Pastas termoconductoras, adhesivos, compuestos e interfaces térmicas aislantes: propósito y aplicación

Para mejorar la calidad de la transferencia de calor desde una superficie que necesita ser enfriada de manera efectiva a un dispositivo diseñado para recuperar este calor, se utilizan las denominadas interfaces térmicas.

Una interfaz térmica es una capa, generalmente de un compuesto térmicamente conductor de múltiples componentes, generalmente una pasta o compuesto.

Las interfaces térmicas más populares hoy en día son las que se utilizan para los componentes microelectrónicos de las computadoras: para procesadores, para chips de tarjetas de video, etc. Las interfaces térmicas se utilizan ampliamente en otros componentes electrónicos, donde los circuitos de potencia también experimentan un alto calentamiento y, por lo tanto, necesitan un enfriamiento eficiente y de alta calidad... Las interfaces térmicas también son aplicables en todo tipo de sistemas de suministro de calor.

De una forma u otra, diversos compuestos termoconductores se utilizan en la producción de electrónica de potencia, radioelectrónica, equipos de cómputo y medida, en dispositivos con sensores de temperatura, etc., es decir, donde normalmente hay componentes calentados por la corriente de operación o por alguna otra vía.con gran disipación de calor. Hoy existen interfaces térmicas de las siguientes formas: pasta, pegamento, compuesto, metal, junta.

Pasta de transferencia de calor

La pasta térmica o simplemente pasta térmica es una forma muy común de interfaz térmica moderna. Es una mezcla plástica multicomponente con buena conductividad térmica. Las pastas térmicas se utilizan para reducir la resistencia térmica entre dos superficies de contacto, por ejemplo, entre un chip y un disipador de calor.

Gracias a la pasta termoconductora, el aire con su baja conductividad térmica entre el radiador y la superficie enfriada se reemplaza por una pasta con una conductividad térmica significativamente mayor.

Las pastas de fabricación rusa más comunes son KPT-8 y AlSil-3. Las pastas Zalman, Cooler Master y Steel Frost también son populares.

Los requisitos principales para la pasta termoconductora son que tenga la menor resistencia térmica posible, que conserve sus propiedades de forma estable a lo largo del tiempo y en todo el rango de temperaturas de trabajo, que sea fácil de aplicar y lavar, y en algunos casos es útil que haya adecuados propiedades de aislamiento eléctrico.

La producción de pastas termoconductoras está relacionada con el uso de los mejores componentes termoconductores y rellenos con una conductividad térmica suficientemente alta.

Polvos y mezclas microdispersos y nanodispersos a base de tungsteno, cobre, plata, diamante, óxido de zinc y aluminio, nitruro de aluminio y boro, grafito, grafeno, etc.

El aglutinante en la composición de la pasta puede ser aceite mineral o sintético, diversas mezclas y líquidos de baja volatilidad. Existen pastas térmicas cuyo aglomerante se polimeriza al aire.

Sucede que para aumentar la densidad de la pasta, se agregan componentes fácilmente vaporizables a su composición para que cuando se aplique la pasta sea líquida y luego se convierta en una interfaz térmica con alta densidad y conductividad térmica. Las composiciones de conductividad térmica de este tipo tienen la propiedad característica de alcanzar la conductividad térmica máxima después de 5 a 100 horas de funcionamiento normal.

Hay pastas a base de metal que son líquidas a temperatura ambiente. Dichas pastas consisten en galio e indio puros, así como en aleaciones a base de ellos.

Las mejores y más caras pastas están hechas de plata. Las pastas a base de óxido de aluminio se consideran óptimas. La plata y el aluminio dan la resistencia térmica más baja del producto final. Las pastas a base de cerámica son más baratas, pero también menos efectivas.

La pasta térmica más simple se puede hacer mezclando el polvo de plomo de un lápiz de grafito ordinario frotado sobre papel de lija con unas gotas de aceite lubricante mineral.

Como se indicó anteriormente, un uso común de la pasta térmica es como interfaces térmicas en dispositivos electrónicos donde se necesita y se aplica entre un elemento generador de calor y una estructura disipadora de calor, por ejemplo, entre un procesador y un enfriador.

Lo principal a tener en cuenta cuando se utiliza pasta térmicamente conductora es mantener el espesor de la capa al mínimo. Para lograr esto, es necesario seguir estrictamente las recomendaciones del fabricante de la pasta.

Se aplica un poco de pasta en el área de contacto térmico de las dos partes y luego simplemente se desmenuza mientras se presionan las dos superficies juntas. Así, la pasta llenará los más pequeños hoyos en las superficies y contribuirá a la formación de un ambiente homogéneo para la distribución y transferencia de calor al exterior.

