Una buena gestión térmica es importante para garantizar el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos electrónicos. Es conceptualmente sencillo, ya que comienza con la transferencia del calor no deseado lejos de la fuente, y lo extiende sobre un área más grande para una disipación y enfriamiento efectivos. Pero en muchos casos, la aplicación puede ser un reto.

Las superficies de los dispositivos generadores de calor no suelen ser lo suficientemente lisas como para tener la baja impedancia térmica necesaria para garantizar una buena transferencia de calor. En algunos dispositivos, las superficies no son planas, lo que aumenta el desafío de la gestión térmica. Además, los componentes que hay que refrigerar pueden estar en el interior del sistema, lo que complica aún más la extracción del calor potencialmente dañino.
Las pastas y grasas térmicas pueden utilizarse para mejorar la conductividad térmica, pero puede ser difícil conseguir la cobertura necesaria para garantizar una buena transferencia térmica y evitar una aplicación excesiva que pueda contaminar las pistas de la placa de circuito y provocar cortocircuitos. Además, las pastas y grasas térmicas no pueden propagar el calor lateralmente lejos de la fuente.
En su lugar, los diseñadores pueden recurrir a una variedad de materiales de interfaz térmica (TIM), incluidos los rellenos de huecos y los diseminadores de calor para proporcionar las impedancias térmicas bajas y constantes necesarias para una transferencia de calor eficaz, al tiempo que se elimina cualquier preocupación por la contaminación. Para satisfacer las necesidades específicas del sistema, los TIM pueden estructurarse para transferir el calor verticalmente o repartirlo lateralmente. Los TIM están disponibles en una variedad de espesores para cumplir con los requisitos de aplicaciones específicas, son mecánicamente estables a elevadas temperaturas de funcionamiento para una buena fiabilidad, pueden proporcionar un alto aislamiento eléctrico y son fáciles de aplicar.
En este artículo se revisa la gestión térmica y se ofrecen pautas generales de selección de TIM. A continuación, presenta varias opciones de TIM de Würth Elektronik y examina las consideraciones de aplicación y diseño de cada una de ellas.

¿Qué son los TIM?
Los TIM se colocan entre una fuente de calor y un conjunto de refrigeración para mejorar el acoplamiento térmico y el flujo de calor. Dos factores aumentan la eficacia del acoplamiento térmico. La primera es la capacidad del TIM para adaptarse a las irregularidades microscópicas de la superficie, eliminando todas las bolsas de aire aislante que reducen la conductividad térmica de la interfaz (figura 1). En segundo lugar, los TIM tienen la conductividad térmica necesaria para transferir eficazmente el calor de la fuente al conjunto de refrigeración. La conductividad térmica, K, se cuantifica en vatios por metro por grado Kelvin (W/mK). Se mide utilizando la norma ASTM D5470, "Método de prueba estándar para las propiedades de transmisión térmica de los materiales de aislamiento eléctrico térmicamente conductores".
Figura 1: Un TIM (azul) se utiliza para rellenar las irregularidades microscópicas que existen en las superficies de los componentes y conjuntos de refrigeración para mejorar el acoplamiento térmico. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Además de la conductividad térmica, hay que tener en cuenta varias consideraciones a la hora de seleccionar un TIM:
• El rango de temperatura de funcionamiento es importante, ya que varios TIM están especificados para diferentes rangos de temperatura.
• La distancia entre las superficies de contacto y la necesidad de comprimir el TIM para conseguir una transferencia térmica óptima.
• Capacidad de soportar la presión de compresión del TIM.
• Algunos TIM están disponibles con adhesivos aplicados a su superficie que permiten una fijación mecánica.
• Propiedad de aislamiento eléctrico del TIM, ya que algunos materiales pueden utilizarse para proporcionar aislamiento eléctrico.
• Algunos TIM están disponibles como piezas estándar sin cantidad mínima de pedido y sin costes de utillaje, mientras que otros están disponibles en formas personalizadas que pueden optimizarse para los requisitos de aplicaciones específicas.

