Selección del TIM (material de interfaz térmica) adecuado para su proyecto.
Elegir el TIM adecuado para su diseño puede ser tan importante como elegir el componente sobre el que actuará y el radiador al que disipará el calor.
Cualquier ingeniero que se haya enfrentado por primera vez a los cálculos de un diseño con un componente térmico crítico, ya sea por la aplicación, la ubicación del componente o su alto consumo de energía, se enfrenta a una amplia gama de materiales, formas de radiadores y opciones de ventiladores que pueden resultar abrumadoras.
En esta situación, o cuando nos encontramos con problemas para resolver el estrés y el envejecimiento que pueden producirse en un componente o placa si se someten a altas temperaturas, el asesoramiento de expertos puede ofrecer soluciones adecuadas para cada caso. El equipo de ingenieros de la división Thermal & Adhesives de Steliau Technology lleva desde 1992 aportando su experiencia, utilizando la última tecnología para verificar la idoneidad de las soluciones, así como equipos para diseñar y fabricar estas soluciones en formas totalmente personalizadas para la aplicación.
¿Por qué utilizar un TIM?
Los materiales no son completamente lisos cuando observamos la unión entre el componente y el radiador a nivel microscópico, e incluso si presionamos un material contra otro, podemos ver que las irregularidades forman pequeñas burbujas de aire entre las dos superficies y el contacto no es tan directo como parece a simple vista.
Dado que el índice de transmisión térmica del aire es muy bajo en comparación con otros materiales, es necesario eliminarlo y homogeneizar la superficie para que no haya puntos de contacto, sino una superficie de contacto. Estos efectos se consiguen utilizando un TIM (material de interfaz térmica), que es básicamente un material térmico que, debido a sus características físicas, se amolda a las irregularidades nanométricas de las superficies.
¿Qué información se necesita para elegir un TIM?
En este punto, nos enfrentamos al dilema de qué tipo de material utilizar. La respuesta no es fácil. Si consultamos el catálogo de Steliu Technology, vemos que tiene 2000 referencias en stock, y la selección no solo depende de la conductividad térmica del material cuando queremos disipar el calor o de la resistencia térmica cuando queremos aislar (Figura 2), sino que también debemos tener en cuenta datos como:
- Presión de contacto.
- La rugosidad de la superficie.
- Si la superficie es completamente plana. (Diferencia de altura entre los componentes de la PCB)
- El tiempo.
- La temperatura.
- El espesor del material.
-
Las características de relleno.
Por lo tanto, antes de decidir qué material utilizar, debemos responder a ciertas preguntas:
- ¿Cuáles son los componentes entre los que se encuentra el TIM? «Componente que se va a refrigerar y disipador térmico que se ha decidido colocar».
- ¿Los componentes están en contacto o hay un espacio que rellenar?
- ¿Qué grosor tiene el espacio entre el componente y el disipador térmico? Tolerancia nominal + mín. y máx.
- ¿Cómo se monta el componente en el disipador térmico? Tornillos, clips, etc.
- ¿Hay alguna impresión y/o dimensiones del TIM disponibles? Dependiendo de los materiales, esto nos permitirá fabricar un elemento específico para el componente, ahorrando material y costes, además de garantizar la calidad del producto final.
- ¿Cuál es el calor/potencia total (en W) generado por el componente que se va a disipar?
- ¿Se espera un valor de resistencia térmica (Rth) o conductividad térmica del TIM?
- ¿Se requiere aislamiento eléctrico?
- Datos del proyecto EAU/SOP, muestra/prototipo y L/T.
Con esta información, ahora podemos analizar la gama de TIM que se pueden utilizar:
Thin interface pads (almohadillas finas de interfaz) son un producto estándar con alta conductividad térmica, niveles de rendimiento de 0,8-3,0 W/m-K, refuerzo de película y fibra de vidrio que puede contener o no silicona, y versiones conductoras o aislantes eléctricas. Se utilizan a menudo en aplicaciones que requieren una alta rigidez dieléctrica, pero hay que tener en cuenta que requieren una presión firme para mantener su eficacia.
