Control térmico

Cómo escoger y usar un rellenador de huecos térmico de curado in situ

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ComoescogerautorLa evolución de la gestión térmica. Se espera que el dispensado de rellenadores de huecos de curado in situ sea la técnica dominante para la colocación de materiales térmicos en conjuntos electrónicos, ya que sectores como el de la electrónica de automóviles, equipos de telecomunicaciones y la iluminación de bajo consumo de energía exigen una mayor capacidad de producción, líneas de pegamento más finas y una presión mecánica reducida en componentes y uniones de soldadura. Esta tendencia impulsará cambios en las características y el manejo de los materiales térmicos, así como en los procesos de ensamblaje y los equipos usados en las fábricas.
Rellenadores de huecos de curado in situ
Las almohadillas y los rellenadores térmicamente eficientes se han vuelto imprescindibles para satisfacer la demanda de aumentar el rendimiento y reducir el tamaño de los conjuntos electrónicos, como fuentes de alimentación y unidades de control, sin comprometer la fiabilidad. Hoy en día, los materiales térmicos suelen ser elastómeros de silicona rellenados con cerámica, que son fáciles de manejar, se adaptan bien a la forma y textura de la superficie de los disipadores de calor u otros componentes electrónicos y tienen una alta conductividad térmica en relación con el aire quieto para cuya evacuación se han diseñado.


Además, los rellenadores de huecos térmicos sin silicona han sido desarrollados para aplicaciones altamente sensibles a la presencia de silicona. Se usan principalmente cuando existe un riesgo de formación de arcos eléctricos o de contorneamiento, capaz de convertir las siliconas en sílice aislado, lo que impide un funcionamiento correcto del sistema.


Las almohadillas de relleno premoldeadas en formas, tamaños y grosores estándares o personalizados tienen al menos un atractivo importante: son extremadamente sencillas de usar en comparación con otros tipos de materiales más antiguos tales como las grasas térmicas. Se supone que las grasas son difíciles de usar e imprecisas y, por lo tanto, no deseables en entornos modernos de producción. Sin embargo, está surgiendo una necesidad creciente de materiales térmicos que se puedan formar in situ (figura 1).


Los materiales térmicos de curado in situ, depositados como líquido, pueden alcanzar una línea de pegamento extremadamente fina, la cual mejora la conductividad térmica y se prefiere en los conjuntos altamente miniaturizados como las unidades de control electrónico (ECU) de automóviles. Un cálculo cuidado del tamaño y del volumen del depósito puede minimizar la presión ejercida sobre componentes sensibles como pequeños pasivos SMD y chips BGA cuando la unidad está completamente ensamblada; los fabricantes de dispositivos BGA especifican a menudo una presión máxima por pin, que se puede superar cuando la tapa del cierre se ajusta contra la almohadilla térmica situada en el componente.


Además, un material de curado in situ, una vez depositado, se impregna con toda seguridad y, por lo tanto, se adapta extremadamente bien incluso a las superficies rugosas. Esto mejora la eliminación de pequeñas bolsas de aire, lo que aumenta el rendimiento térmico. Se puede evaluar de forma precisa el volumen y la forma óptimos del depósito experimentando con componentes de ensayo de vidrio, que permiten ver claramente la cobertura de la superficie y el grosor de la línea de pegamento.


Comoescoger1En la práctica, las características de los rellenadores de huecos de curado in situ se pueden traducir en un mejor rendimiento térmico que se puede ver simplemente al comparar los parámetros convencionales expuestos en las hojas de datos de los materiales. Incluso si un material de curado in situ tiene una conductividad térmica aparentemente menor (W/m-K) en comparación con los tipos maduros de materiales térmicos como las almohadillas, las líneas de pegamento más finas y las excelentes propiedades de impregnación del material de curado in situ pueden aportar mejores características térmicas en la práctica.


