Materiais de interface térmica

O calor está em alta

Os avanços nos veículos elétricos estão aumentando as exigências em relação aos materiais de interface térmica. Peter Donaldson analisa o que é relevante e o que não é

Um material de interface térmica (TIM) tem uma tarefa aparentemente simples: preencher as pequenas lacunas de ar entre uma fonte de calor e um dissipador de calor, permitindo assim o fluxo de energia térmica. Por décadas, isso era feito normalmente com um material simples escolhido em um catálogo com base em um único valor para a condutividade térmica volumétrica. Isso já não é mais o caso. Três desenvolvimentos convergentes nos veículos elétricos estão provocando mudanças fundamentais nesses materiais.

O primeiro é a mudança em direção a arquiteturas de baterias do tipo célula-para-pack e célula-para-chassi. Isso significa que um TIM não pode mais ser apenas um condutor térmico entre um módulo e uma placa de resfriamento. Em vez disso, ele deve ser um adesivo estrutural de grande área, um isolante elétrico de alta tensão e uma linha de defesa essencial em casos de deriva térmica. Ele também precisa ser aplicado rapidamente e garantir sua eficácia durante toda a vida útil do veículo.

O segundo é a adoção de semicondutores de banda larga, como SiC e GaN, em inversores de tração, o que eleva as temperaturas das junções acima de 200 °C, em um nível em que os TIMs orgânicos tradicionais falham e até mesmo as soldas com alto teor de chumbo atingem seus limites. As soluções incluem pastas sinterizadas de prata e cobre que transformam a interface em uma ligação metálica sólida.

Terceiro, o setor agora pensa além do desempenho inicial e lida com todo o ciclo de vida do produto. Há necessidade de materiais isolantes térmicos que resistam por 15 anos ou mais em estradas acidentadas e em condições de umidade alta, mas que permitam uma descolagem limpa para que o conjunto de baterias possa ser reparado, remanufaturado ou reciclado. O simples valor de watts por metro-kelvin (W/mK), que indica a condutividade térmica em uma ficha técnica, já não é suficiente.

As principais iniciativas para equilibrar o alto desempenho térmico e a confiabilidade termomecânica incluem polímeros projetados com propriedades semicompulsivas, como preenchedores de lacunas de próxima geração, ou adesivos condutores térmicos com alta resistência de ligação (TCAs). Dependendo da resistência à temperatura, tecnologias de resina como poliuretano, epóxi ou até silicone podem ser utilizadas para atender às diferentes exigências de sistemas de baterias, aplicações de conversão de energia e eletrônicos de gerenciamento de baterias.

Compromisso entre dielétrico térmico e outras características

Um desafio é que o aumento da condutividade térmica costuma vir às custas do desempenho de isolamento elétrico em um TIM. Em muitos casos, um único material pode não ser mais capaz de otimizar ambas as propriedades simultaneamente, o que torna os conceitos híbridos atraentes. Tal sistema híbrido pode, por exemplo, combinar camadas cerâmicas altamente condutivas térmicamente com uma camada de interface térmica muito fina, como graxa térmica ou um preenchimento de espaços – este último utilizado apenas para compensar tolerâncias e garantir um bom contato térmico. A solução exata dependerá fortemente da cadeia de tolerâncias e do design geral das camadas, mas abordagens multicamadas podem se tornar uma tendência importante para aplicações específicas, com cada camada otimizada para sua função individual.

Outra perspectiva é que a próxima geração de compósitos deve se concentrar em redes poliméricas inovadoras, projetadas para criar interfaces mais fortes e eficientes tanto com cargas quanto com substratos. Embora seja tentador focar em uma ou duas propriedades principais, os materiais de alto desempenho precisam atender a um conjunto muito mais amplo e, muitas vezes, conflitante de requisitos. O verdadeiro desafio está em alcançar esse equilíbrio de maneira a garantir um desempenho confiável, ao mesmo tempo em que se permite uma fabricação robusta e de alto volume.

Em projetos de baterias de célula a embalagem, o TIM precisa atuar simultaneamente como ponte térmica, adesivo estrutural e isolante elétrico. Esse requisito está direcionando ainda mais as prioridades de desenvolvimento em direção aos TCAs. O desafio aqui é encontrar o equilíbrio ideal entre a resistência de colagem e a elasticidade ao ser utilizado para unir diferentes superfícies e os materiais empregados em baterias de próxima geração.