Una ventaja clave es que las almohadillas se pueden diseñar con la forma o el tamaño que requiera la aplicación; Steliau Technology cuenta con un equipo de diseño y maquinaria para satisfacer las necesidades del equipo o sistema.
Phase change pad (almohadilla de cambio de fase) en la que la viscosidad del material cambia en función de la temperatura (alrededor de 50-60 ºC). Dependiendo de la gama de productos, se puede encontrar en formato de almohadilla tradicional o en forma de las denominadas grasas de alto rendimiento. Esta variedad nos permite un rango de rendimiento entre 1,0 y 4,0 W/m-K, por lo que se utiliza a menudo en aplicaciones de alta computación. Para utilizar estas almohadillas, el proceso de montaje debe estar claro, ya que hay que planificar la colocación de pantallas, plantillas y almohadillas, así como los requisitos de aislamiento eléctrico.
Thermally conductive putty (masilla termoconductora) es también un producto estándar con niveles de rendimiento entre 1,0 y 8,0 W/m-K, que se puede encontrar como materiales curables (utilizando dos componentes) o materiales precurados (un solo material). Ambos formatos ofrecen soluciones con y sin silicona.
Su uso se recomienda para grandes volúmenes de producción, y se requiere un dispensador de material para un uso óptimo.
El uso de esta solución tiene la ventaja fundamental de que la presión ejercida sobre el TIM no tiene prácticamente ningún efecto sobre su deflexión en comparación con las almohadillas convencionales.
Estos compuestos están evolucionando gracias a la investigación de nuevos materiales para proporcionar un mayor rendimiento térmico y una mayor suavidad, o lo que esta característica implica, una mayor reelaborabilidad.
Gap Pads (almohadillas de relleno o separación) son almohadillas que no sólo permiten la disipación del calor, sino que también nivelan las áreas en diseños de componentes mixtos en una PCB. Hay disponibles materiales estándar con conductividades térmicas entre 0,8 y 20,0 W/m-K y espesores de hasta 6,5 mm, con o sin base de silicona.
Su diseño se adapta a la aplicación tanto en términos de forma como de conductividad térmica. Uno de los avances que se está promoviendo en la industria de los materiales es la combinación del rendimiento térmico con la absorción de EMI, lo que hace que este tipo de solución sea muy atractiva para todo tipo
Aplicaciones y soporte
Con esta variedad de soluciones de rendimiento térmico y materiales, las aplicaciones de estos componentes abarcan desde el segmento de la energía con fuentes de alimentación, convertidores CC/CC, cargadores de baterías, SAI, elementos de inducción, bombas, equipos de vehículos eléctricos, disipación para LED de potencia, elementos de inducción, electrodomésticos y mucho más. Abarca mercados verticales como la industria, la medicina, la alta fiabilidad, las telecomunicaciones, la iluminación y el transporte.
Cada mercado y cada aplicación tiene sus propias características únicas y especiales. Con 20 años de trabajo, el equipo de Steliau Technology ha adquirido experiencia y conocimientos que le permiten reducir los costes de desarrollo de productos, ofrecer análisis CFD, así como asesoramiento para las mejores recomendaciones en soluciones térmicas y soporte para nuevos productos que necesitan una solución térmica o para resolver problemas en productos existentes.
Nuestro avanzado software de simulación nos permite realizar modelización térmica y utilizar dinámica de fluidos computacional (CFD) avanzada, creando modelos precisos de equipos electrónicos que permiten diseños específicos para la industria electrónica. Este software está adaptado para superar los retos del diseño térmico, ayudando al equipo liderado por tres ingenieros especializados de la división Térmica y Adhesivos de Steliau Technology a proporcionar soluciones inmejorables.