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Il mercato oggi richiede dispositivi elettronici con funzionalità avanzate e dimensioni sempre più compatte. La tendenza alla miniaturizzazione pone i progettisti di fronte a sfide difficili, legate soprattutto alla crescente densità di integrazione dei componenti richiesti e agli inevitabili problemi di surriscaldamento.
In questo articolo vedremo come l’approccio sviluppato da Carbice Corporation, basato sull’utilizzo di nanotubi di carbonio, ha permesso di creare un efficace sistema di raffreddamento che combina le proprietà dei materiali di interfaccia termica (TIM) sia liquidi che solidi in un unico soluzione.
Carbice senza compromessi TIM
Carbice, un’azienda con sede ad Atlanta, ha coltivato, applicato, personalizzato e prodotto nanotubi di carbonio a un costo accessibile, fornendo soluzioni scalabili che soddisfano i requisiti delle applicazioni più esigenti di oggi.
La tecnologia Carbice Nanotube si basa su nanotubi di carbonio allineati legati in modo covalente a un nucleo di alluminio. Carbice TIM supera i limiti dei TIM precedenti, come conduttività termica troppo bassa, resistenza termica troppo elevata e complessità di produzione.
Inoltre, le prestazioni dei TIM convenzionali si degradano nel tempo a causa di complessi cambiamenti termo-meccanici che si verificano sull’interfaccia tra diversi materiali durante il ciclo. Ciò, a sua volta, compromette le prestazioni complessive del dispositivo e ne riduce la durata.
La TIM sviluppata da Carbice è denominata no-compromise perché presenta sia i vantaggi delle TIM solide (elevata conducibilità termica e facilità di elaborazione) che quelle liquide (bassa resistenza dell’interfaccia termica), ma senza nessuna delle loro limitazioni. Carbice TIM ha una grande conducibilità termica e una bassa resistenza termica, è facile da lavorare e non si degrada nel tempo e nel ciclo.
Come mostrato nella Figura 1, Carbice TIM (angolo in alto a destra) presenta sia una bassa resistenza termica che una resistenza termica stabile, superando le prestazioni dei materiali di interfaccia termica liquidi e solidi.
“In realtà ho avuto l’idea di Carbice dalla mia esperienza di lavoro in Intel. A quel tempo, il mio interesse era per il burn-in test, in cui avevano difficoltà a trovare un materiale di interfaccia termica sufficientemente affidabile o pratico da installare nella produzione ad alto volume”, ha affermato Baratunde Cola, CEO e fondatore di Carbice, in un’intervista con EE Times. “Quindi, ho pensato che sarebbe stato un approccio interessante utilizzare materiali robusti come i nanotubi di carbonio allineati verticalmente per soddisfare i severi requisiti meccanici e termici, con un processo di assemblaggio molto più semplice”.
Il materiale è costruito facendo crescere, su scala nanometrica, miliardi di nanotubi di Carbice allineati e termicamente conduttivi in modo che possano formare percorsi per consentire al calore di spostarsi dal lato caldo al lato freddo. Come mostrato nella Figura 2, questi nanotubi sono anche flessibili, possono piegarsi e rimbalzare per riempire gli spazi vuoti sull’interfaccia termica e adattarsi ai cambiamenti dinamici termo-meccanici dell’interfaccia durante il ciclo. Ciò consente a Carbice di ottenere prestazioni del dispositivo senza compromessi con una maggiore durata del dispositivo.
“Nel 2017 abbiamo iniziato a lavorare per qualificarci come fornitore di materiali per interfacce termiche per l’industria spaziale. Abbiamo superato tutti i test di affidabilità e il ciclo termico a lungo termine, e ci siamo riusciti, il che è enorme perché una volta che qualcosa è qualificato per lo spazio è praticamente qualificato per qualsiasi ambiente difficile. Lo spazio è poi diventato la nostra prima area di crescita delle attività commerciali”, ha affermato Cola.
Allo stesso tempo, la società ha avviato i test sui semiconduttori, che è stato il punto di partenza di Cola in Intel. Diversi tipi di materiali Carbice vengono effettivamente utilizzati dalle case automobilistiche per i test di affidabilità, ad esempio per valutare se i veicoli sono conformi ai requisiti automobilistici e possono funzionare con successo in condizioni di temperatura estreme, tipiche delle applicazioni automobilistiche.