A mudança no desenvolvimento da TIM, ocasionada pelas arquiteturas de célula para pacote, está se afastando da maximização da condutividade térmica em direção ao equilíbrio entre a confiabilidade térmica, mecânica e dielétrica ao longo da vida útil da bateria. O material precisa umedecer grandes superfícies, compensar tolerâncias, unir ou sustentar as células, resistir a vibrações e envelhecimento, e ainda manter o isolamento elétrico sob compressão, umidade e ciclagem térmica.

A característica mais difícil de se obter sem compromissos costuma ser o desempenho mecânico/estrutural. Quando um TIM se torna mais adesivo ou capaz de suportar cargas, tende a ficar mais rígido, mais difícil de retrabalhar, a gerar mais estresse e, às vezes, a ser menos tolerante ao inchaço das células. Aumentar o teor de material de preenchimento melhora a condutividade térmica, mas pode prejudicar o alongamento, a processabilidade e a robustez dielétrica. Escolher o polímero certo pode fazer uma diferença significativa, e uma empresa está focando em materiais bicomponentes à base de silicone que oferecem excelente resistência ao inchaço e às vibrações.

Outra abordagem utiliza um silicone altamente adesivo baseado em tecnologia padrão de líquidos para preenchimento de espaços, resultando em um TIM que é ligeiramente menos resistente do que um adesivo estrutural dedicado, mas suficientemente forte para muitas aplicações estruturais, desde que o sistema seja, no geral, mecanicamente robusto.

Propriedades interdependentes

Também é difícil alcançar alta condutividade térmica em um material que precisa ter todos os benefícios de um adesivo estrutural tradicional. O desafio de equilibrar a condutividade térmica com a adesão, a resistência dielétrica, a conformabilidade mecânica, a durabilidade e a fabricabilidade é especialmente agudo, pois essas propriedades são profundamente interdependentes. Melhorar uma delas costuma afetar negativamente outra, e é por isso que é fundamental que engenheiros de design e cientistas discutam os trade-offs e prioridades já no início do ciclo de desenvolvimento.

Ao lidar com esse tipo de complexidade, métodos computacionais como o aprendizado de máquina tornam-se cada vez mais valiosos na descoberta de materiais. Essas ferramentas digitais não só ajudam a otimizar os ciclos de design e desenvolvimento dos principais criadores de materiais, mas também permitem que os clientes acessem “cubos de dados” para utilizar gêmeos digitais na simulação de seus futuros sistemas de baterias. O uso da IA já está ajudando na criação de fórmulas preditivas, eliminando efetivamente a necessidade de testes físicos iterativos e baseados em tentativa e erro.

No entanto, a IA precisa ser alimentada com dados e experiência suficientes para funcionar de forma eficaz. O desafio na formulação de novos materiais isolantes térmicos é que os valores das fichas técnicas, por si só, não fornecem informações suficientes. Entre os muitos fatores adicionais a serem considerados estão a qualidade e a estrutura da superfície, a resistência ao contato térmico, o comportamento sob compressão e a interação dentro do sistema completo. À medida que mais dados se tornam disponíveis, deve ficar muito mais fácil prever o desempenho dos materiais isolantes térmicos e adaptá-los a uma aplicação específica. O objetivo não é necessariamente que a IA gere diretamente a formulação de um material, mas sim que ela defina e otimize os requisitos. Uma vez que os parâmetros de desempenho desejados estejam claramente descritos, o fabricante do material isolante térmico pode então utilizar modelos de IA como ferramentas para apoiar a P&D de materiais.

Dito isso, a indústria ainda está longe de um mundo em que um engenheiro possa inserir um conjunto de requisitos e receber uma formulação totalmente otimizada, pronta para uso, sem nenhuma iteração física. O aprendizado de máquina, a dinâmica molecular e métodos relacionados estão se tornando muito eficazes para reduzir o espaço de design, identificar químicas promissoras e ajudar os pesquisadores a entender as trade-offs muito antes no ciclo de desenvolvimento.

