Elegir el material de interfaz térmica adecuado: pasta, almohadilla o lámina

Elegir el material de interfaz térmica adecuado

El conocimiento de los requisitos de su aplicación son
la clave para seleccionar los materiales de interfaz térmica correctos

Cuando se trata de elegir el material térmico adecuado, muchas personas no están seguras de qué buscar exactamente. En este artículo, nos gustaría brindarle todo lo que necesita saber sobre los materiales de interfaz térmica.
Tan pronto como aumenta el rendimiento de los componentes, la necesidad de refrigeración también aumenta en consecuencia. Como regla general, la tasa de fallas se duplica por cada 10 °C de aumento en la temperatura de la unión. Como resultado, el calor de los componentes debe disiparse hacia el flujo de aire ambiente.
La demanda es grande, por lo que se han desarrollado un gran número de nuevos sistemas de gestión térmica. Casi todos estos todavía usan materiales de interfaz térmica (TIMS), que están diseñados para permitir el flujo efectivo de calor a través de las interfaces apropiadas de los sistemas de enfriamiento.
La tarea principal de los TIM es garantizar una transferencia de calor efectiva a los dispositivos de disipación, como disipadores de calor o colectores. A medida que fluye el calor, encuentra repetidamente una resistencia que complica e impide la transferencia de calor en general. Los TIM ayudan a superar las resistencias más problemáticas. Estamos hablando de la resistencia de contacto entre las contrapartes (fuente de calor-disipador de calor).
Esto se debe a que los espacios de aire reducen en gran medida el flujo de calor del componente caliente al componente frío. El TIM efectivo reemplaza los espacios existentes creados por las superficies de contacto no lisas. Esto se hace con la ayuda de un material especial, cuya conductividad térmica es significativamente mayor que la del aire. Aquí, la mala conducción de los puntos de contacto y el aire se reemplaza por una conducción significativamente mejorada a través de sólidos.
La mayoría de los TIM son compuestos a base de polímeros. Estos están llenos de partículas de relleno, que son térmicamente conductoras. Los rellenos comunes son óxido de aluminio, nitruro de boro, nitruro de aluminio y óxido de magnesio. Si no se requiere aislamiento galvánico, también se pueden usar rellenos metálicos como la plata. Para reducir la resistencia de contacto, se requiere una cierta cantidad de presión entre las interfaces. Esta presión luego comprime las partículas de relleno, permitiendo que el material fluya hacia las irregularidades de la superficie. Una vez que el material está en su lugar, la resistencia térmica efectiva de un TIM incluye la resistividad global del material y la resistencia de contacto entre el TIM y sus interfaces.

Problemas de aplicación de materiales de interfaz térmica

Aunque las interfaces térmicas y los TIM generalmente se consideran al principio del proceso de diseño, luego se deben considerar algunos factores específicos al seleccionar el material de la interfaz térmica:

• La especificación más importante es definitivamente la impedancia térmica, que se mide en grados Kin2/W. Esta es una medida específica de la aplicación de la relación
  la diferencia de temperatura entre dos superficies de contacto con el flujo de calor en estado estacionario a través de estas superficies. Debido a la presión de montaje adicional y al tamaño del área, el
  la impedancia térmica generalmente disminuye mientras aumenta con el espesor del TIM.
• La capacidad de un material para conducir el calor independientemente de su espesor se denomina conductividad térmica y se mide en W/mK. Si bien los TIM se pueden comparar con los valores de conductividad térmica, este valor no indica qué tan buena es la capacidad del material para minimizar la resistencia de contacto.
• La distancia (brecha) entre la fuente de calor y el distribuidor de calor también es importante. Normalmente, cuanto más delgado sea el TIM, mejor. Sin embargo, las interfaces nunca son perfectas, por lo que se requiere un grosor mínimo de material para compensar las irregularidades.
• Para seleccionar el tipo de material, la planitud superficial de las superficies cortadas es un factor decisivo. Por ejemplo, si ambas superficies son lisas, la grasa o las películas delgadas son una muy buena opción, pero rara vez es así. Porque los circuitos integrados de plástico suelen ser cóncavos en el medio. Si el disipador de calor es muy liso, la superficie de contacto se reduce, especialmente en el borde. Esto deja una bolsa de aire en el medio.
• A veces se requiere aislamiento eléctrico, medido en kV. Los TIM que tienen una base de silicona comparten esta propiedad con materiales más gruesos como las almohadillas térmicas (gap filler).
  Sin embargo, los materiales de cambio de fase más delgados y las grasas no son necesariamente aislantes eléctricos confiables. El grafito en sí mismo es eléctricamente conductor.
• Cuando se trabaja con superficies irregulares, la compresibilidad es un factor crucial. Un buen ejemplo es cuando desea cubrir una amplia gama de componentes. Por ejemplo, si se aplica calor y exceso de presión a un TIM a base de silicona, la silicona puede escapar y migrar a lo largo de la placa de circuito. Si la presión es insuficiente, habrá una resistencia térmica excesiva en la interfaz.
• El rango de temperatura en el que se puede utilizar el material también es importante. Por ejemplo, los TIM a base de silicona pueden soportar temperaturas más altas que las opciones sin silicona.
• Se requiere clasificación de clase de llama UL para la mayoría de las aplicaciones TIM. La mayoría de los materiales para elegir están disponibles con valores V0 que cumplen con los requisitos típicos.
• En general, la silicona es un excelente material térmico con un alto rango de temperatura. Sin embargo, hay áreas en las que se deben utilizar variantes sin silicona. Por ejemplo, el uso de silicona en el espacio no es posible debido a la desgasificación.
• También debe prestar atención a una aplicación simple. Después de todo, el tipo de archivo adjunto es una decisión clara de costo y rendimiento. Por ejemplo, los disipadores de calor pequeños generalmente se conectan simplemente con cinta térmica de doble cara, mientras que los disipadores de calor más grandes requieren hardware adicional. Los adhesivos se pueden aplicar a ambos o a un lado del material térmico según se requiera. Cabe señalar aquí que la impedancia térmica aumenta con cada capa de adhesivo.
• También hay que preguntarse qué tan fácil es tratar con los materiales elegidos en un entorno de fabricación. ¿Se pueden volver a trabajar los materiales simplemente si, por ejemplo, se tiene que quitar el disipador de calor? Los materiales de cambio de fase y la pasta térmica deben reemplazarse por completo, mientras que algunas almohadillas térmicas pueden reutilizarse.
• Y finalmente, también se debe considerar la estabilidad a largo plazo del material. Esto depende de factores como la temperatura de servicio, el tiempo, la aplicación y las propiedades del material.

