Aplicação de pasta térmica em módulos de potência – uso recomendado do Material de Interface Térmica (TIM)

mar, 2015

Edição 109 – Fevereiro de 2015

Dicas de instalação
Por Murilo Sonegatti*

Durante seu funcionamento, os semicondutores de potencia geram calor por meio de suas perdas de chaveamento e condução. Para manter a integridade do componente, são utilizados dissipadores que auxiliam a troca de calor com o ar ou liquido, de acordo com a aplicação.

A eficiência dessa troca depende diretamente da qualidade, planicidade e rugosidade da superfície; quaisquer imperfeições causarão o acumulo de ar entre as partes e prejudicarão o sistema devido a baixa condutividade térmica do ar (λair ≈ 0.03 W/mK).


Figura 1 – Espaços com ar prejudicam a troca térmica.

Para auxiliar a troca de calor, são utilizados materiais de interface térmica conhecidos como TIM (em inglês, Thermal Interface Material). Normalmente, os TIMs possuem como base um óleo que tem em sua composição materiais com boa condutividade térmica, entre eles oxido de zinco, grafite ou prata. O valor entre 0.5 – 6 W/mK garante aos TIMs uma condutividade térmica de 20 a 200 vezes maior que a do ar. 


Figura 2 – Troca de calor de um módulo de potência para um dissipador utilizando um TIM.

Utilizando a pasta térmica P12 da Wacker, podemos comparar sua condutividade térmica com os demais materiais presentes em um modulo da família SKiM da Semikron.

 

Se a condutividade térmica da pasta for comparada com a de outros componentes em um modulo de potência, ela apresentara um péssimo desempenho e será responsável pelo aumento entre 20% e 65% da resistência térmica entre a junção de semicondutor e dissipador de calor (Rth j-s). Portanto, a camada de pasta deve ser a mais fina possível, porem, respeitando a espessura mínima necessária. 


Figura 3 – Correlação entre resistência térmica e espessura do material. 

A utilização em excesso da pasta aumentara a resistência térmica devido a menor condução de calor. Por outro lado, a utilização de uma camada muito fina poderá causar bolsões de ar que também a elevarão.

A espessura necessária da camada de pasta térmica e diferente para cada tipo de modulo. E por isso que as instruções de montagem dos módulos especificam a quantidade correta e descrevem a rugosidade máxima da superfície do dissipador de calor.

A qualidade da pasta térmica não depende apenas da condutividade, mas também de sua composição e estrutura. Quanto maiores as partículas, melhor a condutividade térmica, no entanto, essas partículas também definem a espessura mínima da camada de pasta. A P12 (pasta recomendada pela Semikron) possui entre 0,04 e 4μm, permitindo um contato quase perfeito entre a base do modulo e o dissipador.

 

Procedimento para aplicação de pasta térmica

 

Não ha restrições quanto ao local de aplicação da pasta, podendo ser tanto no modulo quanto no dissipador. Para a aplicação, e sugerido o emprego de um rolo de borracha ou o processo de serigrafia. 

O rolo de borracha produz resultados satisfatórios quando manuseado por um operador experiente e bem treinado, mas traz o risco de contaminação, falta de homogeneidade e, por ser manual, resultados diferentes a cada aplicação. 


Figura 4 – Aplicação de pasta usando um rolo de borracha.

O processo serigráfico traz resultados muito melhores, visto que a espessura da camada será definida pelo fio e pela trama da tela utilizada. De fácil automação, esse processo e utilizado em linhas de baixo e alto volume de produção com ótima repetibilidade. 


Figura 5 – Aplicação de pasta utilizando tela serigráfica

É importante que todas as superfícies estejam limpas, evitando que partículas contaminem a aplicação e causem problemas durante o funcionamento do componente.

Verificação da camada de pasta térmica

 

A espessura de uma camada de pasta térmica pode ser medida direta ou indiretamente. Um exemplo de medição sem contato direto e a utilização de um perfilômetro ótico ou microscópio. 

Para a medição direta, e comum a utilização dos dispositivos de medição a seguir (Figura 6):


Figura 6 – Dispositivos de medição.

A utilização dos dois primeiros itens e idêntica: o “pente” deve ser deslizado pelo dissipador e a análise dos dentes indicara qual a espessura da pasta térmica no dissipador. Apesar de simples, o processo exigira a reaplicação da pasta no local da análise. 


Figura 7 – Medição utilizando os dispositivos com contato direto.

A utilização

do disco e similar. Quando deslizado pela superfície, o disco interno de medição indicara qual a espessura da pasta térmica.


Figura 8 – Medição utilizando o disco com contato direto.

Determinar a espessura ideal da camada de pasta térmica

A espessura da camada de pasta térmica e diferente para cada tipo de modulo. E por isso que as instruções de montagem dos módulos de potência especificam a espessura da camada e qual pasta térmica deve ser utilizada. Na maioria dos casos, no entanto, as espessuras das camadas especificadas se aplicam as mesmas da pasta térmica P12 Wacker. Caso sejam utilizadas outras marcas, recomendamos observar os seguintes procedimentos.

1 – Montar os módulos de acordo com as instruções e utilizando a camada de pasta sugerida pelo fabricante;

2 – Submeter o sistema a três ciclos térmicos (20°C/100°C/60 min);


Figura 9 – Perfil dos ciclos térmicos.

3 – O processo de retirada do componente do dissipador pode ser destrutivo. E sugerida a retirada dos parafusos e manter o modulo sob temperatura ambiente durante 12 horas ou submeter o sistema a dois ciclos térmicos, isso facilitara a retirada do modulo;

4 – Analise visual dos resultados: Se a pasta térmica cobrir toda a base mantendo uma certa transparência, a espessura utilizada foi a correta; se a base apresentar áreas sem preenchimento, a camada foi muito fina.


Figura 10 – Quantidade correta.         Figura 11 – Pouca pasta térmica.

Cada modulo deve ser usado apenas uma vez, visto que repetidas ações de apertar e desapertar dos parafusos podem alterar as propriedades de pressão e fixação. Para cada espessura de pasta térmica a ser testada, deve ser usado o mínimo de dois módulos.
 

Módulos de IGBTs fornecidos com pasta pré-aplicada 

Em linhas onde o volume de produção e alto, e indicada a utilização de módulos fornecidos com a pasta térmica pré-aplicada, facilidade presente em uma série de produtos disponíveis no mercado.


*Murilo Sonegatti é engenheiro eletricista e engenheiro de aplicação da Semikron.


 

 

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