Como ventaja adicional de los materiales de curado in situ, cualquier cambio en el diseño que altere la posición o los tipos de componentes usados se puede realizar rápidamente cambiando la forma y el volumen del material térmico depositado. Si se usa un dispensador automático, este se puede reprogramar. De este modo, se elimina la necesidad de pedir nuevas almohadillas de relleno en diferentes formas o tamaños (figura 2).
Bergquist ha desarrollado con éxito múltiples tipos de soluciones de rellenadores dispensables no corrosivos, estables en temperatura y térmicamente conductores. Entre ellas, encontramos los materiales que se componen de dos elementos diferentes, diseñados para mezclarse al ser dispensados e impregnarse en las superficies adyacentes para cubrir incluso los huecos y vacíos de aire más pequeños. El curado empieza cuando los dos componentes se mezclan y se completa tras la colocación del material en su sitio. Una vez curado por completo, el material se mantiene como elastómero flexible y blando, que ayuda a aliviar las tensiones generadas por los desiguales coeficientes de dilatación térmica (CTE) durante el ciclo térmico.


Características de los materiales
Los rellenadores de huecos dispensables de Bergquist son tixotrópicos en diferentes grados y, por lo tanto, conservarán la forma tras dispensarse. Se debe aplicar una fuerza exterior para que el material penetre en todas las superficies adyacentes. Estos materiales tienen una viscosidad en reposo relativamente alta. Sin embargo, cuando se aplica un esfuerzo cortante, como durante el dispensado, la viscosidad desciende, lo que facilita el dispensado. De hecho, la viscosidad aparente depende de la velocidad de cizalla; los usuarios deberían tenerlo en cuenta al probar y comparar los materiales. Tras el dispensado, el material recuperará su viscosidad y así será capaz de mantenerse en su sitio en el conjunto, conservando su forma sin moverse ni gotear.
El comportamiento del material tras el dispensado y antes del curado se describe en términos de resistencia al revenimiento. Este índice proporciona una medida de las características cohesivas internas (consistencia material) en combinación con sus características adhesivas (capacidad de adherirse a la superficie de destino). El rellenador de huecos de Bergquist incluye una serie de características reológicas y se puede personalizar para satisfacer los requisitos de fluido específicos del cliente desde la autoestabilización hasta los materiales altamente tixotrópicos que mantienen su forma al dispensarse.
Los sistemas de rellenado de dos componentes empiezan el curado una vez que estos se mezclen. El tiempo de vida útil, o pot-life, se define como el tiempo en el que la viscosidad se dobla tras la mezcla. La vida útil depende en gran medida de la temperatura; disminuirá a temperaturas superiores a los 25 °C y aumentará a temperaturas inferiores a los 25 °C.


Comoescoger2El tiempo de curado del material bicomponente se define como el tiempo hasta alcanzar el 90% del curado tras la mezcla. Los rellenadores de huecos bicomponentes curarán a temperatura ambiente (25 °C), o se puede acelerar el curado con la exposición a temperaturas elevadas. Los materiales de Bergquist están disponibles en varias variaciones de vida útil y tiempo de curado; estos parámetros se indican en las hojas de datos de cada producto.

También se indica la durabilidad bajo condiciones de almacenaje específicas.
Aunque los rellenadores de huecos no están diseñados como adhesivos estructurales, tienen una pegajosidad natural apreciable al curarse, que permite una adhesión leve a los componentes adyacentes. Esto ayuda a retener el material y elimina el escape a lo largo de ciclos de temperatura repetidos. Entre los factores que afectan a la adhesión figuran la limpieza, la geometría y la textura de la superficie. Por lo tanto, recomendamos como buena práctica en el uso de rellenadores de huecos limpiar y desengrasar todas las superficies a conciencia mediante un disolvente y luego dejar que se sequen por completo antes de colocar el rellenador de huecos.


