Adesivo termicamente condutor, também chamado adesivo térmico ou adesivo termocondutor, é um tipo de adesivo formulado para conduzir calor enquanto une mecanicamente duas superfícies. Em eletrônica, é usado entre componentes eletrônicos e dissipadores de calor. Pode ser fornecido como pasta curável, semelhante à pasta térmica, ou como fita adesiva dupla face.
É usado, por exemplo, para fixar circuitos integrados a dissipadores quando não há outro mecanismo de montagem disponível. Como preenche irregularidades entre as superfícies, também pode atuar como material de interface térmica, reduzindo a resistência térmica associada aos espaços preenchidos por ar. Diferentemente da pasta térmica, que normalmente exige um mecanismo de fixação separado, um adesivo curado pode permanecer como parte estrutural da união.
Dissipadores destinados à montagem e ao modding de computadores podem ser fornecidos com adesivo térmico já aplicado, na forma de uma tira de fita. O adesivo também é comercializado separadamente, inclusive por distribuidores de componentes eletrônicos, para aplicação durante a montagem.
Composição
Os adesivos térmicos são normalmente materiais compósitos formados por uma matriz de polímero e cargas termicamente condutoras. Entre as matrizes usadas estão resinas epóxi, silicones RTV, que vulcanizam à temperatura ambiente, e formulações acrílicas. Os epóxis podem ser bicomponentes ou ter cura ativada por aquecimento. Há também fitas acrílicas com cargas cerâmicas que aderem por pressão, sem exigir uma reação de cura durante a aplicação.
As cargas podem incluir metais, óxidos metálicos, sílica e materiais à base de carbono. Partículas cerâmicas também podem ter a forma de microesferas, como as de alumina usadas em formulações epóxi. Entre os materiais estudados estão prata, cobre, alumínio, negro de fumo, grafeno, nanotubos de carbono e fibras de carbono. As cargas cerâmicas incluem nitreto de boro, nitreto de alumínio, carbeto de silício e alumina.
Cargas cerâmicas eletricamente isolantes, como alumina e os nitretos de boro e de alumínio, são usadas quando o adesivo precisa conduzir calor sem conduzir eletricidade. A rigidez dielétrica depende da formulação resultante. Cargas metálicas e alguns materiais de carbono podem também tornar o adesivo eletricamente condutor.
O aumento da fração de carga costuma elevar a condutividade térmica, mas concentrações altas podem prejudicar propriedades mecânicas ou dificultar o processamento do adesivo. O resultado também depende da forma, do tamanho e da distribuição das partículas, assim como das interfaces entre as cargas e a matriz polimérica.
Transferência de calor
Nas matrizes poliméricas eletricamente isolantes, o calor é transportado por vibrações da estrutura molecular. Na aproximação cinética de um gás de fônons, a condutividade térmica é expressa por:
Nessa expressão, é a condutividade térmica, é a capacidade térmica por unidade de volume, é a velocidade média de propagação dos fônons e é seu caminho livre médio. Esse modelo é uma simplificação. Em polímeros amorfos, modos vibracionais não propagantes também participam do transporte de calor e não são plenamente representados por essa expressão.
Polímeros amorfos apresentam, em geral, baixa condutividade térmica. Maior cristalinidade ou ordenamento molecular pode favorecer a condução, mas o resultado também depende da estrutura química e da orientação das cadeias. Nas resinas epóxi, estruturas orientadas, regiões cristalinas e unidades de cristal líquido são estudadas como formas de aumentar a condutividade térmica intrínseca da matriz.
Nas formulações com partículas, a condução depende da matriz e das cargas. A condutividade intrínseca, a geometria, a dispersão e o contato entre as partículas alteram a eficiência dos caminhos térmicos formados dentro do adesivo. A resistência térmica nas interfaces entre partícula e polímero também limita o transporte de calor.
