Factores a considerar al elegir materiales de interfaz térmica

Desde la electrónica de consumo hasta la industria aeroespacial, todos los dispositivos electrónicos requieren una gestión térmica activa para disipar eficazmente el calor de los componentes. El cuello de botella de la gestión térmica suele ser la conducción entre los componentes que generan calor y los componentes de refrigeración. Desafortunadamente, muchos dispositivos electrónicos no pueden obtener suficiente enfriamiento de los disipadores de calor o los ventiladores debido al espacio limitado. En estas aplicaciones, el rendimiento de los materiales de interfaz térmica es aún más importante.

Los métodos más comunes para extraer calor de una unidad de procesamiento de computadora (CPU) de alta potencia o un sistema en chip (SOC) son la pasta o grasa térmica. Si bien estas soluciones ofrecen un alto rendimiento, tienen desventajas. Pueden ser complicados, consumir mucho tiempo y pueden tener poca confiabilidad a largo plazo. Además, se sabe que los materiales de interfaz térmica (TIM) convencionales de alta conductividad (>20 W/mK) son costosos y presentan dificultades y desafíos de fabricación.

¿Cuáles son las funciones principales de los TIM?

Cuando se coloca un disipador de calor encima de un componente generador de calor, existen espacios de aire naturales. Estos espacios de aire crean una alta resistencia térmica, lo que provoca un sobrecalentamiento. Los TIM resuelven este problema reemplazando los espacios de aire con materiales termoconductores. Esto crea una ruta térmica más eficiente al reducir la resistencia térmica general en el sistema. Los TIM también pueden proporcionar aislamiento eléctrico o unión adhesiva sin necesidad de sujeción mecánica adicional cuando sea necesario.

Los TIM deben ajustarse a las irregularidades de la superficie, de lo contrario habrá una mayor resistencia térmica en las capas de contacto. Cierta resistencia de contacto es inevitable, pero cualquier material térmicamente conductor sería más beneficioso que el aire.

Si bien los ingenieros de diseño quieren tener el espacio más delgado posible para reducir la longitud de la ruta térmica, a veces se debe mantener un cierto grosor para tener una mejor humectación o contacto en un sustrato irregular. Según el tipo de resina polimérica, el tipo de relleno y el nivel de carga del relleno, la capacidad humectante puede ser diferente. Además, el rendimiento de los TIM puede variar según las propiedades termomecánicas, así como la presión de aplicación, el acabado de la superficie del sustrato y el entorno.

Factores a considerar al elegir TIM

Factor de forma

Hay muchos tipos de materiales de interfaz térmica, como grasa, gel, almohadillas, pasta, cintas, materiales de cambio de fase (PCM) e incluso metal. Al seleccionar TIM, es importante estar familiarizado con el producto y su rendimiento. Para rellenos de huecos finos, se suele utilizar grasa o PCM, mientras que para rellenos de huecos gruesos, los usuarios buscan almohadillas, gel o pasta de masilla.

Los TIM también se pueden clasificar como una aplicación TIM 1, TIM 2 o TIM 1.5. Esta categorización se basa en dónde se usan en referencia al chip de troquel y el disipador de calor o la tapa de un dispositivo. Por ejemplo, una aplicación TIM 1 utiliza TIM entre el chip de matriz y el disipador de calor o la tapa, y su objetivo principal es reducir la resistencia de contacto y disipar el calor extremo directamente de los procesadores. Tradicionalmente, se utiliza soldadura de metal para esta aplicación; sin embargo, hoy en día también se pueden usar grasa, gel o PCM.

Por otro lado, se aplica una aplicación TIM 2 entre el disipador de calor y el disipador de calor o el SOC a nivel de paquete. Esta aplicación suele utilizar TIM más gruesos, como almohadillas, ya que la gestión del calor a nivel de paquete no es tan extrema como a nivel de chip. Una aplicación TIM 2 puede requerir capacidad de reelaboración y compresibilidad, lo que permite un mayor impacto debido a las necesidades del disipador de calor adjunto.

En una aplicación TIM 1.5, la matriz del chip está en contacto directo con el componente de enfriamiento sin disipador de calor. Esta categoría de TIM se usa comúnmente en dispositivos móviles.

A veces se prefieren el gel y la pasta a las almohadillas porque sus líneas de unión más delgadas pueden permitirles tener una compresibilidad y un rendimiento térmico más altos en comparación con las almohadillas. Las almohadillas Thermexit™ brindan una solución a ambos problemas al proporcionar una gran conformabilidad y rendimiento térmico.

