No se olvide de los materiales de interfaz térmica

En el ámbito de la gestión térmica, se presta mucha atención a los ventiladores, disipadores y dispositivos Peltier, lo que puede hacer que se olvide fácilmente la forma en que se ensamblan estos componentes. Un material de interfaz térmica (TIM) es de suma importancia para proporcionar un rendimiento óptimo de estas otras técnicas de gestión térmica. El objetivo de los TIM es ocupar los diminutos huecos microscópicos que hay entre dos superficies no uniformes con una sustancia que presenta una conductividad térmica mejor que la del aire. Los TIM pueden incluir diversos materiales utilizados para mejorar la conductividad térmica y garantizar una transferencia térmica eficaz desde un elemento generador térmico, como un transistor de potencia, a un disipador de calor, como un disipador térmico, un refrigerador termoeléctrico o ambos. En este artículo se definen con más detalle la conductividad térmica y la impedancia, al tiempo que se ofrece una introducción de alto nivel sobre los distintos tipos de TIM disponibles para el ingeniero de diseño.

Figura 1: Representación básica de un TIM que rellena entrehierros entre dos superficies no uniformes. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Resumen de la conductividad térmica

Para comprender plenamente cómo el relleno de estos huecos microscópicos puede mejorar la transferencia térmica, es esencial entender claramente la conductividad térmica. La conductividad térmica es una medida de la capacidad de un material para transmitir calor y no depende del tamaño de un componente determinado. Este parámetro suele cuantificarse en unidades de potencia dividida por la superficie multiplicada por la temperatura, como W/m°C o W/m*K. Debe tenerse en cuenta que, dado que una unidad de la escala Kelvin equivale a un grado Celsius, a la hora de realizar los cálculos solo es relevante el cambio relativo de temperatura, no el valor absoluto.

Cuando se trata de disipar el calor, siempre es más deseable una mayor conductividad térmica. Los materiales de baja conductividad térmica presentan una baja tasa de transferencia térmica, mientras que los materiales de alta conductividad térmica permiten una transferencia térmica más rápida. Por ejemplo, la conductividad térmica del aire es de solo 0.0263 W/m*K, aproximadamente dos órdenes de magnitud menos que la de los materiales de las interfaces térmicas. Cuando hay entrehierros entre el componente y el disipador, se dificulta la disipación del calor. Al rellenar estos huecos con TIM, cuya conductividad térmica es mucho mayor que la del aire, se consigue una transferencia térmica más eficaz.

Resistencia térmica

En cambio, la impedancia o resistencia térmica depende en gran medida de la forma de un componente concreto y se expresa en unidades de temperatura divididas por la potencia, es decir, grados celsius por vatio. Aunque la resistencia térmica se trata en detalle en los blogs de Same Sky Visión general de la gestión térmica y Cómo seleccionar un disipador térmico, aquí se incluye un breve resumen. La resistencia térmica, expresada en unidades de C/W, determina cuántos grados Celsius se calienta una unión por vatio de disipación de potencia. Por ejemplo, si una unión que disipa 4 vatios de potencia tiene una resistencia de 10 C/W, aumentará su temperatura 40 grados Celsius con respecto a la temperatura ambiente. A menudo, el valor de la resistencia térmica se indica para un medio y un área específicos, como un envase TO-220 al aire sin disipador térmico.

Cuando se integran varios dispositivos, se asigna un nuevo valor de resistencia térmica. Sin embargo, este valor de resistencia térmica supone que existe una conexión perfecta entre las dos superficies, lo que no siempre es el caso. En tales situaciones, se emplea un material de interfaz térmica para generar condiciones lo más parecidas posibles a las ideales. Aunque esto mejora la transferencia térmica, también añade un nivel de complejidad, ya que la resistencia térmica del TIM debe incluirse en los cálculos. Puede parecer irónico que, aunque el material de la interfaz térmica reduzca la resistencia térmica entre dos objetos, también posea su propia resistencia térmica. Este valor no es insignificante, pero sigue reduciendo la resistencia térmica entre dos objetos mucho más de lo que la aumenta. Según el tipo de TIM empleado, esta resistencia térmica puede estar prevista o tener que calcularse en función del grosor del TIM y de la superficie sobre la que se aplica.

Figura 2: Ejemplo de las vías típicas de impedancia térmica que podrían considerarse en una aplicación. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Tipos comunes de material de interfaz térmica

Los materiales de interfaz térmica, que pueden adoptar la forma de geles, grasas, pastas y almohadillas, ofrecen diversas soluciones para abordar los retos de la gestión del calor. Entre ellas, las pastas de interfaz térmica, incluidos los geles y las grasas, son conocidas por su alta conductividad térmica, flexibilidad y capacidad para rellenar huecos más grandes. Sin embargo, la aplicación de la pasta puede ser complicada, sobre todo en superficies irregulares, y no siempre produce resultados uniformes. Una aplicación excesiva puede reducir la eficacia general, mientras que una aplicación insuficiente puede comprometer el rendimiento de la interfaz térmica. Además, las pastas con base metálica, que ofrecen una conductividad térmica superior, pueden crear riesgos eléctricos si se derraman sobre la placa de circuito impreso. Las pastas cerámicas o a base de carbono pueden ser una alternativa más segura, pero su eficacia térmica puede no ser tan buena como las opciones a base de metal.

En cambio, las almohadillas térmicas son TIM sólidos fabricados con elastómeros de silicona o sin silicona, aunque también existen muchos otros materiales. Por ejemplo, las almohadillas térmicas de Same Sky son naturalmente pegajosas, están aisladas eléctricamente y tienen distintos índices de conductividad térmica, que van de 1.0 a 6.0 W/m*K. Una de las principales ventajas de utilizar almohadillas térmicas de interfaz en lugar de pastas es su facilidad de aplicación. Las almohadillas térmicas de Same Sky están precortadas para adaptarse a los perfiles de sus dispositivos Peltier, lo que ahorra tiempo y ofrece más comodidad durante el ensamble en comparación con la compra de grandes láminas de material para almohadillas y su corte a medida. Las almohadillas térmicas también proporcionan mayor consistencia, menos suciedad y son más reutilizables que las pastas térmicas.

Sin embargo, en situaciones en las que los usuarios se enfrentan a dispositivos y tamaños diversos, la pasta térmica sigue siendo la opción preferida por su versatilidad. La pasta térmica también es muy popular entre los aficionados, ya que es barata y se vende en tubos pequeños, por lo que no es necesario medirla ni dimensionarla con precisión. Esto la convierte en una opción cómoda para pequeños proyectos y aplicaciones puntuales. He aquí un breve resumen de las distintas opciones de TIM:

Cuadro 1: Resumen de las opciones de materiales de interfaz térmica. (Imagen: Same Sky)

Conclusión:

La gestión térmica eficiente es un problema complejo que requiere una serie de estrategias y soluciones. Es fundamental no pasar por alto la importancia de los materiales de interfaz térmica como componente clave del sistema global. Ya sea en la fase de prototipo, en la transición a la producción o simplemente utilizando materiales de interfaz térmica para proyectos de bricolaje, comprender las razones de su necesidad y los mecanismos que subyacen a su funcionalidad puede marcar una diferencia significativa en el rendimiento térmico de un diseño.