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Le paste termo conduttive.

La necessità dei dissipatori

I componenti elettronici, durante il funzionamento, generano calore in quanto ne producono in quantità più o meno grande, disperdendo parte dell' energia richiesta all' alimentazione.

Questo calore può assorbire anche una parte consistente dell' energia disponibile, trasformandola con l' effetto Joule sulla caduta di tensione delle resistenze interne.

In componenti complessi, come le CPU, che sono essenzialmente dei circuiti a commutazione, con i soli stati on/off ammessi dalla logica binaria, la struttura interna a transistor MOS-CMOS e le geometrie a spessori sempre più bassi mantengono basse le cadute di tensione di conduzione, ma l' altissima densità di integrazione (milioni di transistor) e le frequenze di lavoro molto alte (da MHz a GHz), con le relative perdite di commutazione, fanno si che anche in questi casi siano in gioco da alcuni watt a molte decine di watt di calore da smaltire.

Smaltire perchè il problema è grave: le dimensioni dei chip sono molto piccole, dell' ordine dei millimetri quadrati, e l' energia termica, concentrata in uno spazio così ridotto, se non viene smaltita, porta rapidamente ad un innalzamento della temperature tale da fondere il silicio dei chip e a distruggerli completamente.

Dunque è obbligo assoluto far si che il calore sia condotto via dal componente nel modo più efficace possibile e la temperatura del chip si mantenga ben lontana da quella critica.

Ora, l' unico modo semplice che conosciamo per smaltire il calore è quello di dissiparlo nell' ambiente circostante, ovvero nell' aria dell' atmosfera.

Lo facciamo, ad esempio, con i motori dei veicoli. Lo facciamo anche, e nello stesso modo, con i semiconduttori.

Per passare il calore da un punto caldo all' ambiente la via più semplice è quella di far si che il punto caldo non sia un punto, ma una superficie più ampia possibile. E questo si ottiene aggiungendo una superficie radiante, una alettatura, il "dissipatore".
Sempre per esemplificare, le grosse alettature dei cilindri dei motori motociclistici sono un esempio di questo principio.

Senza scendere in formule e particolari, possiamo dire che lo scambio del calore fra la sorgente e l' aria ambientale è tanto maggiore quanto maggiore è la superficie delle alettature.

I materiali più usati nell' elettronica sono alluminio e rame, entrambi buoni conduttori di calore e nello stesso tempo facili da lavorare per ottenere sagome complesse come quelle visibili qui a lato.

Un ulteriore miglioramento del pompaggio di calore dal semiconduttore si otterrà associando al radiatore una ventola che forzi un flusso di aria sulle alettature.

Si potrà poi utilizzare anche altri sistemi più complessi, come heatpipes, circolazione di liquido, sistemi frigoriferi. In ogni caso, comunque, il concetto è quello di trasferire il calore dal semiconduttore all' ambiente nel modo più efficiente possibile.
Una serie di pagine di approfondimento sul raffreddamento dei semiconduttori le trovate qui.

Nel motore della moto l' alettatura fa parte della struttura metallica del cilindro e quindi il calore prodotto nella camera di scoppio passa all' ambiente attraverso questo, direttamente.
Per i componenti elettronici il problema è differente: se facciamo riferimento al piccolissimo chip, racchiuso nel piccolo package, il sistema di raffreddamento deve essere sovrapposto a questo package, perchè ben raramente ne fa parte. Quindi, il calore prodotto dal chip deve passare al package, da questo al radiatore posto a contatto con il package e finalmente dissipato nell' ambiente.

La quantità di calore che viene trasferita tra due superfici in contatto dipende dall' ampiezza delle superfici e dalla qualità del contatto; il package del semiconduttore deve essere a contatto con il dissipatore nel modo più perfetto possibile: dato la superficie di contatto è molto limitata, occorre che la "qualità" di questo contatto sia la migliore possibile.
E come "qualità" intendiamo una "resistenza termica" -ovvero la resistenza al passaggio del calore- che dovrà essere quanto minore possibile.

Calore che segue questo percorso:

é generato dal chip contenuto nel suo package (ovvero il contenitore del chip)
trasmesso al package
passato al radiatore attraverso la superficie di accoppiamento (TIM)
disperso nell' ambiente dalle alette del dissipatore, per convezione / irraggiamento naturali o con l'aiuto del flusso d' aria generato dalla ventola.

Per chi avesse dubbi sul concetto , pensate a termosifoni: la caldaia scalda l'acqua che circola poi nei termosifoni, dove il calore passa dall' acqua al metallo e dal metallo all'aria e scalda la stanza. Per ottenere un riscaldamento più rapido dell' aria usiamo radiatori dotati di ventole.