Opciones de material de interfaz térmica

Materiales de cambio de fase (PCM)

Lo que es único acerca de los materiales de cambio de fase (PCM) es que experimentan una transición de una fase sólida a una semisólida utilizando el calor del procesador operativo y una ligera presión de sujeción. La fase semisólida tiene la propiedad de adaptarse muy fácilmente a ambas superficies. La capacidad de llenar por completo los espacios de aire interfaciales y los vacíos superficiales bajo una ligera presión de sujeción permite que este material funcione a la par que la grasa térmica.
PCMs es mucho menos líquido que la grasa. Sin embargo, los PCM contienen ceras y, en el momento en que se alcanza la temperatura de fusión, los PCM pueden salir por áreas estrechas.

Afortunadamente, los PCM introducidos recientemente ya no se basan en cera, por lo que no gotean. Los PCM son muy fáciles de manejar a temperatura ambiente normal porque son sólidos. Esto proporciona más control al aplicar las almohadillas sólidas a la superficie del disipador de calor. Muchas almohadillas de cambio de fase crean una unión adhesiva muy duradera entre el disipador de calor y el procesador. Por este motivo, se debe tener cuidado al retirar el disipador térmico del procesador. Un pequeño movimiento giratorio generalmente ayuda con la extracción. Aplicar demasiada fuerza puede dañar el procesador.

Pasta termica

Las pastas termoconductoras suelen estar enriquecidas con silicona con rellenos termoconductores. El endurecimiento no suele ser necesario y pueden fluir y adaptarse perfectamente a las interfases. Las interfaces térmicas se pueden volver a trabajar fácilmente. Sin embargo, debe asegurarse de que se haya aplicado suficiente pasta o grasa antes de instalar el disipador de calor. Muy poca grasa puede generar espacios entre el disipador de calor y el procesador. Por otro lado, demasiada grasa también puede ser contraproducente, ya que puede generar espacios de aire y fugas fuera de la interfaz. También se debe tener en cuenta que con el uso prolongado y generalmente con el paso del tiempo, algunas grasas pueden deteriorarse o secarse. Por supuesto, esto tiene un efecto negativo en el rendimiento de la transferencia de calor. Las pastas termoconductoras como materiales de interfaz (TIM) son, sin embargo, la
primera opción en aplicaciones con procesadores de alto rendimiento, a pesar de las desventajas mencionadas anteriormente. Esto se debe principalmente a que la conductividad térmica de las grasas térmicas es del orden de 10 W/mK, claramente superior a otros TIM.

Relleno

Uno de los segmentos de mercado más grandes para los TIM son los rellenadores de huecos. Estos pueden ser suministrados en diferentes puntos fuertes. Estos materiales eficientes, suaves y de alta conductividad térmica pueden cubrir huecos de hasta 15 mm. Los prácticos tapajuntas pueden cubrir múltiples componentes de diferentes alturas y luego transferir el calor a un disipador de calor común. Estas almohadillas son populares y se usan a menudo cuando se requieren fuerzas de compresión bajas. La compresibilidad relativamente alta es, por lo tanto, una característica importante de este tipo de TIM. Los tapajuntas también se pueden moldear individualmente y las nuevas conexiones de tapajuntas de Formin-Place en particular son una opción popular para automatizar conexiones grandes.
volúmenes

láminas térmicas

Las láminas termoconductoras no solo transfieren el calor, sino que también proporcionan aislamiento eléctrico. En términos de resistencia al desgarro y resistencia a la perforación, las películas térmicas ofrecen una excelente durabilidad. Las láminas de interfaz térmica y los materiales de grafito de silicona y sin silicona (p. ej., poliuretano con carga cerámica) entran en esta categoría. El rango de conductividades térmicas y rangos de precios es amplio, para que todos puedan encontrar una buena solución.