O projeto de um adesivo termicamente condutor procura formar caminhos de condução interligados através da camada adesiva, reduzindo a resistência térmica no interior do material e nas interfaces com as superfícies unidas.
Interfaces e adesão
Duas superfícies sólidas aparentemente planas entram em contato apenas em parte de sua área microscópica por causa da rugosidade. As regiões sem contato podem conter ar, que conduz pouco calor. Um adesivo capaz de preencher essas irregularidades melhora o contato térmico entre as superfícies.
Em uma aproximação de condução através da espessura da camada, a resistência térmica total da união é a soma da resistência do adesivo com as resistências de contato nas duas interfaces. Mantidas a condutividade e a área, diminuir a espessura reduz a parcela de resistência correspondente ao adesivo. A camada precisa, porém, preencher as irregularidades e manter contato com as superfícies. Em fitas aplicadas entre peças rígidas e irregulares, uma espessura maior pode melhorar esse contato. Em ensaios com cinco adesivos entre substratos de alumínio, as resistências de contato foram mensuráveis e variaram conforme o material.
Adesivos termofixos formam redes tridimensionais reticuladas durante a cura. A escolha do agente de cura e as condições de temperatura e tempo podem alterar a resistência mecânica e a condutividade térmica. A estrutura das cadeias e os grupos funcionais do polímero também afetam a adesão. Grupos polares podem aumentar as interações com o substrato. Tratamentos na superfície do substrato podem alterar sua energia superficial, sua rugosidade e sua molhabilidade, modificando a resistência da união adesiva.
No empacotamento eletrônico, formulações adesivas podem ser usadas na fixação de chips, no preenchimento do espaço sob o chip, chamado underfill, e no encapsulamento. Nessas aplicações, a camada polimérica une mecanicamente os componentes e também participa da transferência de calor. O comportamento depende da composição, da espessura da camada e das condições de cura.
Materiais de silicone e mudança de fase
Materiais de interface com mudança de fase podem melhorar o contato térmico, mas não são necessariamente adesivos. Seu amolecimento ou sua fusão não equivale à cura química e, por si só, não assegura a fixação mecânica das peças.
Alguns materiais de interface baseados em silicone usam polissiloxanos modificados com cadeias alquila longas. A hidrossililação de α-olefinas com polissiloxanos que contêm ligações Si-H pode produzir ceras de silicone com cadeias alquila laterais longas. O comprimento dessas cadeias afeta o estado físico e a temperatura de fusão dos produtos, de modo que nem todos os silicones assim modificados são sólidos à temperatura ambiente.
Quando combinados com cargas condutoras, materiais de silicone alquilado podem funcionar como materiais de interface de mudança de fase. Na transição, o material amolece ou funde e consegue preencher irregularidades das superfícies, o que pode reduzir a resistência térmica nas interfaces. Ao esfriar, pode voltar a se solidificar.
Aplicações
Na indústria eletrônica, adesivos termicamente condutores são usados para fixação direta de chips, montagem de dissipadores e espalhadores de calor, underfill, encapsulamento, montagem de LEDs, montagem de componentes em placas de circuito e componentes de eletrônica de potência.
Formulações desse tipo também são usadas em sensores, equipamentos de telecomunicações, eletrônica de consumo, sistemas de transporte e aplicações aeroespaciais quando a montagem exige união mecânica e condução de calor.
Ver também Pasta térmica, material de interface térmica que conduz calor sem formar uma união estrutural permanente Dissipador de calor, componente que recebe e dissipa o calor transferido através da interface Resfriamento do computador, uso de dissipadores e materiais térmicos em sistemas computacionais Condutividade térmica, propriedade que quantifica a capacidade de um material de conduzir calor Condução térmica, processo de transporte de energia térmica através de um material Transferência de calor, conjunto de processos pelos quais energia térmica passa entre regiões ou materiais
Leitura adicional
Categoria:Adesivos Categoria:Transferência de calor