IDTechEx riassume le tendenze, i vantaggi e gli svantaggi dei filler TIM
May 28, 2024
I materiali di interfaccia termica (TIM) sono sempre più adottati e si prevede che le dimensioni del mercato supereranno gli 8 miliardi di dollari entro il 2034. I riempitivi termici svolgono un ruolo cruciale nei TIM, in quanto influenzano direttamente proprietà come la conduttività termica, la viscosità, il costo, l'abrasività e molti altri fattori. I riempitivi per TIM sono in genere l'ingrediente più costoso nelle formulazioni di TIM; pertanto, la selezione dei riempitivi per TIM deve trovare un equilibrio tra una buona conduttività termica, proprietà meccaniche decenti e un prezzo accettabile.
Esiste una varietà di riempitivi per TIM, tra cui allumina, idrossido di alluminio (ATH), nitruro di alluminio (AlN), ossido di zinco (ZnO), ossido di magnesio (MgO) e nitruro di boro (BN). A seconda delle applicazioni e dei requisiti richiesti, i materiali di carica, le dimensioni delle particelle e la miscelazione delle cariche sono di proprietà dei formulatori TIM. Di seguito sono riportati alcuni risultati interessanti basati sul confronto di diversi materiali di riempimento, mentre un'analisi più approfondita è contenuta nella nuova ricerca di mercato di IDTechEx, "Materiali di interfaccia termica 2024-2034: tecnologie, mercati e previsioni".
Le cariche di allumina sono le più utilizzate nel mercato attuale. Sono efficaci per aumentare la conduttività termica delle resine epossidiche a un costo contenuto (5,5-6,5 USD/kg, con la possibilità di scendere fino a 2-3 USD/kg). Vale la pena notare che i prezzi dipendono in larga misura dalle dimensioni del riempitivo, dal grado, dalla geometria e dal volume degli ordini. Oltre alla conduttività termica, i riempitivi di allumina presentano anche una bassa conduttività elettrica, che li rende ideali per le applicazioni elettroniche. Tuttavia, nonostante i loro vantaggi, i riempitivi di allumina presentano diverse limitazioni, come la conducibilità termica relativamente bassa rispetto ad altri riempitivi ad alte prestazioni, l'abrasività e la bassa viscosità ad alte percentuali di carico. I riempitivi di allumina possono essere suddivisi in allumina sferica e allumina macinata; l'allumina sferica ha in genere costi più elevati rispetto all'allumina macinata. Secondo la ricerca di IDTechEx, l'allumina macinata può ridurre i costi di circa il 50% rispetto all'allumina sferica. Tuttavia, l'allumina macinata, a causa delle sue geometrie spigolose, ha spesso una percentuale di caricamento molto più bassa.
Un'interessante tendenza dei TIM per le batterie dei veicoli elettrici (EV) è la transizione dall'uso di cariche di allumina a cariche di ATH. I riempitivi ATH hanno costi significativamente inferiori rispetto all'allumina (dal 20% al 40% in meno, a seconda del volume, dei fornitori e di molti altri fattori), ma comportano anche una minore conduttività termica. Tuttavia, grazie alla transizione della configurazione dei pacchi batteria dalla progettazione modulare alla progettazione cell-to-pack e persino alla progettazione cell-to-pack 3.0 di CATL, IDTechEx ritiene che la conduttività termica richiesta per i TIM nelle batterie EV dovrebbe diminuire da circa 3,5 W/mK in passato a circa 2,5 W/mK in futuro. Questa riduzione della conduttività termica apre ai produttori di EV la possibilità di utilizzare riempitivi ATH per ridurre ulteriormente i costi. Inoltre, i riempitivi ATH hanno anche una capacità di ritardare la fiamma in quanto possono decomporsi endotermicamente, rilasciando circa il 35% del loro peso come vapore acqueo, assorbendo così il calore e riducendo la fuga termica. Ulteriori dettagli su come la configurazione del pacco batterie EV influirà sulla conduttività termica e sui TIM impiegati nelle batterie EV sono contenuti nel rapporto IDTechEx "Materiali di interfaccia termica 2024-2034: tecnologie, mercati e previsioni".
Oltre ai riempitivi termici a basso costo, alcune applicazioni richiedono anche TIM ad alte prestazioni. Tra i TIM ad alte prestazioni comunemente utilizzati vi sono i riempitivi di nitruro di boro e i riempitivi di AlN. Tuttavia, le prestazioni elevate comportano costi elevati. Ad esempio, le cariche di BN possono costare 10 volte di più di quelle di allumina. Pertanto, per bilanciare le prestazioni di conducibilità termica e i costi, i formulatori di TIM di solito mescolano le cariche in cui le cariche primarie sono allumina a basso costo e le cariche secondarie sono cariche BN ad alto costo o altre. Inoltre, vengono comunemente utilizzate cariche TIM con particelle di varie dimensioni. Le cariche più grandi possono ridurre l'area superficiale specifica e la resistenza termica interfacciale, migliorando la conduttività termica. Tuttavia, le cariche di grandi dimensioni determinano un'elevata densità di difetti, che può ostacolare il trasferimento di calore. Per questo motivo, per ridurre la densità dei difetti, vengono impiegati come additivi riempitivi più piccoli.
Oltre ai riempitivi sopra citati, esistono anche opportunità per altri riempitivi come MgO, ZnO e molti altri, anche se ognuno presenta le proprie sfide, come la tossicità e i costi elevati. Per maggiori dettagli sul confronto tra i riempitivi TIM, si rimanda al nuovo rapporto di IDTechEx, "Materiali di interfaccia termica 2024-2034: tecnologie, mercati e previsioni".
Per saperne di più su questo rapporto, comprese le pagine campione scaricabili, visitate il sito www.IDTechEx.com/TIM.
Per l'intera gamma di ricerche di mercato sulla gestione termica di IDTechEx, consultare il sito www.IDTechEx.com/Research/Thermal.