I Carbice Pad sono sintonizzati per diverse esigenze, tra cui Ice Pad per applicazioni estese, Space Pad per cose che vanno nello spazio e Contact Pad per interfacce in cui i TIM tradizionali sono soggetti a usura estrema. Ice Pad fornisce il miglior raffreddamento per la maggior parte delle applicazioni, come processori di elaborazione di fascia alta, moduli di alimentazione per veicoli elettrici ed elettronica di consumo. Space Pad è un TIM senza compromessi qualificato TRL9 utilizzato per il raffreddamento di satelliti grandi e piccoli già in orbita ed è ora lo standard per lo spazio. Nel frattempo Contact Pad, il TIM più durevole, è progettato per soddisfare gli scenari difficili in cui sono necessari contatti di apertura e interruzione ripetuti o contatti scorrevoli, ad esempio per i test sui semiconduttori.
L’analisi condotta su diversi materiali ha dimostrato che dopo 2.000 cicli, la resistenza termica del grasso è 2,6 volte quella dell’Ice Pad e la resistenza termica del materiale a cambiamento di fase (PCM) è 1,4 volte quella dell’Ice Pad.
Inoltre, i clienti dello spazio privilegiato di Carbice hanno osservato ulteriori vantaggi forniti da Space Pad, come ad esempio:
- Lo stesso materiale può essere utilizzato sia per le prove a terra che in volo
- Risparmio di spazio, peso e costi
- Prestazioni di fine vita anche superiori alle prestazioni di inizio vita
“Sappiamo che all’interno dei veicoli ibridi ed elettrici, i semiconduttori funzionano solo al 60 o 70% della loro velocità nominale perché i TIM tradizionali come PCM e grasso si esauriranno e si degraderanno nel corso degli anni. Carbice Pad offre prestazioni affidabili durante il ciclismo che non causerebbero il declassamento del dispositivo e possono persino migliorare con il tempo”, ha affermato Cola.
Ciò significa che il sistema di raffreddamento può essere più compatto, possono essere progettati in modo diverso per risparmiare sui costi e sul peso, oppure puoi ottenere di più da un minor numero di semiconduttori nel tuo progetto.
Carbice SIM e Carbice Lab
Carbice ha recentemente lanciato un nuovo sito Web in cui la comunità tecnologica e ingegneristica può conoscere la tecnologia Carbice Nanotube e la Carbice TIM senza compromessi.
“La nostra SIM Carbice è il primo pacchetto di simulazione al mondo che consente di prevedere con precisione la conduttanza termica di un’interfaccia senza testarla. Ogni volta che i nostri clienti hanno un nuovo design, possiamo aiutarli a ottimizzarlo senza che i nostri clienti spendano molto tempo e denaro per i test”, ha affermato Cola.
Mentre Carbice SIM può prevedere con precisione la conduttanza termica in condizioni applicative reali senza esperimenti, Carbice Lab aiuta i clienti a ridurre i costi di qualificazione. Al Carbice Lab, un gruppo di ingegneri testa, simula, progetta e fornisce prodotti rivolti a diversi tipi di industrie, in modo che i clienti possano vedere i risultati da soli. Dalla prima richiesta al prodotto finito, i tempi di consegna possono essere di appena 14 settimane.
“Il nostro laboratorio di test, Carbice Lab, è il luogo in cui abbiamo svolto le qualifiche per i clienti. Riduce il tempo di commercializzazione dei nostri clienti, il che è un ulteriore vantaggio che apportiamo”, ha affermato Cola. “Vogliamo che diventi una risorsa comunitaria, dove gli ingegneri possano trovare il supporto di cui hanno bisogno per la progettazione termica”.
Secondo Cola, le industrie spaziali e automobilistiche sono grandi opportunità per i prodotti Carbice, poiché coinvolgono casi d’uso che presentano le condizioni più difficili. L’azienda soddisfa anche i requisiti dell’industria dei test sui semiconduttori, dove il materiale deve resistere a molte inserzioni di contatti cardanici.
“In Carbice abbiamo già conquistato i tre mercati più difficili in termini di qualifiche”, ha affermato Cola.