Ed è qui che diventa indispensabile la pasta termo conduttiva, detta impropriamente pasta termica.

Per conoscenza, in inglese la definizione di questi prodotti è TIM - Thermal Interface Material e ne fanno parte non solo le "paste", ma una discreta varietà di soluzioni per accoppiare termicamente due superfici.

Ma esattamente, a cosa serve?

Questo è importante da sapere.

	Nel disegno a lato, una sezione delle due superfici da mettere in contatto. Queste, anche se hanno una finitura estremamente precisa, anche se sembrano molto lisce e piane, a livello microscopico sono molto irregolari: per quanto sembrino lucide ed uniformi è normale che esistano irregolarità tra 0.003" e 0.008", il che impedisce un completo contatto tra le parti che vengano sovrapposte.
E' causa dell' attrito, ma è causa anche di un altro problema: l' area di contatto reale tra semiconduttore e radiatore non è quella visibile, ma, in realtà, è molto minore, limitandosi ai punti in cui le cuspidi delle irregolarità vengono a contatto.
	Il calore passa da un materiale ad un altro materiale attraverso il contatto (conduzione) e la quantità di calore che viene trasmessa dipende da vari fattori, tra cui i più significativi sono è la capacità del materiale di condurre il calore e l' estensione della superficie in contatto.

Si deve considerare che l' aria ha una bassissima conducibilità termica, ovvero conduce male il calore, circa 0.026 W/m°K (contro, ad esempio, il rame che ha una conducibilità di 350-380 W/m°K ). Ne risulta che lo scambio di calore fra le due superfici tra le quali è interposta dell' aria è poco efficace: nella sovrapposizione imprecisa tra le superfici, le sacche di aria costituiscono una effettiva riduzione della superficie di contatto tra i due materiali.
Siccome la quantità di calore che passa attraverso il contatto dipende dalla sua superficie, un cattivo contatto riduce le possibilità del calore generato dal chip di raggiungere l' aria dell' ambiente attraverso il dispositivo di raffreddamento, per essere scaricato nell' atmosfera.

Una finitura meccanica di qualità molto elevata (a specchio) è una possibile soluzione, ma, a parte il costo, non è sempre praticabile e, comunque, non garantisce una sovrapposizione perfetta delle due superfici. E' pensabile ridurre questi vuoti esercitando una pressione che spiani le irregolarità, ma questo è difficilmente applicabile a materiali delicati come chip elettronici: non è possibile aumentarla più che tanto, dato che il corpo del package dei semiconduttori è generalmente realizzato con resine epossidiche e rischierebbe di essere danneggiato e le parti metalliche, realizzate con materiali relativamente morbidi, potrebbero essere deformate, peggiorando la situazione.

Inoltre, anche aumentando di molto la pressione, comunque una parte di cavità piene di aria è ineliminabile: il volume di aria imprigionato tra le superfici penalizza sensibilmente lo scambio del calore.

E' inevitabile che, accoppiando due superfici con la semplice sovrapposizione, si formino dei punti di contatto e dei vuoti irregolari e, in sostanza, ci si trovi con una superficie di contatto ridotta: il calore generato dal semiconduttore si troverà una via ristretta per passare dal chip al dissipatore (dato che il calore passa male nell' aria e bene nei punti di contatto).

La pasta termica serve a riempire questi vuoti con un composto che conduce bene il calore e quindi a fornire un mezzo per "ampliare" al massimo la superficie attraverso cui passa il calore e trasferirlo con la massima efficienza disponibile, anche se il livello di finitura meccanica , come nel caso delle CPU e dei radiatori, non é il massimo della perfezione.

La conducibilità termica di un compound termo conduttivo è molto elevata e dipende da come sono realizzati e può arrivare a 10 W/m°K o più.

Solitamente si tratta di miscele di oli sintetici o silicone a cui sono addizionati ossidi metallici micronizzati (zinco, alluminio, argento).

Va osservato che il composto è conduttore termico, ma è un cattivo conduttore elettrico.

La pasta termo conduttiva viene applicata sulle superfici in un velo quanto più possibile uniforme e sottile: se osserviamo la conducibilità termica del compound, vediamo che è molte volte migliore di quella dell' aria, ma è comunque inferiore a quella di un metallo. Quindi la pasta termo conduttiva NON deve sostituirsi al contatto tra il metallo del dissipatore e il semiconduttore, ma il suo scopo è quello di riempire i gap di aria nel contatto.
Lo strato deve essere sottile in quanto NON deve sostituire il contatto tra metallo e metallo delle due superfici, ma deve riempire gli spazi vuoti tra le due. E deve essere uniforme per evitare il formarsi di bolle o dossi che la pressione non riuscirebbe a spianare. Un eccesso di pasta termo conduttiva è, dunque, da evitare in quanto controproducente.