Onde a visão se torna mais difícil está na lacuna entre o desempenho do material previsto e o comportamento em aplicações reais. O futuro provavelmente não envolverá um design sem iteração física, mas sim um fluxo de trabalho de desenvolvimento altamente acelerado no qual o cálculo realiza a maior parte da triagem e otimização, enquanto testes direcionados confirmam o desempenho no sistema real.

Desafios de escala

Uma fábrica que produz pacotes de baterias ou eletrônicos de potência em larga escala é muito diferente de um laboratório que testa materiais de interface térmica em pequenos amostras. A produção real de veículos elétricos apresenta desafios adicionais, como grandes áreas de processamento, tolerâncias de produção elevadas, tempos de ciclo longos, taxas rápidas de aplicação dos materiais, condições variáveis de espaçamento entre componentes, variações de temperatura nas instalações ao longo das estações do ano e etapas de montagem com prazos rigorosos.

Isso mudou a maneira como alguns empresas testam seus produtos: elas constroem seus próprios sistemas de baterias apenas para poderem implementar novos materiais de interface térmica e outros componentes em escala durante o desenvolvimento, além de operar esses sistemas em condições reais de condução e submetê-los a eventos rápidos de carregamento e descarregamento. Isso proporciona feedback muito precoce.

Uma ideia fundamental é que as interfaces e os processos dominam o desempenho em larga escala. Um TIM – na forma de fita, por exemplo – raramente falha devido à sua condutividade intrínseca, mas sim porque a produção real introduz ondulações na superfície, variações nas tolerâncias, pressão não uniforme e restrições decorrentes da montagem em alta velocidade. Por isso, é crucial projetar os TIMs desde o início visando à robustez na fabricação, o que inclui garantir uma rápida umidificação sob baixa pressão, tolerância a variações e desempenho estável durante todo o período de produção, incluindo a aplicação por robôs na montagem final.

Uma abordagem para escalar a produção envolve testes antecipados de cupons – relativo às propriedades compressivas, à condutividade térmica em função da relação de compressão e ao comportamento de deformação sob compressão – e, paralelamente, fornecer amostras para avaliação de montagem com os componentes dos clientes, permitindo a validação em condições reais de montagem. Ao longo do processo, é importante avaliar o desempenho em todos os parâmetros para identificar problemas, tanto previstos quanto imprevistos, em conformidade com padrões como o IATF 16949, além de fornecer aos clientes explicações detalhadas para apoiar suas próprias avaliações.

Os centros regionais de aplicação para baterias representam uma inovação no processamento de materiais para produção. Tais centros também oferecem suporte aos testes, fornecendo principalmente informações antecipadas sobre os parâmetros de produção aos clientes antes que eles encomendem equipamentos de fabricação.

Focar no sistema completo desde o primeiro dia torna-se cada vez mais importante. O alinhamento precoce entre o TIM e os equipamentos do processo, envolvendo, por exemplo, o fornecedor do sistema de dosagem desde as fases iniciais, é cada vez mais considerado essencial. Se as combinações de materiais e equipamentos já tiverem sido comprovadas em projetos anteriores, muitos problemas potenciais podem ser evitados. Se o material for novo, “amostras de referência” para parâmetros críticos podem ser fornecidas para ajudar a definir uma janela de processo estável.

O objetivo não é simplesmente criar um TIM que funcione bem em condições ideais, mas sim um que permaneça previsível, escalável e confiável no ambiente de alta velocidade e condições não ideais em que será utilizado.

Reparo, reutilização, reciclagem

A fabricabilidade e o desempenho em uso foram complementados pela reparabilidade e reciclabilidade na lista de requisitos essenciais que os desenvolvedores de materiais precisam atender – para baterias e muitas outras aplicações. Várias abordagens para esses requisitos de circularidade estão surgindo. Uma delas é a descolagem sob demanda, utilizando diversos mecanismos de acionamento. Por exemplo, existem adesivos termicamente condutivos ou estruturais acionados eletronicamente para permitir reparos, além de revestimentos funcionais acionados termicamente em desenvolvimento para favorecer a reciclabilidade.

