Control térmico

La guía del buen relleno

Una gestión térmica adecuada en equipos de electrónica de consumo, dispositivos portátiles, módulos de automoción y fuentes de alimentación requiere que los ingenieros eliminen los espacios de aire entre los componentes calientes y las superficies cercanas que actúan de disipador térmico. Acertar al seleccionar el relleno correcto entre la gran variedad actualmente disponible en el mercado y saber cómo usarlo es una destreza valiosa.

 

LaguiariazLos diseñadores ya tienen a su disposición una amplia gama de tipos de material térmico, la cual refleja un cambio en las mejores prácticas de diseño, sustituyendo la ventilación de los componentes electrónicos por un uso generalizado de disipadores térmicos y estableciendo conexiones precisas entre los componentes calientes y las superficies disipadoras, tales como el chasis de metal o la tapa de la caja. Este cambio evidencia una demanda general de conjuntos miniaturizados. La densidad cada vez más alta de los componentes reduce efectivamente el volumen de aire para la refrigeración e impide su circulación. Donde antes se usaba un ventilador para refrigerar el sistema con aire forzado, ahora se suele preferir un diseño sin ventilador para reducir los costes, el consumo de energía, el tamaño y el ruido audible. Encima, el ventilador es a menudo el componente menos fiable del sistema.


El aire como enemigo
El aire, si está quieto, se considera un enemigo de la gestión térmica. Con su baja conductividad térmica, de tan solo 0,024 W/m-K, en comparación con la del aluminio, de 250 W/m-K, el aire contenido en bolsas microscópicas en la interfaz de unión entre un disipador térmico y un componente puede afectar muy negativamente a la transferencia de calor. Tradicionalmente, se aplicaba una grasa térmica o un material de cambio de fase a las superficies para eliminar estos huecos de aire.


Para cumplir con la práctica moderna de gestión térmica, ya se ofrece una mayor variedad de productos y materiales con un espectro más amplio de propiedades que ayudan a los ingenieros a eliminar eficazmente los huecos de aire distribuidos por todo el conjunto. Un reto importante que afrontan los diseñadores hoy en día es el de llenar espacios de aire relativamente grandes dentro de la caja. Estos pueden medir entre 1 mm y 5 mm. Además, donde varios componentes se fijan en un disipador térmico común, el tamaño de los huecos de aire puede ser inconsistente y variar de un componente a otro. Este problema puede agravarse aún más por la acumulación de tolerancias del conjunto mecánico. En estos casos, el relleno elegido debe ser capaz de compensar tales variaciones para permanecer en contacto firme con cada superficie, sin ejercer elevadas fuerzas sobre la caja de los componentes.


Las almohadillas de relleno y los geles térmicos constituyen dos de las soluciones más importantes que se usan con frecuencia en la actualidad. Las almohadillas, como elementos comprimibles con aglutinante de elastómero de silicona cargado de partículas termoconductoras, se adaptan al contorno. El gel es un material de silicona vulcanizada que se puede aplicar con una bomba o un dispensador. Además, es ideal si la distancia entre la superficie de los componentes y la superficie fría adyacente puede variar, por ejemplo, cuando se conectan múltiples componentes a un disipador térmico común. También se puede utilizar como alternativa a la grasa térmica tradicional o al material de cambio de fase, puesto que solo ejerce una fuerza baja y consistente sobre la placa y sus componentes.


Laguia1Almohadillas de relleno
Los avances conseguidos en materiales aglutinantes basados en polímeros con capacidad de funcionar en un amplio rango de temperaturas han sido esenciales en el desarrollo de las almohadillas de relleno, puesto que resuelven muchos de los actuales problemas de gestión térmica planteados por los ingenieros. Los elastómeros de silicona de uso común constan de un bajo módulo de compresión, de modo que se amoldan al contorno de las superficies de unión con una ligera compresión. De este modo, se evitan altas fuerzas sobre los componentes y las uniones de soldadura. Por lo tanto, el bajo módulo de compresión y la alta conductividad térmica son cualidades ideales para una almohadilla de relleno. Unos materiales nuevos, tales como el HCS10 de Chomerics, revelan una tendencia persistente hacia compuestos cada vez más blandos, que evidentemente son muy útiles a la hora de diseñar sistemas electrónicos delicados con pequeño factor de forma.


Se ofrecen muchos niveles diferentes de rendimiento térmico, en los que la conductividad térmica oscila entre valores inferiores a 1 W/m-K y superiores a 6 W/m-K. Puesto que la conductividad normalmente viene determinada por la cantidad y el tipo de relleno conductor, que pueden ser partículas de un material cerámico o de un compuesto metálico, como óxido de aluminio, óxido de cinc o nitruro de boro, se suele alcanzar una conductividad más alta al incrementar el módulo de compresión.


