TIMs explicados: Grasas, almohadillas de relleno y materiales de cambio de fase

¿Por qué dos superficies que parecen perfectamente planas aún pueden crear un grave cuello de botella térmico? En la refrigeración electrónica, la respuesta suele encontrarse en las diminutas brechas entre ellas y en el material utilizado para llenar esas brechas.

¿Qué es un material de interfaz térmica?

Un material de interfaz térmica (TIM, por sus siglas en inglés) se utiliza en el encapsulado de circuitos integrados y en la gestión térmica de dispositivos electrónicos para llenar microvacíos y valles superficiales donde entran en contacto dos materiales. Al llenar esos espacios, un TIM reduce la resistencia térmica de contacto y ayuda al dispositivo a disipar el calor de forma más eficaz.</p>

Por qué son importantes los TIM: El problema del 10 % de contacto

Los materiales microelectrónicos y las superficies de los disipadores de calor nunca son perfectamente planos a nivel microscópico. Cuando se montan directamente, el área real de contacto puede ser solo aproximadamente el 10 % del área de la base del disipador de calor. El resto está ocupado por intersticios de aire.</p>

Ese es un problema importante porque el aire tiene una conductividad térmica de solo aproximadamente 0,024 W/(m·K). Esas intersticios de aire generan una alta resistencia térmica de contacto y evitan que el disipador de calor cumpla su función.

Un material de interfaz térmica (TIM) de alta conductividad llena los espacios, desplaza el aire y crea una trayectoria térmica eficaz entre la fuente de calor y el disipador térmico. En otras palabras, el disipador térmico puede ser excelente, pero la interfaz sigue determinando si funciona o no.</p>

¿Qué caracteriza a un TIM ideal?

Un TIM ideal debería ofrecer:

• Alta conductividad térmica
• Alta conformabilidad/flexibilidad para que llene los huecos bajo baja presión de montaje y mantenga baja la resistencia de contacto
• Aislamiento eléctrico
• Fácil instalación y retirada
• Amplia aplicabilidad, cubriendo tanto brechas pequeñas como grandes

Esta lista de verificación es un marco de evaluación útil al comparar materiales reales.

Tres TIMs comunes y cuándo utilizarlos

• 1. Grasa térmica

La pasta térmica se fabrica típicamente a partir de aceite de silicona como material base, con cargas resistentes al calor y conductoras del calor.</p>

Ventajas: Bajo costo y extremadamente común.

Inconvenientes: Es difícil de aplicar, el aceite de silicona puede filtrarse y puede secarse con el tiempo. En general, no se recomienda para productos de larga duración.

• 2. Almohadillas térmicas de silicona

Las almohadillas térmicas de silicona utilizan silicona como base, con aditivos como óxidos metálicos, y se fabrican mediante procesos especiales. También se denominan almohadillas de relleno, películas de silicona o almohadillas térmicas blandas.

Rellenan los espacios y transfieren el calor entre los componentes generadores de calor y los disipadores de calor, además de proporcionar aislamiento, amortiguación de vibraciones y sellado.</p>

Apoyan diseños miniaturizados y ultradelgados y están disponibles en una amplia gama de espesores.

Ventajas: Buena gama y estabilidad térmicas, superación de brechas en el proceso, aislamiento eléctrico, absorción de vibraciones y ruidos, e instalación, ensayo y reutilización fáciles.

• 3. Materiales de cambio de fase

Los materiales de cambio de fase (MCP) cambian de fase con la temperatura y proporcionan calor latente. El cambio de fase sólido-sólido puede absorber una cierta cantidad de calor y amortiguar los picos de alto flujo térmico, como si se añadiera un «depósito» al camino térmico.

Las temperaturas comerciales de cambio de fase están alrededor de 45–50 °C. Se utilizan principalmente en CPUs y otras fuentes de calor con altos flujos térmicos transitorios, especialmente para proteger durante el arranque o el reinicio. Preste atención a su capacidad térmica y a su resistencia térmica; algunos productos pueden tener un grosor tan reducido como 0,125 mm.

Advertencias: Pueden ser difíciles de almacenar e instalar, la filtración de aceite de silicona puede afectar la eficiencia luminosa de los equipos de iluminación y su fiabilidad es solo moderada. Bajo un uso prolongado a altas temperaturas, su rendimiento puede disminuir aproximadamente un 40 %–70 % en unos dos años. Son más adecuados para electrónica de consumo, ordenadores portátiles y consolas de juegos.

Conclusión

Los materiales de interfaz térmica afectan directamente la calidad de la interfaz térmica. La grasa térmica es económica y común, pero presenta una baja fiabilidad a largo plazo; las almohadillas para rellenar huecos ofrecen aislamiento, amortiguación y posibilidad de reutilización; los materiales de cambio de fase ayudan a amortiguar los picos transitorios de calor, pero presentan limitaciones en cuanto al almacenamiento, el goteo y la fiabilidad a largo plazo. Elija el material de interfaz térmica según el tamaño del hueco, la presión de montaje, las necesidades de aislamiento, los requisitos de reutilización y la vida útil operativa, no únicamente según su conductividad térmica.