Alcune FAQs

Dove é usata ?
La pasta termo conduttiva é di uso comune nell'industria elettronica in tutte le applicazioni che impiegano semiconduttori o altri dispositivi di potenza (ovvero che producono calore) collegati a sistemi di dissipazione del calore (radiatori), come transistor, LED, diodi, resistenze, ecc..
E' adatta per temperature elevate?
I semiconduttori hanno come massima temperatura di giunzione 125-150 °C, che si riflette in una temperatura della superficie esterna che raramente va oltre i 100 °C.
Per contro, altri componenti, come ad esempio resistenze, possono superare ampiamente questa temperatura. Le paste termo conduttive specifiche per semiconduttori hanno elevate prestazioni nel trasferimento del calore, ma non sono previste per essere usate a temperature superiori a quelle raggiungibili dai semiconduttori stessi. Di conseguenza, applicazioni con temperature più elevate richiedono compound termo conduttivi differenti.

É necessaria ?
Assolutamente indispensabile.
Come abbiamo detto, i punti di contatto tra superficie del package e radiatore ci sono, ma non coprono tutta la superficie possibile . Se voglio avere il massimo del trasferimento termico (ovvero semiconduttore piú freddo) devo migliorare al massimo l' accoppiamento termico tra la sua superficie ed il radiatore, in modo che la massima quantità di calore passi senza ostacoli dal chip all' ambiente.
Inoltre, piú il semiconduttore produce calore, piú é necessario che il raffreddamento sia efficiente e più la superficie del semiconduttore è piccola, maggiore diventa la criticità dell' accoppiamento termico con il dissipatore. E' anche da considerare che l' emissione di calore aumenta in modo quadratico con l' aumento della corrente assorbita (e con l'aumento della frequenza di lavoro).

Particolarmente importante è il caso in cui la superficie del semiconduttore sia molto ridotta, ma debba dissipare una grossa potenza, come per gli FCPGA utilizzati per le CPU dei personal computer (30 e più watt su una superficie di mm²) o i componenti in package TO-220, che, senza radiatore, si danneggiano in pochi minuti.

Anche componenti con superfici di scambio ampie, come le CPU con ampio coperchio metallico, richiedono un buon contatto con il dissipatore, dato che si trovano a trattare potenze di 100W e oltre.

Nonostante la continua riduzione degli spessori dei chip vale sempre la formula: piú prestazione = piú calore.
Se poi voglio overclockare, allora il problema del controllo della temperatura é fondamentale.

Che cosa é chimicamente ?
Ci sono diverse composizioni chimiche che hanno come caratteristica comune un buon indice di trasferimento del calore.
La conducibilità termica è ottenuta addizionando metalli od ossidi metallici, termicamente conduttori, al compound, che è costituito da una base di oli sintetici o siliconici. Gli ossidi metallici, che devono avere purezza particolare, sono micronizzati e mescolati con materiale di supporto, che assicura la sufficiente fluidità. Le paste non siliconiche sono con silicato di sodi, poliolefine, epossidiche, poliesteri a basso peso molecolare, acrilici.
Tipicamente la matrice a base di silicone o olio sintetico è caricata con particelle di ossido di Berillio, nitruro di Alluminio, ossido di Alluminio, ossido di Zinco o Argento, per migliorare la conducibilità termica. Il colore dipende dal metallo incorporato; é in genere bianco o grigio se si tratta di ossidi metallici di zinco e alluminio, argenteo se addizionato ad Argento, blu-verde se addizionato con Berillio. Da notare che le paste al biossido di Berillio sono, di solito, sotto forma di collanti epossidici oppure di sagome ceramiche rigide, in quanto questo metallo è molto velenoso.

Posiamo elencare alcune soluzioni comuni:

- Ceramic: generalmente composto da una polvere ceramica sospesa in un fluido siliconico. Il colore della pasta è generalmente bianco.

- Metallic: contengono particelle di metallo, solitamente argento o alluminio. Hanno una conducibltà termica superiore alle precedenti, ma sono anche più costose. Colore argento metallico o grigio.

- Graphite basata su composti del carbonio, grafite, ma anche diamante, che hanno elevate conducibilità termiche, ma costi ancora più elevati. Colore chiaro o nero.

