemas eletrônicos alimentados por bateria.

A utilização de material de mudança de fase como interface isolante entre os módulos da bateria reduz o aumento da temperatura durante o ciclo de carga/descarga, melhorando a eficiência da bateria, prolongando a vida útil do sistema de armazenamento de energia e prevenindo o sobreaquecimento do sistema.

Cenários operacionais onde o material de mudança de fase oferece o maior benefício

Em vez de altas temperaturas constantes, os materiais de mudança de fase devem ser aplicados a processos com altas temperaturas variáveis, ou seja, aquecimento intermitente ou cíclico com picos de temperatura. Sua principal função é atenuar o aumento repentino de temperatura durante breves picos de alto desempenho.

Processadores de alto desempenho

Picos temporários de carga de trabalho são experimentados principalmente por processadores de alto desempenho. Os processadores gráficos (GPUs) e as unidades centrais de processamento (CPUs) alternam frequentemente entre níveis de potência baixos e altos em intervalos muito curtos. Essas rápidas mudanças na carga de trabalho fazem com que o material de mudança de fase absorva o calor extra gerado, eliminando assim a limitação térmica e garantindo um desempenho estável.

Telecomunicações, Eletrônica de potência e 5G

Os pulsos são gerados por alguns dispositivos, como amplificadores de RF e módulos de antena, que também produzem calor devido às diferentes cargas de transmissão. Materiais de mudança de fase são usados em telecomunicações, onde a temperatura dos componentes precisa ser mantida dentro de uma faixa segura e o fluxo de ar é inadequado devido à vedação da carcaça.

Carregamento de alta potência de células de bateria

As baterias de íon-lítio, quando submetidas a altas taxas de carregamento, aquecem, e esse calor é absorvido pelas camadas de material de mudança de fase que envolvem as células. O objetivo é reduzir o risco de fuga térmica, aumentar a segurança e retardar o processo de envelhecimento.

Componentes de iluminação LED de alta potência

Como os LEDs são encapsulados, eles aquecem muito, o que acaba causando redução do brilho e alteração da cor. Nesses casos, os materiais de mudança de fase absorvem o calor por um período mais curto, preservando o desempenho óptico e prolongando a vida útil do produto.

Limitações no resfriamento de peças aeroespaciais

O resfriamento por ar convencional não é viável em altitudes extremas. Nesses períodos, os materiais de mudança de fase atuam como proteção térmica passiva, mantendo os componentes sensíveis e vitais para a missão em um estado estável mesmo sob altas cargas.

Função complementar às soluções de refrigeração tradicionais

A principal vantagem de usar materiais de mudança de fase como isolante térmico, no entanto, é que eles não removem o calor do dispositivo. Uma vez que o material de mudança de fase derrete completamente, ele perde sua capacidade de absorver calor e, portanto, precisa ser usado em conjunto com outras estratégias de remoção de calor (por exemplo, placas de cobre, câmara de vapor, etc.) ou fluxo de ar para dissipar o calor para o ambiente.

Conclusão

Os materiais de mudança de fase têm desempenhado um papel fundamental na redução das rápidas alterações térmicas em placas de circuito impresso modernas.

São adequados para equipamentos compactos e de alto desempenho devido à sua capacidade de dissipar calor em condições essenciais de trabalho, aliada à leveza e funcionalidade passiva.

As recentes inovações na tecnologia de materiais de mudança de fase estão tornando-os um dos principais contribuintes para o futuro do gerenciamento térmico na indústria eletrônica, embora sejam mais eficazes quando usados com métodos convencionais de dissipação de calor. Sua contribuição será ainda mais ampliada, pois as necessidades da indústria exigirão maior eficiência, maior densidade de potência e estabilidade dos produtos.

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FAQs

O ponto de fusão é definido como a temperatura máxima de operação segura dos componentes críticos. Simulações térmicas realizadas por engenheiros ajudam a garantir que o material de mudança de fase seja ativado quando o calor estiver prestes a atingir as áreas críticas, evitando atrasos na absorção de calor.

Os materiais de mudança de fase são projetados para suportar milhares de ciclos de fusão e solidificação sem qualquer deterioração e, portanto, em geral, têm a mesma vida útil que o dispositivo eletrônico. Eles não requerem manutenção ou substituição quando devidamente encapsulados.

Sim. O uso de materiais de mudança de fase pode levar à obsolescência de sistemas de resfriamento ativos, como ventiladores que consomem energia, ao eliminar os picos de temperatura. Essa é uma forma indireta de reduzir o consumo de energia, principalmente em eletrônicos alimentados por bateria.

O surgimento de compósitos de materiais de mudança de fase macios e de película fina possibilitou a incorporação desses materiais em circuitos flexíveis e sistemas vestíveis. Esses designs flexíveis mantêm a resistência térmica do dispositivo mesmo sob condições de flexão ou compressão.

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