Los diseñadores también pueden elegir entre varios valores de módulo de compresión. Entre las fórmulas más conformes figuran la almohadilla THERM-A-GAP™ HCS10, un material que se desvía un 73 % con una presión de 50 psi, y el producto THERM-A-GAP 580, que se desvía tan solo un 30 % en las mismas condiciones. Por consiguiente, algunos rellenos pueden utilizarse para amortiguar vibraciones y, al mismo tiempo, ofrecen propiedades de adaptabilidad para la gestión térmica.


Laguia2Las almohadillas de relleno suelen estar disponibles con diferentes grosores. Sin embargo, los diseñadores deben tener en cuenta que la conductividad térmica de una almohadilla es mucho más baja que la de un metal. La almohadilla no es una solución para un diseño térmico deficiente, así que los ingenieros deberían procurar que los huecos sean lo más pequeños posible para que puedan rellenarse con almohadillas de relleno de grosor mínimo.


Las almohadillas termoconductoras se pueden solicitar en forma de láminas completas, que se cortan al tamaño deseado, o en forma de almohadillas troqueladas a medida en una lámina o como componentes individuales. También se aplica un soporte, como una lámina de aluminio o un tejido de vidrio. Las superficies de la almohadilla suelen tener cierto grado de adherencia para mantenerla en su posición y minimizar la resistencia del contacto. Es posible que previamente se aplique un adhesivo sensible a presión a una superficie para establecer un contacto permanente con el material frío. Se ofrecen fórmulas de baja desgasificación y sin silicona para aplicaciones sensibles a la silicona, tales como equipos aeroespaciales y de electrónica óptica y unidades de disco.


Geles térmicos
El gel, en cambio, puede suministrarse como material a granel o en cartucho o jeringa. En condiciones normales, se puede almacenar sin refrigeración, y el gel no tiende a endurecerse.


El gel térmico ofrece varias ventajas importantes, entre las que cabe señalar el hecho de que no sea necesario mantener el suministro y el inventario de almohadillas de relleno en múltiples formas y tamaños, así como la imposibilidad de equivocarse al elegir y colocar una almohadilla. Los geles se secan totalmente y conservan su forma, por lo que son fáciles de usar en entornos de producción. Se pueden aplicar en línea con una alta repetitividad en forma y volumen de colocación, utilizando dispensadores automatizados. En algunos casos, una colocación en forma redonda cubre de modo óptimo las superficies de unión, mientras que las formas de serpentina, caja o espiral se utilizan con frecuencia para alcanzar los extremos de los encapsulados de circuitos integrados, tales como QFN, LGA o BGA. Indudable-mente, una línea simple de gel funciona mejor para fijar un disipador térmico en un encapsulado tradicional del tipo DIL.
Se ofrece una gran variedad de geles térmicos, como por ejemplo el GEL30 de Parker Chomerics, que es apto para aplicaciones de relleno y como reemplazo directo de grasas térmicas. En comparación con estas, la estructura reticulada de los geles garantiza un bajo módulo y elimina inconvenientes como el vaciado y el secado.


Laguia3El GEL30 presenta un rendimiento de conductividad térmica de 3,5 W/m-K. En comparación con algunas almohadillas de relleno, los geles suponen una carga mecánica mucho más baja para los componentes. Muchas veces esto es importante, teniendo en cuenta que los últimos diseños de productos tienden a usar ensamblajes de encaje rápido y fácil mediante clic, cuyas fuerzas de cierre nunca pueden ser tan altas como las de los ensamblajes tradicionales mediante tornillos, que requieren más tiempo y ejercen una mayor fuerza de compresión sobre el material de interfaz.
También se ofrecen geles capaces de mantener el aislamiento eléctrico entre el componente y el disipador térmico. Estos geles incorporan microesferas de vidrio, con un diámetro de 0,25 mm, que actúan de tope dieléctrico o de compresión y garantizan una distancia de separación mínima entre la superficie del componente y el disipador térmico, lo que permite a los ingenieros aprovechar las propiedades del gel cuando se utilizan encapsulados de potencia en los que la conexión térmica también proporciona una terminación eléctrica al chip.


Resumen
Como parte de una estrategia de gestión térmica bien concebida, las almohadillas y los geles termoconductores son capaces de llenar la mayor parte de los espacios de aire que no se pueden eliminar en el proceso de diseño de un equipo electrónico. Ambos tipos de relleno incorporan materiales de tecnología avanzada y ofrecen numerosas ventajas en términos de rendimiento y facilidad de uso. Cada uno es una herramienta muy útil para los ingenieros que se proponen maximizar el rendimiento térmico de un nuevo diseño.

Autor:

Riaz Ahmed, Chomerics Division Europe -
Parker Hannifin Ltd

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