Esistono poi altri composti di natura diversa, sia con caratteristiche collanti, sia non collanti, di colore grigio o bruno o verde. Solitamente i collanti sono resine bi-componenti epossidiche che vanno miscelate prima dell' applicazione.

Principalmente per i semiconduttori (SCR, transistor di potenza, IGBT, MOSFET, raddrizzatori, ecc) sono state elaborate altre soluzioni che hanno lo scopo di evitare l' uso delle paste termoconduttive. Essenzialmente si tratta escludere la necessità di una operazione manuale di distribuzione della pasta, che, per la quantità delle parti e la loro piccola superficie, è poco pratica, oltre al probabile spargimento della stessa in aree vicine.

Sono stati realizzati, allora:
materiali plastici con elevata conducibilità termica, che, grazie alla superficie morbida, si adattano a riempire le aree vuote delle superfici di contatto. Sono molto impiegati dove occorre anche una elevata resistenza di isolamento oppure su aree molto vaste.
fogli di leghe metalliche morbide, solitamente ricoperte da un sottile strato carbonico, che da loro il tipico colore nero.
paste pre distribuite per serigrafia sull' area di contatto del radiatore; esse si sciolgono parzialmente con il calore, adattandosi e collegando termicamente le due parti in contatto
materiali plastici termo conduttori auto adesivi, solitamente in fogli trasparenti, che possono essere tagliati e sagomati nella forma della superficie di contatto. L' effetto collante permette al dissipatore, se non troppo pesante, di restare fissato sul componente senza altri ausili.
miche o plastiche termo conduttive pre spalmate di pasta termo conduttiva e protette da film plastico che va levato prima dell' uso.

Nella sezione finale dei link sono riportati i collegamenti ad alcuni produttori di TIM, così da poter dare una idea della varietà di soluzioni che l' industria propone per le più diverse situazioni.

Messa la pasta, la temperatura della CPU è alta...
Solitamente i compound termo conduttivi necessitano di un minimo tempo di assestamento per adattarsi meccanicamente tra la superficie del semiconduttore e quella del dissipatore applicato a pressione. Il calore prodotto facilita l' assestamento fluidificando il materiale. Questo effetto è molto accentuato con i pad termo conduttivi (vedi più avanti) auto sagomanti, che hanno bisogno di calore elevato per adattarsi alla forma di contato tra le superfici. Quindi è normale che sul subito la temperatura della CPU sia alta, ma si vede che questa scende rapidamente dopo qualche decina di minuti di uso.
Se la pasta l' avete applicata voi e dopo un certo tempo la temperatura resta molto alta, questo vuol dire che la quantità messa era troppo scarsa, o, più probabilmente, era troppo abbondante. O che la pressione del dissipatore sulla CPU è inadeguata.

Superstizioni

Come su tutte le cose poco conosciute , nascono varie superstizioni...