Almohadillas para espacios

Las almohadillas térmicas generalmente consisten en moldear silicona no reforzada con rellenos conductores. Los refuerzos de almohadillas térmicas suelen ser vidrio tejido, láminas de metal o películas poliméricas. Las prácticas almohadillas térmicas suelen estar precortadas en diferentes tamaños para acomodar componentes de diferentes tamaños. Si bien los materiales de cambio de fase y la pasta térmica son claramente superiores en términos de conducción, las almohadillas térmicas tienen la ventaja de ser una opción económica y conveniente para aplicaciones con menores requisitos de enfriamiento.

láminas de grafito

Esta opción rentable se ha utilizado durante mucho tiempo. Las láminas son conductoras de electricidad y se pueden utilizar a temperaturas muy altas de hasta 500 ºC. Algunos proveedores alinean las fibras horizontalmente. Esto da como resultado mediciones de conductividad térmica muy diferentes. Hay material que muestra 7,0 W/mK en el eje x y 150,0 W/mK en el eje yz, una clara diferencia.

Cintas térmicas de doble cara

Una cinta térmica puede consistir en una malla de cobre niquelado finamente tejido que se adapta perfectamente a las superficies de montaje irregulares. Para unir pequeños disipadores de calor a los componentes, se utilizan muy a menudo cintas adhesivas de doble cara térmicamente conductoras hechas de PSA. Los factores importantes aquí son la resistencia al pelado, la resistencia al cizallamiento del traslape y del punzón, el poder de retención y la resistencia térmica. En cuanto al rendimiento en términos de conducción de calor de las cintas adhesivas de doble cara, se encuentra en el rango medio. Aunque ahorra en piezas de montaje adicionales, las cintas tienen problemas con las superficies irregulares de los componentes y, por lo tanto, tienen un uso limitado. Los circuitos integrados de plástico suelen ser cóncavos en el medio y las superficies del disipador de calor varían, lo que puede causar espacios de aire en la interfaz.

adhesivos térmicos

Los adhesivos térmicos, también llamados adhesivos térmicos, pueden ser sistemas de uno o dos componentes. Estos están equipados con rellenos conductores. La aplicación se suele realizar mediante dosificación o estampación con esténcil. El curado del adhesivo es necesario para permitir la reticulación segura del polímero, que proporciona la propiedad adhesiva. El hecho de que los adhesivos térmicos brinden soporte estructural, eliminando la necesidad de sujeción mecánica, es sin duda el mayor beneficio de este TIM.

geles térmicos

Los geles son un material similar a las grasas que está ligeramente reticulado. El comportamiento es correspondientemente similar, reduciéndose el sangrado del material.

TIM de metal

Los materiales de interfaz térmica de metal se pueden fabricar en todo tipo de formas y ya no se limitan a aplicaciones de soldadura. En numerosas aplicaciones, los TIM de metal se pueden reprocesar muy bien y también se pueden reciclar sin ningún problema.
Recientemente, ha aumentado la necesidad de TIM de alto rendimiento en dispositivos especiales como amplificadores de potencia y módulos IGBT, lo que ha llevado a los fabricantes a explorar otros tipos de TIM metálicos.
Buenos ejemplos son: metales líquidos, metales de cambio de fase y SMA-TIM (aleaciones de metales blandos).
Sin duda, el más fácil de usar es el material de interfaz térmica de metal blando o comprimible (SMA-TIM). Los TIM de metal son altamente conductivos térmicamente, confiables y fáciles de usar con metales comprimibles.

Recientemente, también se ha desarrollado un material híbrido que consta de una película de silicona conductora del calor por un lado y una película de cobre por el otro. Este material es especialmente bueno para hacer circuitos flexibles y proteger contra el ruido EMI y RFI.

Conclusión

Desafortunadamente, las interfaces térmicas a menudo solo se consideran bastante tarde en la fase de diseño de los sistemas de refrigeración. Este definitivamente no es el mejor curso de acción. Después de todo, los TIM son claramente un factor clave en el costo del diseño de gestión térmica Hoy en día, normalmente hay más y más exceso de calor para gestionar, razón por la cual existe una clara demanda de TIM de alto rendimiento.
Cuando se usan con prudencia, los materiales de interfaz térmica seguramente ayudarán a reducir el tamaño de los disipadores de calor y la necesidad de ventiladores cada vez más grandes. Además, un buen TIM es una opción más fácil, rápida y definitivamente más económica que cambiar los disipadores de calor o rediseñar la carcasa por completo.