Criterios clave para seleccionar materiales de interfaz térmica de alto rendimiento

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

Los métodos más comunes para extraer calor de una unidad de procesamiento central (CPU) de alta potencia o un sistema en chip (SoC) son la pasta térmica o la grasa. Aunque estas soluciones ofrecen alto rendimiento, tienen desventajas. Pueden ser sucias, lentas de aplicar y tener poca fiabilidad a largo plazo. Además, los TIM convencionales de alta conductividad (>20 W/mK) son caros y presentan dificultades de fabricación.

¿Cuáles son las funciones principales de los TIM?

Cuando se coloca un disipador sobre un componente generador de calor, surgen huecos de aire naturales. Estos huecos crean alta resistencia térmica, lo que lleva al sobrecalentamiento. Los TIM resuelven esto reemplazando los huecos de aire con materiales térmicamente conductivos. Esto crea una ruta térmica más eficiente al reducir la resistencia térmica total en el sistema. Los TIM también pueden proporcionar aislamiento eléctrico o fijación adhesiva sin necesidad de sujeción mecánica adicional cuando se requiere.

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

Aunque los ingenieros de diseño quieren el hueco más fino posible para reducir la longitud de la ruta térmica, a veces se debe mantener cierto espesor para lograr mejor mojado o contacto en sustratos irregulares. Según el tipo de resina polimérica, tipo de relleno y nivel de carga, la capacidad de mojado puede variar. Además, el rendimiento de los TIM puede variar según propiedades termo-mecánicas, presión de aplicación, acabado de la superficie del sustrato y entorno.

Factores a considerar al elegir TIM

Factor de forma

Existen muchos tipos de materiales de interfaz térmica: grasa, gel, almohadillas, pasta, cintas, materiales de cambio de fase (PCM) e incluso metal. Al seleccionar TIM, es importante conocer el producto y su rendimiento. Para rellenos de huecos finos, se usan comúnmente grasa o PCM; para huecos gruesos, se buscan almohadillas, gel o pasta de masilla.

Los TIM también se pueden categorizar como aplicación TIM 1, TIM 2 o TIM 1.5. Esta categorización se basa en dónde se usan respecto al chip del die y al disipador o tapa. Por ejemplo, una aplicación TIM 1 usa TIM entre el chip del die y el disipador o tapa, y su propósito principal es reducir la resistencia de contacto y disipar calor extremo directamente de los procesadores. Tradicionalmente, se usa soldadura de metal para esta aplicación; sin embargo, hoy también pueden usarse grasa, gel o PCM.

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

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

El gel y la pasta a veces se prefieren a las almohadillas porque sus líneas de unión más finas permiten mayor compresibilidad y rendimiento térmico en comparación con las almohadillas. Las almohadillas Thermexit™ ofrecen una solución a ambos problemas al proporcionar gran conformabilidad y rendimiento térmico.

Conductividad térmica

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

Propiedades físicas y mecánicas

Las propiedades mecánicas de los materiales de interfaz térmica, como dureza, deflexión y conjunto de compresión, también deben considerarse. Algunos usuarios prefieren compuestos o geles para proteger sus componentes sensibles, aunque estos productos dispensables pueden tener desventajas que se discutirán más adelante. Es importante encontrar el TIM adecuado para su presión de aplicación y diseño de espesor de hueco.

Aislamiento eléctrico

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

Aplicación

Al seleccionar un TIM, debe considerar la fiabilidad a largo plazo. Hoy hay muchos dispositivos electrónicos usados en entornos extremadamente duros 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 presión aplicada, método de fijación, espesor de línea de unión, geometría y entorno. Factores simples como facilidad de manejo y entorno pueden pasarse por alto fácilmente pero no deben ignorarse.

Piense más allá de la hoja de datos

Aunque las hojas de datos de los TIM proporcionan información útil, no deben ser el único recurso al seleccionarlos. Gran parte de los datos de los proveedores provienen de normas industriales o sus propios métodos de prueba para optimizar el rendimiento del producto. Sin embargo, el mismo producto TIM rinde de forma distinta según las condiciones. Normalmente, esperaríamos que mayor conductividad térmica dé mejor rendimiento, ¿pero es siempre así? También deberíamos preguntarnos si se necesita un TIM de mayor conductividad cuando uno menor podría tener rendimiento adecuado. A veces, si se usa un TIM de mayor conductividad en una aplicación que no lo requiere, no proporcionará los mismos beneficios.

Tipo de almohadilla de hueco

Finalmente, supongamos que decidimos usar una almohadilla de hueco. Antes de considerar conductividad térmica o compresibilidad, debemos ver propiedades y requisitos básicos. Por ejemplo, la temperatura de aplicación del dispositivo determinará la química de 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 tienen un soporte de vidrio tejido, que puede no ser bueno para ciertas aplicaciones. A veces, tener el espesor correcto por sí solo puede resolver muchos problemas térmicos estrictos.

Soluciones Thermexit™

Thermexit™ desarrolla almohadillas de hueco de alta conductividad térmica que superan líneas de unión gruesas y superan a los materiales de interfaz térmica de línea fina. Nuestra resina única de alta temperatura no silicona puede reemplazar la química de resina de silicona y minimizar la contaminación por aceite. Nuestro sistema de resina también es un sistema no curable que proporciona un excelente rendimiento a largo plazo.

Las almohadillas Thermexit™ son altamente compresibles para minimizar la resistencia de contacto sin alta fuerza ni estrés en componentes. Tienen una aplicación fácil de recoger y colocar y son naturalmente adhesivas sin el residuo o desorden de pastas o geles. Thermexit ofrece dos líneas de producto: Thermexit EI (Aislante Eléctrico) y Thermexit HP (Alto Rendimiento). Ambas almohadillas ofrecen alta conductividad térmica a >15 W/mK y 40 W/mK, respectivamente.

Para más información, visite thermexit.com y contacte en support@thermexit.com.