É di colore rosso...
In molti anni di lavoro non é mai capitato di vedere paste termiche di colore rosso. Nessuno nega che non possa esistere , peró ...
Per contro, i composti termoconduttivi piú comuni sono di colore bianco (siliconici e non, caricati con Ossido di Zinco), grigio (siliconici e non, con carica metallica di diversa natura), grigio argento (caricati con Argento), blu (con Ossido di Berillio), bruno (altri composti semi adesivi), verde, bordeaux scuro.
Rosso può essere un grasso che si usa per proteggere i contatti elettrici delle batterie degli autoveicoli, ma questo è un materiale del tutto inadatto a svolgere la funzione di pasta termo conduttiva.
É trasparente...
Sui colori, vedere la risposta precedente. Non può essere trasparente perchè i metalli con cui è caricata la rendono opaca. Non confondete i compound termoconduttivi con i siliconi usati come adesivi o sigillanti, che sono tutto un altro genere di prodotto (ved. più avanti). Semi trasparenti potranno essere i pad adesivi termo conduttivi, ma non sono paste.
É spray ...
Assolutamente no . Non é olio lubrificante e tanto meno crema solare !!!
Esiste in composti più o meno fluidi, da stendere con una spatola o con un pennello, o, nella produzione industriale, per serigrafia.
É la stessa che si usa in edilizia per i serramenti o per tappare fessure ...
Ohibó, questa é proprio una grossa "fessurìa"!
É composto siliconico anche quello , ma é selezionato per l'opposto , ovvero per ISOLARE il calore. Se usate "un silicone per edilizia", o qualsiasi altro prodotto analogo nelle grosse siringhe usate da falegnami, vetrai, ecc., correte il rischio di fare un discreto danno, sia perché é un isolante termico, sia perché di solito aderisce come collante, sia perché fino a quando non é asciugato completamente puó essere molto acido, corrosivo (soprattutto quelli acetici) e conduttore elettrico (proprio tutto l'opposto di quello che cerchiamo ...) .
Una volta applicata non si toglie piú
Ma va !
Le paste termiche, che spesso sono fluide, possono essere rimosse senza problemi. Anche se sono seccate con il tempo, la loro eliminazione è semplice, usando gli appositi liquidi solventi.
É chiaro che, se invece di una pasta, si usa un adesivo termico, sicuramente si avranno problemi di distacco delle superfici (dato che compito di un adesivo è quello di aderire...), ma si tratta di un altro tipo di prodotto .
Da notare, però, che alcune paste, invecchiando, anche se non sono dichiarate collanti, tendono a seccare e ad aderire alle superfici su cui sono state deposte.
Come consistenza, la maggior parte delle paste termiche somiglia ad una crema per le mani e si elimina con uno degli appositi liquidi di pulizia, con i quali non si rischia di danneggiare i chip con solventi inadatti o manovre sballate.
Diverso é il caso degli adesivi termoconduttivi, che , essendo "adesivi", una volta messi possono essere molto, molto difficili da togliere. Solo se dovete incollare in modo permanente, ovvero non prevedete la possibilità di "scollare" in futuro, usate un adesivo. Tentativi di distacco dei dissipatori dai chip su cui sono stati incollati possono portare al danneggiamento del chip stesso.
Bisogna rimetterla periodicamente ...
Da dove nascano certe informazioni é molto difficile da capire . La pasta termo conduttiva non va "cambiata", né "aggiornata" in alcun modo: non si consuma !
Piú ne metto e meglio é
Per niente.
Uno degli errori più comuni fatto dagli hobbisti (e molti " professionisti" ....), è il presumere che se un poco compound termo conduttivo è buona cosa, molto deve essere migliore.
Sfortunatamente non è assolutamente così!
Il concetto non é quello di sostituire le superfici di contatto con la pasta, la quale ha una conduttività termica migliore dell' aria, ma minore del contatto diretto tra metalli, ma di completare il riempimento dei micro volumi di aria. Per cui basta uno strato sottile. Uno spesso strato é controproducente. Se è troppa, si provoca un aumento della resistenza termica, dato che la pasta ha una sua resistenza termica che è maggiore di quella che si ha all' accoppiamento diretto delle superfici metalliche.
La quantità di pasta termica dovrebbe essere precisamente quella che assicura l' eliminazione dei gap di aria. E questo corrisponde ad uno strato sottile ed uniforme, quasi trasparente.
La funzione della pasta, ripetiamo, è quella di compensare i vuoti dovuti alla imprecisione delle superfici di accoppiamento, non a fare da cuscinetto tra le due superfici.
C' é pericolo di cortocircuiti
Le paste termo conduttive per elettronica sono studiate per non acide, non corrosive e non conduttrici di elettricità, anzi, solitamente, sono buoni isolanti elettrici. Questo non toglie che é meglio non sbrodolarne un chilo sui componenti in vista o sul circuito stampato, non per un inesistente pericolo di corto circuiti, ma perché:

- non semplice da rimuovere da superfici complesse

- può avere un effetto capacitivo (data la carica metallica in un mezzo isolante) che altera le temporizzazioni più critiche. Il risultato dello sbrodolamento è il malfunzionamento delle parti sbrodolate

- e, peggio di tutto, non deve andare a finire nello zoccolo o tra i pin della CPU o della RAM o di connettori vari, perchè può rendere inutilizzabile tutto quanto (proprio grazie al suo effetto isolante) e alla difficoltà di rimozione da queste superfici. In casi del genere l' unica soluzione finisce per essere un lavaggio a ultrasuoni.
Si possono usare dentifrici e margarina...
Il WEB è sempre fonte di sorprese, ma va detto che Erasmo, contrariamente a quanto molti credono, non elogiava la gretta stupidità, ma, semmai, la follia nel senso del discorso di Jobs a Stanford. Comunque sulla vostra CPU o sui vostri finali di potenza potete mettere quello che volete, anche la pasta di mandorle o il miele. Però, non dovrebbe essere necessaria una laurea per capire che, se molte sostanze hanno una buona conduttività termica, questo non basta a renderle adatte allo scopo. Infatti, qualsiasi prodotto naturale, cibo o medicinale, potrà avere in un certo momento queste buone caratteristiche, ma, invecchiando e, sopratutto, sottoposto a calore e pressione, le perderà rapidamente, diventando non solo inutile, ma dannoso, se pure non avrà la tendenza creare situazioni elettrochimiche corrosive.
La margarina non va già bene per l' alimentazione, figuriamoci come "pasta" termo conduttiva !
Sporca
Eh sì, sporca da matti! Questa non è una diceria, ma la realtà. In effetti si tratta di microscopiche particelle di metalli distribuiti un un supporto di grasso sintetico. La micronizzazione degli additivi è indispensabile ad avere la massima conducibilità termica diffusa, che il grasso di supporto fa penetrare negli interstizi più piccoli (d'altronde questa è la sua funzione!). Quindi basta una piccola quantità per sporcare mani, abiti e quant' altro venga a contatto. Vedi anche più avanti.