Recomendaciones de uso
Los rellenadores de huecos basados en silicona suelen resistir el uso continuo a temperaturas entre los -60 °C y los 200 °C, durante amplios periodos de tiempo. Sin embargo, en aplicaciones concretas vale la pena estudiar el rendimiento y el comportamiento de los materiales en el espectro de temperaturas extremas tanto altas como bajas para garantizar su idoneidad para estas condiciones.


Se debe mezclar el material bicomponente a una ratio de 1 a 1 por volumen. Como ayuda para la mezcla, sin necesitar un equipo de medición complicado, Bergquist facilita inyectores de mezcla estáticos de plástico desechables. Se pueden fijar en los extremos de los cartuchos o montar en el dispensador automatizado para mezclar automáticamente los dos componentes a la ratio deseada. Bergquist recomienda purgar los envases recién tapados por el mezclador estático hasta alcanzar un color uniforme. Esto asegurará una ratio de mezcla correcta 1 a 1. Salvo especificaciones contrarias, se recomiendan los inyectores mezcladores con un mínimo de 21 elementos mezcladores para lograr la mezcla adecuada. Para garantizar unas características y rendimiento consistentes del material, los sistemas bicomponentes de Bergquist se usan siempre con los números de lote correspondientes para ambos componentes.


Comoescoger3Para los mejores resultados, el dispensador
Las pistolas de aplicación y el mezclador estático suponen formas económicas de dispensado para muestras y la producción de pequeñas cantidades. Bergquist ofrece pistolas manuales para los tamaños de cartucho de 50 cc, 200 cc y 400 cc, así como pistolas neumáticas para los tamaños de cartucho de 200 cc y 400 cc. La figura 3 ilustra ejemplos de los tamaños de cartuchos bicomponentes disponibles. También es viable el cribado y el estarcido para algunos materiales, aunque los usuarios deben considerar el hecho de que el material empezará el curado en el cribado o estarcido.
El dispensado automático es de lejos el método más adecuado para la fabricación en línea de alta velocidad; permite una mayor repetitividad así como un caudal más alto. Bergquist suministra materiales de relleno en conjuntos de contenedores de gran cabida de hasta 10 galones (37,8 litros) de capacidad, diseñados para garantizar una carga y descarga rápida y fácil.


Bergquist ha firmado alianzas con varios proveedores con experiencia en dispensadores automatizados para ayudar a los clientes a crear un proceso de dispensado optimizado. Este tipo de cooperación puede contribuir a optimizar el diseño y el rendimiento de equipos.
Una colaboración estrecha con los proveedores de equipos también ayuda a minimizar los plazos de entrega de equipos; así los clientes podrán avanzar con rapidez en cuanto se finalicen los requisitos del equipo dispensador. Esto puede ser un criterio importante para los sectores que se caractericen por cambios rápidos, tales como la electrónica de consumo y de automóviles, para adoptar los rellenadores de huecos de curado in situ como alternativa de mayor rendimiento a los materiales térmicos convencionales.


Conclusión
Los rellenadores de huecos conformables de curado in situ ofrecen soluciones a los retos que deben afrontar los diseñadores de conjuntos miniaturizados o de gran volumen o donde se debe aligerar la presión mecánica ejercida sobre los componentes por las almohadillas de hueco convencionales. A medida que aumente el uso de estos materiales en aplicaciones como las ECU de automóviles, equipos de infraestructura de telecomunicaciones y balastos de lámparas de bajo consumo de energía, aparecerán nuevas fórmulas que ofrezcan una conductividad térmica más alta, además de excelentes características de impregnado y grosores extraordinarios de la línea de pegamento.


Una tarea de aprendizaje clave que afrontan los fabricantes de electrónica en la actualidad consiste en integrar los dispensadores automatizados de precisión de los rellenadores de huecos en la producción en línea de alta velocidad. Este problema se resuelve mejor en estadios tempranos, ya que esta clase emergente de materiales térmicos debería convertirse pronto en la norma en los sectores más importantes de la industria electrónica.

Autor:

Uwe Jessen, The Bergquist Company

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