Control térmico

Innovaciones en materiales de interfaz térmica

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La gestión térmica es uno de los temas más importantes en una amplia gama de aplicaciones; desde los paquetes de baterías de vehículos eléctricos hasta la electrónica de consumo, existe una necesidad apremiante de disipar el calor de forma eficiente. Existen numerosos tipos de materiales de interfaz térmica (TIM) que desempeñan un papel crucial en la transferencia térmica de una fuente de calor. En este artículo se analizan las principales innovaciones de estos materiales y los motivos de su importancia.

IDTechEx ha llevado a cabo un estudio de mercado puntero sobre el tema de los materiales de interfaz térmica. Se ofrece un análisis detallado tanto de los materiales como de una amplia gama de aplicaciones. Las innovaciones de los materiales de interfaz térmica pueden dividirse en tres categorías principales: Aplicaciones de gran volumen, nuevos mercados emergentes y nuevos desarrollos de materiales para un mayor rendimiento.

Mercados de gran volumen

Casi todas las grandes empresas químicas y de materiales están tratando de posicionarse para ganar alguna cuota de mercado dentro de la cadena de suministro de los vehículos eléctricos; sin embargo, sigue habiendo una gran cantidad de turbulencias a medida que se forman las cadenas de suministro, evolucionan los diseños de los paquetes y se amplía la producción. Todavía no hay convergencia en los paquetes de baterías y hay una gran cantidad de I+D disruptiva que llega al mercado, lo que representa tanto una amenaza como una oportunidad para los proveedores anteriores.

Las baterías de iones de litio serán el mercado más importante (en volumen) para los materiales de interfaz térmica (TIM). Los materiales de interfaz térmica desempeñarán un papel esencial en la gestión térmica para conectar las celdas o los módulos a un disipador de calor o a un difusor de calor; existe una gran actividad de mercado al respecto. La conductividad térmica requerida es de aproximadamente 3 W/mK, lo que es relativamente fácil de conseguir con siliconas rellenas de cerámica o productos equivalentes; las siliconas no son populares en la industria del automóvil, y hay muchas matrices competidoras que buscan ganar la adopción del mercado. En cambio, las innovaciones aquí no son a nivel de material, sino en lograr un alto rendimiento a bajo precio. A IDTechEx se le ha comunicado con regularidad que el objetivo es conseguir 10 $/kg, que es un precio de TIM agresivamente bajo.

IDTechEx espera que, en respuesta a esta demanda, el mercado pase de las almohadillas para huecos a los rellenos en los próximos 10 años. Los rellenos de huecos pueden dispensarse en forma de líquido, lo que permite un ritmo más rápido, patrones de distribución fácilmente modificables y, normalmente, en capas más finas. Los retos vienen dados por la forma de dispensar el material de manera uniforme y por las consideraciones sobre el coste del equipo, además de su funcionamiento, mantenimiento y vida útil.

Nuevos mercados emergentes
Los desarrollos técnicos están cambiando rápidamente el mundo, y cualquier novedad importante puede presentar a menudo un nuevo despliegue de hardware y, por tanto, nuevos mercados de TIM con requisitos específicos. Hay muchos ejemplos, como los sensores para coches autónomos y los centros de datos, pero uno de los más destacados es el auge del 5G.

Normalmente, estos nuevos mercados no necesitan una mejora drástica de la conductividad térmica, sino más bien una mejora iterativa de los productos y formulaciones existentes. La revolución del 5G supondrá un gran cambio en la infraestructura, desde las estaciones base hasta la rápida aparición de las células pequeñas. IDTechEx ha observado una serie de lanzamientos de productos específicos de la talla de DOW, Laird y Henkel para esta industria que generalmente se sitúan en el rango de rendimiento de 5-10 W/mK. Hay innovaciones para que se adapten a las necesidades del mercado, pero más importante que cualquier mejora de los materiales será el posicionamiento del producto, el establecimiento/expansión de las relaciones y el coste a medida que surjan estas cadenas de suministro.

Nuevos materiales para un mayor rendimiento
Este es el ámbito en el que se encuentra la mayor parte de la innovación científica. Aquí los desarrollos suelen venir en forma de almohadillas preformadas que buscan conductividades térmicas muy altas, de más de 20 W/mK, y con propiedades únicas (como un amplio rango de temperatura ciclable).

Suelen tener aplicaciones de nicho, como los superordenadores y los satélites, antes de pasar a la industria general, como los dispositivos electrónicos de consumo más avanzados.

IDTechEx ha dividido estas innovaciones en 6 categorías que se describirán sucesivamente. Estos avances se observan desde las empresas de nueva creación hasta las divisiones de I+D de compañías muy notables.
- Fibra de carbono, grafito y nanocarbonos: Una de las áreas más interesantes es el uso de fibra de carbono, grafito, CNT y grafeno. Éstos tienen una enorme conductividad térmica, pero también son conductores eléctricos, lo que conlleva consideraciones de diseño adicionales. Hay una serie de empresas activas, desde Dexerials, con su almohadilla de CF establecida comercialmente, hasta Fujitsu R&D, con algunos anuncios prometedores de CNT, y empresas jóvenes que están ganando una tracción significativa, como Carbice.

- Avances cerámicos: La cerámica desempeña un papel fundamental como relleno dieléctrico térmicamente conductor para los TIM. El reto consiste en aumentar el rendimiento lo suficiente como para que los diseñadores no tengan que recurrir a alternativas de carbono o metal. Hay mejoras en los productos establecidos, de la talla de Showa Denko, pero la innovación más emocionante proviene de la aparición de los nanotubos de nitruro de boro (BNNT) y las nanoplanchas (BNNS). Son los isoelectrónicos de sus homólogos de CNT y grafeno y están empezando a ganar terreno comercial con empresas como BNNT LLC, BNNano y otras.

- Relleno metálico y desarrollos de metal líquido: Los metales son aditivos muy conocidos y han mantenido una cuota de mercado constante con ventajas y desventajas evidentes. Las innovaciones siguen impulsando esta progresión, desde el uso de metales alternativos, como los de la empresa Arieca, hasta los desarrollos de metales líquidos de empresas como Indium.

- Alineación anisotrópica del relleno: Está relacionado con los tres ejemplos anteriores, pero se centra en la alineación de los rellenos para mejorar la conductividad en el plano. El objetivo es reducir las necesidades de relleno para obtener el mismo rendimiento o aumentar la conductividad térmica general en el plano z. Existen numerosas formas de hacerlo, dependiendo del relleno, como los procesos de flocado, los mecanismos de crecimiento inicial (en el ejemplo de los bosques de VACNT) o los procesos avanzados, como el proceso de dielectroforesis que utiliza CondAlign. Hay que tener en cuenta que cualquier pieza alineada sigue estando sometida a la limitación de la resistencia de contacto entre el TIM y el sustrato.

- Materiales de cambio de fase: Una vez más, se trata de una clase de materiales muy conocida, pero que sigue aportando nuevos productos al mercado. Ha habido algunos desarrollos en el uso de estos para alojar células de baterías, pero también TIMs. Un ejemplo de ello es Rogers, que está ampliando su línea de productos HeatSORB para satisfacer la demanda del mercado.

- Integración de disipadores de calor: Se trata de la integración de un TIM (plano z) con un disipador de calor (plano x-y) en un solo producto. Aquí también podemos considerar la inclusión de láminas aislantes (por ejemplo, aerogeles) si el calor debe canalizarse en una dirección específica. IDTechEx ha observado un grupo de empresas que ofrecen estos productos más integrados, entre las que se encuentran empresas en fase muy temprana como HyMet y SHT Smart High Tech.

 

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