Alcuni consigli

Come faccio a metterla ?
Industrialmente si spalma con opportuni dosatori o con metodi serigrafici; per una singola CPU, usate un qualunque attrezzo sottile, come una spatola ricavata da una vecchia carta telefonica o dal plexiglas di una confezione blister, la lama di un coltello di plastica e simili.
Evitare assolutamente di metterne un tot al centro del semiconduttore e poi sperare che la pressione del dissipatore la spanda in modo uniforme: questo non accade, sopratutto se il compound termo conduttivo è piuttosto denso. Ma anche se è fluido, comunque la tendenza è quella di formare aree dove lo spessore è maggiore, con il risultato di non ottenere un buon accoppiamento. Ricordiamo che la pasta termo conduttiva NON sostituisce il contatto tra le superfici metalliche del semiconduttore e del dissipatore, ma ha lo scopo di migliorarne la qualità, riempiendo i volumi che altrimenti resterebbero vuoti.

Come faccio a toglierla ?
Le parti sporche si possono pulire meccanicamente oppure con solventi generici o meglio con gli appositi solventi specifici. Si può usare un liquido specifico (è la scelta migliore) oppure alcohol (propilico), benzina avio o altri solventi senza residui, come freon o il tetracloruro di carbonio (attenzione : leggere accuratamente le precauzioni di uso di questi liquidi prima di utilizzarli). Ovviamente è necessario che il solvente usato non sia nocivo per il materiale con cui sono composte le parti da cui si vuole rimuovere la pasta. Quindi vanno evitati solventi aggressivi o acidi. In particolare, per gli abiti, solitamente acqua, sapone e una spazzolina sono sufficienti a rimuovere la macchia, che, per sua natura, non si fissa sul tessuto, ma penetra profondamente tra le fibre grazie alla micronizzazione. Quindi, si tratta solo di lavarle via.

Attenzione alle macchie sugli abiti in materiale sintetico, che potrebbero essere rovinati da solventi inadeguati.

Fortunatamente esistono liquidi specificamente progettati per eliminare i residui delle paste termo conduttive e il cui uso si consiglia vivamente, dato che funzionano veramente bene. Nella foto, ArctiClean di Arctic Silver.

Devo pulire le superfici?
Ovviamente. Va eliminata ogni traccia di paste precedenti, grasso, sporco, tutte cose che peggiorano l' accoppiamento termico. Va evitato assolutamente di mescolare prodotti diversi, perchè non si può prevedere se daranno origine a reazioni chimiche spiacevoli. Se deve essere posta altra pasta di marca differente è opportuno sgrassare bene le superfici usando gli appositi liquidi di pulizia visti sopra, che sono quelli che danno i risultati migliori.
Come faccio a pulire le superfici ?
Uno straccetto pulito o dei bastoncini con ovatta (tipo cotton fioc) sono attrezzi adatti, ma molto meglio quelli appositi, ad esempio in tessuto-non tessuto, che non lascia peli.
Certamente sono da evitare attrezzi metallici, pagliette e simili perchè si rigano le superfici, riducendo la qualità di un successivo accoppiamento.
Si deve, in generale, evitare nel modo più assoluto di usare acqua per pulire superfici di componenti per elettronica, in quanto le impurità sempre presenti rischiano di generare fenomeni di ossidazione e ionici che danneggiano irrimediabilmente i materiali.
Per piccole superfici ricche di protuberanze, come capita per zoccoli, connettori, circuiti stampati, l' unica possibilità per una pulizia completa è un lavaggio a ultrasuoni.
Ovviamente è da evitare il ri-sporcare le superfici di contatto appena pulite, anche solo toccandole con le dita: il grasso naturale della pelle è un cattivo conduttore di calore, oltre ad essere acido ed avviare processi ossidativi sui metalli.
Ci sono particolari precauzioni per l' uso ?
Dipende dalla composizione chimica del prodotto. Solitamente si tratta di composti innocui al contatto, ma non certo adatti da spalmare sul pane !
E' opportuno consultare le istruzioni del produttore a riguardo e i fogli della sicurezza. Valgono comunque le precauzioni generali dettate dal buon senso quando si maneggiano sostanze chimiche di qualsiasi genere, ovvero :
- Non ingerire
- Non mandare in contatto con occhi, naso, orecchie, labbra
- Tenere lontano dai bambini.
- Non fumare e non mangiare durante l' uso. Non contaminate cibi e bevande
- Lavorare in ambienti puliti ed areati