Conductividad térmica

Otro factor importante a considerar es el rendimiento térmico. En un dispositivo electrónico, hay componentes que generan calor y componentes de enfriamiento que determinan cuánto calor se puede disipar. Esto significa que la temperatura ambiente y la presencia de componentes activos de refrigeración pueden determinar el balance térmico. Una vez que conozca su presupuesto térmico, puede decidir qué tipo de materiales de interfaz térmica se necesitan, ya que los TIM se pueden personalizar fácilmente para cumplir con su diseño térmico.

Propiedades físicas y mecánicas

También deben tenerse en cuenta las propiedades mecánicas de los materiales de la interfaz térmica, como la dureza, la deflexión y la deformación permanente por compresión. Algunos usuarios prefieren compuestos o geles para proteger sus componentes sensibles, aunque estos productos prescindibles pueden tener desventajas que se discutirán más adelante. Es importante encontrar el TIM adecuado para la presión de su aplicación y el diseño del espesor del espacio.

Aislamiento Eléctrico

Otro factor importante es si un TIM es eléctricamente aislante o no. Algunas aplicaciones son muy sensibles cuando se trata de continuidad eléctrica. La mayoría de las almohadillas térmicas proporcionan un excelente aislamiento eléctrico debido a su aplicación relativamente espesa, a diferencia de los productos de grasa, gel o PCM.

Solicitud

Al seleccionar un TIM, debe considerar la confiabilidad a largo plazo. Hoy en día, hay muchos dispositivos electrónicos que se utilizan en entornos extremadamente hostiles que requieren ciclos de alta potencia. Además, es importante que los TIM en la industria automotriz se prueben bajo vibración mecánica.

Factores de aplicación

Cada factor de forma está relacionado con un factor de aplicación, como la presión aplicada, el método de fijación, el grosor de la línea de unión, la geometría y el entorno. Los factores simples, como la facilidad de manejo y el entorno, pueden pasarse por alto fácilmente, pero no pueden ignorarse.

Piense más allá de la hoja de datos

Si bien las hojas de datos de los TIM brindan información útil, no deben ser el único recurso utilizado al seleccionar los TIM. Gran parte de los datos de los proveedores de TIM provienen de estándares de la industria o de sus propios métodos de prueba para optimizar el rendimiento del producto. Sin embargo, el mismo producto TIM funciona de manera diferente según las condiciones. Por lo general, esperaríamos que una mayor conductividad térmica resultara en un mejor rendimiento, pero ¿es siempre así? Además, debemos preguntarnos si se necesita un TIM de conductividad térmica más alta cuando un TIM de conductividad térmica más baja podría tener un rendimiento adecuado para la aplicación. A veces, si se usa un TIM de mayor conductividad térmica en una aplicación que no lo requiere, el TIM no proporcionará los mismos beneficios.

Tipo de almohadilla de separación 

Finalmente, digamos que decidimos usar una almohadilla de separación. Antes de considerar la conductividad térmica o la compresibilidad, debemos observar las propiedades y los requisitos básicos. Por ejemplo, la temperatura de aplicación del dispositivo determinará la química de la resina necesaria. También es importante saber si el dispositivo requiere un TIM de silicona de alta temperatura o si puede usar un sistema de resina alternativo. Algunas almohadillas de separación tienen un soporte de vidrio de tela, que puede no ser bueno para ciertas aplicaciones. A veces, tener el grosor correcto por sí solo puede resolver muchos problemas térmicos estrictos.

Salida térmica ™ Soluciones

Thermexit™ desarrolla almohadillas de separación de alta conductividad térmica que superan las líneas de unión más gruesas y superan a los materiales de interfaz térmica de unión delgada. Nuestra exclusiva resina de alta temperatura sin silicona puede reemplazar la química de la resina de silicona y minimizar la contaminación por aceite. Nuestro sistema de resina también es un sistema sin curado que proporciona un gran rendimiento a largo plazo.

Las almohadillas Thermexit™ son altamente comprimibles para minimizar la resistencia de contacto sin una gran fuerza y ​​tensión en los componentes. Tienen una aplicación fácil de elegir y colocar y son naturalmente pegajosos sin los residuos o el desorden de las pastas o geles. Thermexit ofrece dos líneas de productos:Thermexit EI (Aislamiento Eléctrico) y Thermexit HP (Alto Rendimiento). Ambas almohadillas ofrecen alta conductividad térmica a>15 W/mK y 40 W/mK, respectivamente.

Para obtener más información, visite thermexit.com y comuníquese con [email protected].