Opciones de relleno de huecos
El relleno de huecos de silicona WE-TGF es un material de uso general diseñado para ser utilizado en aplicaciones de baja presión que se benefician del aislamiento eléctrico, donde el TIM se comprime entre el 10% y el 30% de su espesor. Exceder el nivel de compresión recomendado puede provocar la expulsión del aceite de silicona, reduciendo la vida útil esperada del material, y posiblemente contaminando la placa de circuito impreso (placa ci). Estos TIM están diseñados para su uso entre dos superficies mecánicamente seguras, ya que no tienen ningún adhesivo adicional más allá de su pegajosidad natural. Hay disponibles espesores de 0.5 a 18 milímetros (mm) con conductividades térmicas entre 1 y 3 W/mK. Los espesores de 0.5 a 3 mm admiten niveles más altos de conductividad térmica (figura 2).
Figura 2: Los rellenos de huecos térmicos de Würth están disponibles para satisfacer las necesidades de una amplia variedad de aplicaciones. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Por ejemplo, el número de pieza 40001020 es una almohadilla de 400 x 200 mm que tiene un grosor de 2 mm con un K de 1 W/mK, y una resistencia dieléctrica o índice de ruptura eléctrica (EBR) de 8 kV/mm. Las características suaves y eléctricamente aislantes de los rellenos de huecos WE-TGF los hacen adecuados para su uso entre uno o más componentes electrónicos y un conjunto de refrigeración (Figura 3).

Figura 3: Una almohadilla de relleno de huecos de elastómero de silicona está diseñada para rellenar un hueco entre uno o varios componentes electrónicos y un conjunto de refrigeración, como un disipador térmico, una placa de refrigeración o una carcasa metálica. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Para las aplicaciones de gestión térmica que necesitan aislamiento eléctrico y un perfil más fino, los diseñadores pueden utilizar la almohadilla aislante de silicona termoconductora WE-TINS con K de 1.6 a 3.5 W/mK y un grosor de 0.23 mm. La pieza número 404035025 tiene un K de 3.5 W/mK y un EBR de 6 kV/mm. Como todas las piezas de la serie WE-TINS, la 404035025 combina caucho de silicona térmicamente conductor y una malla de fibra de vidrio. La malla añade resistencia mecánica y es resistente a los pinchazos y al cizallamiento. Como resultado de las propiedades mecánicas de la estructura, estos TIM pueden comprimirse como se desee y tienen una alta resistencia a la tracción.
Los materiales de cambio de fase térmica y las cintas de transferencia térmica son aún más finos, con perfiles de sólo 0.02 mm. Por ejemplo, la serie WE-PCM de TIM de cambio de fase cambia de sólido a líquido a una temperatura específica, proporcionando una humectación completa de la interfaz sin derrames ni desbordamientos. Están diseñados para su uso con circuitos integrados de alto rendimiento o componentes de potencia y conjuntos de refrigeración. Por ejemplo, el número de pieza 402150101020 mide 100 mm cuadrados con adhesivo en ambas caras, un K de 5 W/mK, un EBR de 3 kV/mm y una temperatura de cambio de fase de 55 grados Celsius (°C).
La cinta de transferencia térmica WE-TTT es una cinta de doble cara que permite la fijación mecánica de ambas superficies de contacto. Tiene un K de 1 W/mK y un EBR de 4 kV/mm y está diseñado para aplicaciones de baja presión. Está disponible en anchos de 8 mm (número de pieza 403012008) y 50 mm (número de pieza 403012050) en rollos de 25 metros (m).

Soluciones de difusión del calor del grafito
Los TIM basados en grafito sintético ofrecen los niveles más altos de conductividad térmica (Figura 4). El número de pieza 4051210297017 de la familia WE-TGS es un disipador térmico de grafito sintético de 297 x 210 mm con un K de 1800 W/mK, que no proporciona aislamiento eléctrico. La combinación de alta conductividad térmica, peso ligero y delgadez (0.03 mm) hace que estas láminas de grafito sean útiles en una amplia gama de aplicaciones, desde módulos semiconductores de alta potencia hasta dispositivos portátiles.
Figura 4: Los disipadores térmicos de grafito ofrecen altas conductividades térmicas en múltiples dimensiones y son tan finos como 0.03 mm. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

La serie WE-TGFG combina láminas de grafito con almohadillas de espuma para producir soluciones únicas de gestión térmica con un K de 400 W/mK y un EBR de 1 kV/mm. Se pueden fabricar juntas largas para que sirvan de disipadores de calor, transfiriendo el calor lateralmente desde la fuente a un conjunto de refrigeración situado en otra parte del sistema (Figura 5). Por ejemplo, la pieza 407150045015 mide 45 mm de largo, 15 mm de ancho y 1.5 mm de grosor, y puede utilizarse en aplicaciones que se benefician del relleno de huecos y la transferencia de calor lateral.