Em vez de precisar de um acionador, alguns materiais isolantes térmicos permitem a desmontagem de forma intrínseca. Alguns líquidos para preenchimento de espaços, por exemplo, possuem adesão muito boa, mas ainda podem ser separados quando necessário.

Outra abordagem atualmente em desenvolvimento é um composto de moldagem por injeção com propriedades térmicas condutivas. Sendo um termoplástico, este material promete não apenas possibilitar a reparação de módulos, mas também tornar o próprio TIM reciclável – um avanço importante, pois os TIMs convencionais, sejam preenchimentos de espaços, adesivos ou almofadas de vedação, geralmente não são recicláveis e não podem ser reutilizados.

São possíveis TIMs verdadeiramente retrabalháveis e de alto desempenho, mas somente se forem tratadas desde o início como um desafio de design compartilhado. Isso requer colaboração estreita entre engenheiros de projeto de embalagens e desenvolvedores de materiais, pois a retrabalhabilidade não é algo que pode ser adicionado posteriormente sem consequências. Haverá trade-offs no desempenho do material, e o segredo está em compreendê-los precocemente para que o design final consiga encontrar o equilíbrio certo entre desempenho térmico, capacidade de fabricação e facilidade de manutenção. Vários desses materiais já estão disponíveis para aplicações em baterias de veículos elétricos.

A retrabalhabilidade é um desafio de design em nível sistêmico. Em vez de remoção fácil sob todas as condições, o objetivo é uma descolagem controlada e previsível, sem danificar os componentes.

Em busca da longevidade

Ao buscar um uso eficiente dos recursos materiais, a longevidade é tão importante quanto a capacidade de reparo e reciclagem. Os desenvolvedores são solicitados a garantir um desempenho por um período muito maior do que conseguem testar fisicamente – frequentemente 15 anos –, por isso são utilizadas diversas outras abordagens preditivas. A combinação de décadas de experiência com dados de teste acumulados, testes acelerados de estresse e envelhecimento, além de simulações digitais inteligentes, é um meio poderoso para confirmar o desempenho a longo prazo.

Com os testes acelerados, é importante ressaltar que eles só fazem sentido quando refletem modos reais de falha, como perda da pressão de contato ou degradação interfacial. Ao associar isso a formulações estáveis e margens de projeto conservadoras, é possível criar uma confiança credível, baseada na física, no desempenho a longo prazo.

As propriedades mecânicas, como a adesão, ainda podem depender de condições específicas de carga, mas, nesse caso, os materiais são normalmente projetados levando em consideração requisitos mais elevados. Realizar testes de envelhecimento acelerado em conjunto com os clientes continua sendo importante, mas, especialmente para materiais à base de silicone, a tensão térmica exercida sobre eles em sistemas de baterias geralmente não é o fator limitante. Frequentemente, a discussão não se concentra tanto em saber se o material consegue resistir por 15 anos, mas sim quais testes devem ser realizados, por quanto tempo eles devem durar e qual deve ser a estratégia de validação.

Nas aplicações de segunda vida, como armazenamento de energia, os módulos de baterias são frequentemente reconstruídos ou integrados em diferentes sistemas, onde são submetidos a condições operacionais menos exigentes do que no uso automotivo, como vibrações menores, e onde sua vida útil pode ser ainda maior.

Eletrônicos com resfriamento líquido

O resfriamento líquido tornou-se o padrão em todas as baterias de VE, exceto nas menores, enquanto, em aplicações de data centers, está passando dos racks que abrigam sistemas de processamento para os próprios chips. Isso também começa a ser utilizado em inversores de VE de alta potência, embora não da mesma forma que nos data centers. O resfriamento direto no chip se baseia nos mesmos princípios fundamentais de TIM dos outros métodos avançados de resfriamento, mas suas exigências são muito mais rigorosas. Como esses sistemas operam com um fluxo de calor local extremamente alto, eles exigem espessura das linhas de conexão rigorosamente controlada, planicidade excelente da placa fria e carga mecânica precisa. Até pequenas variações podem ampliar a gravidade dos pontos quentes, aumentar o estresse termomecânico e comprometer a confiabilidade do pacote. Portanto, o resfriamento direto no chip eleva a importância do desempenho do TIM, transformando o que muitas vezes é uma escolha de material em um problema de projeto do sistema como um todo.