Il pad termoconduttivo (thermal pad)

Il dissipatore delle CPU "in box" oppure dissipatori di varie marche, sono forniti con una dose di pasta termo conduttiva già applicata oppure con un thermal pad (placca termoconduttiva) già posizionato. Questo viene fatto per rendere più semplice la vita all' utente, che, se poco esperto, avrebbe certo difficoltà a tribolare con tubetti e siringhe e potrebbe non ottenere un risultato soddisfacente. Ha lo stesso scopo della pasta termo conduttiva che si applica a mano.

Ne esistono diverse versioni; in genere si tratta di una pasta morbida o consistente; quest'ultima si fluidifica ulteriormente con il calore e prende la forma esatta delle due superfici da accoppiare. L' eccesso è spinto ai lati dalla pressione tra radiatore e semiconduttore.

	Riquadro termo conduttivo ad ossidi metallici (grigio) applicato su un un radiatore per Intel socket 604. La paste termo conduttive morbide possono essere pre distribuite attraverso un procedimento serigrafico.
	Pad termo conduttivo (verde) applicato su un radiatore in rame/alluminio per FCPGA

	Si può trovare applicato anche un foglio di metallo morbido e sottile (solitamente alluminio), incollato sul dissipatore e con il lato che poggia sulla CPU ricoperto di un materiale termo conduttore, solitamente nero (carbonio). Nella foto a lato, foglio metallico applicato su un radiatore per CPU Intel. Questa non è una pasta termoconduttiva, ma un materiale di giunzione termica tra due superfici (TIM).
Una soluzione di questo genere viene usata industrialmente in quanto non sporca, e semplice da posizionare (un lato è auto adesivo) ed ha un costo limitato. Per contro non è il materiale con la minore conducibilità termica.
	Nella foto a lato, pasta all' ossido di zinco depositata per serigrafia su un radiatore per CPU Intel Come tutti i pad, è un bonus offerto dal costruttore del radiatore che , con questo sistema, applica la giusta quantità di termo conduttore nella giusta posizione ed evita all' utente questa fase che spesso viene eseguita in modo improprio.
Attualmente il metodo più diffuso è quello di applicare una pasta ad ossidi metallici attraverso la serigrafia, ma non sulla superficie completa del contatto, bensì a strisce. I
	l principio è analogo a quelle del primo genere visto, ma, data la maggior conduttività della paste, si preferisce disporla in bande in quanto col calore e la pressione, lo spazio tra una striscia e l' altra sarà riempito in fase di assestamento a causa delle pressione che unisce le due parti. Questo permette di usarne una quantità minore ed ottenere ugualmente un contatto di qualità. Questa modalità è quella impiegata attualmente da Intel per i suoi radiatori delle CPU "in box". A lato, pasta a "strisce" su un dissipatore per CPU Intel FCPGA.
	Analoga soluzione di pasta a "strisce", su un dissipatore Intel per socket 1156. In entrambi i casi, una volta riscaldato e compresso, il materiale da origine ad un'area di accoppiamento rettangolare. Rispetto alle soluzioni precedenti, si nota la diversa forma del dissipatore, con le alette raggiate rispetto al centro che poggia sul processore. Le alette sono a loro volta biforcate per aumentare ulteriormente la superficie di scambio termico, su cui una ventola incorporata nel dissipatore invia una robusta corrente di aria, ottenendo un elevato rendimento.