Figura 5: Un TIM colocado encima de un componente caliente puede actuar como difusor de calor, transfiriendo el calor lateralmente fuera del componente. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Para lograr conductividades térmicas más altas con almohadillas de silicona como los rellenos de huecos WE-TGF, es necesario que la almohadilla sea más fina. Los diseñadores pueden recurrir a los TIM WE-TGFG para rellenar huecos de hasta 25 mm con una conductividad térmica muy superior a la que se consigue con las almohadillas de silicona, y las piezas WE-TGFG pueden fabricarse con geometrías personalizadas para que encajen en espacios no planos (Figura 6).

Figura 6: Una junta de espuma de grafito (centro) puede fabricarse con varias geometrías y utilizarse como interfaz entre una fuente de calor (abajo) y un elemento de disipación térmica no plano (arriba). (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Combinación de TIM para mejorar el rendimiento
Los TIM pueden combinarse para proporcionar mayores niveles de rendimiento. Por ejemplo, un disipador de calor de grafito WE-TGS puede combinarse con un relleno de huecos de silicona WE-TGF para permitir el uso de un disipador con una huella mayor que la fuente de calor, aumentando la capacidad de refrigeración del conjunto (Figura 7).

Figura 7: La combinación de un disipador térmico de grafito WE-TGS (TIM 1) con un relleno de huecos de silicona WE-TGF (TIM 2) puede permitir el uso de un disipador más grande que la huella del componente caliente, proporcionando una refrigeración mejorada. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Directrices generales de aplicación
Independientemente del o de los TIM que se utilicen, existen algunas directrices generales de aplicación que los diseñadores deben tener en cuenta:
• Las superficies del componente y del conjunto de refrigeración deben estar limpias y secas. Se debe utilizar un hisopo o toallita sin pelusa y alcohol isopropílico para eliminar cualquier contaminación superficial.
• Cuando se utilicen TIM que requieran compresión, el material debe comprimirse con una presión uniforme en toda la superficie. El material puede resultar dañado si la presión aplicada supera el valor nominal especificado.
• Todas las burbujas de aire y/o huecos de la superficie deben ser eliminados para conseguir la mejor conductividad térmica.
• La temperatura de funcionamiento del TIM debe ser capaz de adaptarse a la combinación de la temperatura ambiente y el aumento de la temperatura del componente que se enfría.

Conclusión:
La gestión térmica es un problema en una amplia gama de diseños de sistemas electrónicos. Como se ha demostrado, los diseñadores pueden recurrir a una amplia gama de TIM fabricados con diversos materiales, como siliconas, materiales de cambio de fase, grafito y almohadillas de espuma. El uso de TIM puede proporcionar las bajas impedancias térmicas necesarias para una transferencia de calor eficaz, eliminando al mismo tiempo cualquier problema de contaminación que pueda surgir al utilizar pastas o grasas térmicas.
Mientras que las pastas y las grasas solo transfieren el calor verticalmente, los diseñadores pueden elegir entre los TIM de relleno de huecos que conducen el calor verticalmente o los diseminadores de calor que pueden conducir el calor lateralmente. Por último, muchos TIM están disponibles sin cantidad mínima de pedido ni costos de herramientas, lo que los convierte en una opción económica para los diseños de gestión térmica.

Autor: Rolf Horn, Digi-Key Electronics.

Rolf Horn, ingeniero de aplicaciones en Digi-Key Electronics, ha estado en el grupo de soporte técnico europeo desde 2014 con la responsabilidad principal de responder a cualquier pregunta relacionada con el desarrollo y la ingeniería de los clientes finales en EMEA, así como de escribir y corregir artículos y blogs en alemán en las plataformas TechForum y maker.io de DK. Antes de trabajar en Digi-Key, trabajó en varios fabricantes en el área de semiconductores, centrándose en sistemas integrados de FPGA, microcontroladores y procesadores para aplicaciones industriales y de automoción. Rolf es licenciado en ingeniería eléctrica y electrónica por la universidad de ciencias aplicadas de Múnich, Baviera, y comenzó su carrera profesional en un distribuidor local de productos electrónicos como arquitecto de soluciones de sistemas para compartir sus conocimientos y experiencia en constante crecimiento como asesor de confianza.