À medida que os sistemas de resfriamento se aproximam do chip de SiC, o papel do TIM muda da condução térmica em massa para uma engenharia de interface precisa. Nesse contexto, linhas de ligação ultradestilhadas, contato sem vazios, mitigação de tensões e confiabilidade sob transientes térmicos rápidos tornam-se fatores críticos.

Problemas relacionados a materiais sólidos

Baterias de estado sólido emergentes prometem maior densidade energética, mas geram novas tensões termomecânicas nas interfaces com os elementos de resfriamento. Nas células de íon-lítio atuais, os TIMs são frequentemente projetados para absorver inchaço e movimentos ao longo da vida útil da bateria; no entanto, as exigências serão afetadas por células que incham de maneiras diferentes das atuais células em formato de bolsa e prismáticas.

Em sistemas de estado sólido, a exigência passa a ser a manutenção de um contato preciso e uniforme em um ambiente mecânico muito menos tolerante. Uma redução no inchaço, por exemplo, significa menos compensação natural para as tolerâncias, aumentando a importância de um contato estável sob pressão controlada.

Isso significa que a próxima geração de materiais isolantes térmicos precisará fazer mais do que simplesmente absorver movimentos e oferecer um equilíbrio rigorosamente controlado entre conformidade, estabilidade dimensional, desempenho térmico e confiabilidade de interface a longo prazo. O desafio passa a ser menos sobre o controle da expansão e mais sobre a preservação do contato, já que até pequenas mudanças na interface podem ter um impacto muito maior do que antes. Os materiais isolantes térmicos serão avaliados menos pela condutividade máxima e mais pela estabilidade interfacial a longo prazo, conformidade e comportamento mecânico previsível ao longo da vida útil do componente.

Também é importante distinguir entre a expansão das células na direção horizontal, ou seja, a expansão entre as células, e a carga na direção vertical, onde o material de interface térmica geralmente está localizado abaixo das células. A expansão costuma ser mais limitada verticalmente, portanto as exigências das baterias de estado sólido provavelmente não representarão um desafio fundamental para os desenvolvedores de materiais de interface térmica.

Sob a perspectiva do gerenciamento térmico, o efeito pode ser mais de evolução do que de interrupção. Por exemplo, projetos futuros das células podem direcionar a expansão para áreas específicas enquanto a limitam em outras. Se apenas parte da superfície da célula puder ser utilizada para dissipação de calor, a área disponível pode se tornar menor, mas isso pode ser compensado com materiais térmicos de maior desempenho.

Por enquanto, as necessidades das baterias de estado sólido parecem estar impulsionando o desenvolvimento de materiais condutores térmicos de ligação sólida altamente flexíveis, com condutividade térmica variando de 1,3 a 2,0 W/mK. No momento da redação deste texto, isso não difere significativamente do desempenho dos materiais TIM para baterias que os principais desenvolvedores já estão criando.

A maior densidade energética provavelmente aumentará a demanda por uma melhor condutividade térmica, mas isso já é alcançável. Em eletrônica de potência, materiais com condutividade térmica significativamente maior do que a dos soluções TIM atuais para baterias já estão sendo utilizados.

Tal como em muitas áreas da tecnologia relacionadas com a mobilidade elétrica, as exigências em termos de desempenho, fabricabilidade, vida útil prolongada e menor impacto ambiental dos materiais de interface térmica estão a tornar produtos que antes eram simples muito mais complexos em termos da engenharia envolvida na sua produção.

Agradecimentos

O autor gostaria de agradecer a Holger Schuh, gerente sênior de tecnologias térmicas e de processamento na Henkel; Wolfgang Hoefer, líder da unidade de negócios na Kerafol; Eric Wyman, gerente de desenvolvimento de negócios na Parker, e Shane Thompson, gerente de engenharia em tecnologias de materiais eletrônicos, também na Parker; além de especialistas da Saint-Gobain.

Alguns fornecedores de materiais de interface térmica

C-Therm

Dow

Gravic Group

HB Fuller

Henkel

KERAFOL

Laird

Parker

Saint-Gobain

Sika