Maneggiando il dissipatore, è chiaro che lo strato di pasta predisposto dal costruttore non va toccato con le dita, nè danneggiato graffiandolo o asportandolo parzialmente.
Questi materiali non si prestano ad un distacco della CPU dal radiatore e da un successivo ri posizionamento. In particolare le paste termo sagomate, perchè un successivo ri accoppiamento delle superfici non sarà più ottimale; se si rimuove il radiatore dopo averlo applicato e usato, è consigliabile eliminare completamente il vecchio pad e utilizzarne uno nuovo, se disponibile, oppure applicare la normale pasta termo conduttiva.
Da notare che alcune paste, principalmente quelle termo sagomanti, ma anche altri tipi, invecchiando, anche se non sono dichiarate collanti, tendono ad aderire tenacemente alle superfici su cui sono state deposte.
Per separare il radiatore dal semiconduttore, tirare è la via migliore per fare danni.
In particolare per chip BGA (GPU, chip di memoria) saldati sulla scheda. Per separare le due parti è possibile provare a far funzionare l' apparecchiatura qualche minuto: il calore ha la tendenza rendere più morbido il materiale e a facilitare la separazione.
Anche nel caso di vecchie CPU con pin (socket 478, socket A e simili) è possibile che la pasta termo conduttiva applicata sia seccata ed abbia perso fluidità. Il risultato è che il dissipatore è tenacemente incollato al processore. Questi socket hanno la leva di chiusura che rimane al di sotto del dissipatore e con questo installato sul processore non è possibile manovrarla. Tirando, si ha come risultato che la CPU viene "estirpata" dal socket assieme al dissipatore, anche se lo zoccolo è in posizione di chiuso. Questo può danneggiare lo zoccolo o il processore. Anche qui è possibile che, provando a far funzionare l' apparecchiatura qualche minuto, il calore renda più morbido il materiale e faciliti il distacco.
In relazione al punto precedente, per piccoli semiconduttori SMD solitamente i costruttori utilizzano adesivi termo conduttivi: la separazione del dissipatore dal componente può essere impossibile senza fare danno o comunque molto problematica. Prima di tirare, verificate...

Pad elastomeri

Meno comune con le CPU l' uso di uno speciale materiale plastico (elastomeri termo conduttivi),dall'aspetto di un cerotto gommoso, con caratteristiche di conduttore termico, a volte bi adesivo per facilitarne l' installazione.
Si tratta per lo più di gomma siliconica, con conducibilità termica tra 0.30 e 1 K/W a seconda dello spessore. Assicura un buon contatto superficiale e permette di ridurre i costi di montaggio. Si trova sia già sagomato per adattarsi ai vari packages, sia in fogli che si tagliano su misura a seconda delle superfici.
L' industria lo utilizza in grande quantità principalmente con lo scopo di isolare elettricamente tra di loro diversi semiconduttori (diodi, transistor, MOSFET, regolatori, ecc) fissati sulla stessa aletta di raffreddamento.

Il problema deriva dal fatto che la maggior parte dei semiconduttori di potenza ha l' area metallica di fissaggio elettricamente collegata ad un pin; questo fa si che sia necessario un isolamento elettrico per evitare corto circuiti nel caso in cui diversi semiconduttori, sottoposti a tensioni diverse, sono assemblati su una unica superficie di raffreddamento. In questo caso è importante sia il passaggio del calore, sia il grado di isolamento elettrico fornito dai pad.

Nella foto a lato si nota un gruppo di diodi, in package TO-220 e TO-247, isolati con pad termico dall' aletta di alluminio (da un alimentatore per PC).

Il pad in questo caso è di colore grigio, ma ce ne sono anche rosa o azzurri. Esso accoppia termicamente i transistor al radiatore e li isola elettricamente nello stesso tempo. Uno spessore di 0.2 mm ha una tensione di rottura di 3 kV, che salgono a 15kV per uno spessore di 0.9 mm.
Particolare ulteriore, possono lavorare tra -60 °C e +180 °C, temperature che poche paste termo conduttive possono sopportare. Da un punto di vista merceologico, questi pad sostituiscono i fogli di mica usati ampiamente nel passato ed ora meno comuni per il loro costo più elevato.

Un altro impiego dei pad è quello di isolare dal dissipatore semiconduttori che lavorano a tensioni elevate per evitare che la tensione sia accessibile sull'aletta e risulti pericolosa per un eventuale contatto accidentale.
Fogli di elastomeri termo conduttivi molto morbidi sono utilizzati anche per accoppiare intere superfici di circuiti stampati con superfici metalliche radianti. Thermal pad di questo genere si possono acquistare facilmente sia sagomati che in fogli di varie misure.

Allora, in questi casi, non serve la pasta termo conduttiva ?
In questi casi, no. Non é piú necessario disporre della pasta, non ci si devono piú sporcare le mani o preoccupare dello spessore dello strato e l'accoppiamento termico radiatore-CPU é ottimale (proprio a questo mirano i costruttori fornendo lo strato termo conduttivo già installato).
Ovviamente è necessario che sia stato effettuato un corretto calcolo per il trasferimento del calore, dato che l' accoppiamento con plastiche termo conduttive ha una resistenza termica maggiore di quello eseguito con paste termo conduttive.