La grasa térmica es buena para enfriar varios ensamblajes y componentes electrónicos, cuya liberación de calor es superior a la permitida para un determinado componente, según el tipo y las características de un caso particular. Microcircuitos y transistores de fuentes de alimentación conmutadas, escáneres lineales de dispositivos de lámparas de imagen, etapas de potencia de amplificadores acústicos, etc. Son lugares comunes para usar pasta térmica.

Adhesivo de transferencia de calor

Cuando el uso de pasta conductora de calor es imposible por alguna razón, por ejemplo, debido a la incapacidad de presionar firmemente los componentes entre sí con sujetadores, recurren al uso de pegamento conductor de calor. El disipador de calor simplemente se pega al transistor, procesador, chip, etc.

La conexión resulta inseparable, por lo que requiere un enfoque muy preciso y el cumplimiento de la tecnología para un pegado correcto y de alta calidad. Si se viola la tecnología, el grosor de la interfaz térmica puede resultar muy grande y la conductividad térmica de la junta se deteriorará.

Mezclas para macetas termoconductoras

Cuando, además de alta conductividad térmica, se requiere hermeticidad, resistencia eléctrica y mecánica, los módulos enfriados simplemente se llenan con una mezcla polimerizable, que está diseñada para transferir calor desde el componente calentado a la carcasa del dispositivo.

Si el módulo enfriado debe disipar mucho calor, entonces el compuesto también debe tener suficiente resistencia al calentamiento, al ciclo térmico y ser capaz de soportar el estrés térmico resultante del gradiente de temperatura dentro del módulo.

Metales de bajo punto de fusión

Las interfaces térmicas están ganando cada vez más popularidad basadas en la soldadura de dos superficies con un metal de bajo punto de fusión. Si la tecnología se aplica correctamente, es posible obtener una conductividad térmica baja récord, pero el método es complejo y conlleva muchas limitaciones.

En primer lugar, es necesario preparar cualitativamente las superficies de contacto para la instalación, dependiendo de su material, esta puede ser una tarea difícil.

En industrias de alta tecnología, es posible soldar cualquier metal, a pesar de que algunos de ellos requieren una preparación especial de la superficie. En la vida cotidiana, solo los metales que se prestan bien al estañado se unirán cualitativamente: cobre, plata, oro, etc.

La cerámica, el aluminio y los polímeros no se prestan para nada al estañado, con ellos la situación es más complicada, aquí no será posible lograr el aislamiento galvánico de las piezas.

Antes de comenzar a soldar, las futuras superficies a unir deben limpiarse de cualquier suciedad. Es importante hacerlo de manera efectiva, para limpiarlo de rastros de corrosión, porque a bajas temperaturas los fundentes generalmente no ayudarán.

La limpieza se suele realizar mecánicamente con alcohol, éter o acetona. Es por esto que a veces hay un paño duro y una toallita con alcohol en el paquete de interfaz térmica.El trabajo debe realizarse con guantes, ya que la grasa que se puede sacar de las manos deteriorará seguramente la calidad de la soldadura.

La soldadura en sí debe realizarse con calentamiento y cumpliendo con la resistencia especificada por el fabricante. Algunas de las interfaces térmicas industriales requieren un precalentamiento obligatorio de las partes conectadas a 60-90 °C y esto puede ser peligroso para algunos componentes electrónicos sensibles. El calentamiento inicial generalmente se realiza con un secador de pelo, y luego la soldadura se completa con el autocalentamiento del dispositivo de trabajo.

Las interfaces térmicas de este tipo se venden en forma de hoja de gloria con un punto de fusión ligeramente superior a la temperatura ambiente, así como en forma de pastas. Por ejemplo, la aleación de Fields en forma de lámina tiene un punto de fusión de 50 ° C. Galinstan en forma de pasta se derrite a temperatura ambiente. A diferencia del foil, las pastas son más difíciles de usar porque tienen que estar muy bien incrustadas en las superficies a soldar, mientras que el foil solo requiere un calentamiento adecuado durante el montaje.

juntas de aislamiento

En la electrónica de potencia, a menudo se requiere aislamiento eléctrico entre los elementos de transferencia de calor y los disipadores de calor. Por lo tanto, cuando la pasta termoconductora no es adecuada, se utilizan sustratos de silicona, mica o cerámica.

Las almohadillas suaves y flexibles están hechas de silicona, las almohadillas duras están hechas de cerámica. Hay placas de circuito impreso a base de una lámina de cobre o aluminio cubierta con una fina capa de cerámica, sobre la que se aplican trazas de lámina de cobre.

Por lo general, se trata de tablas de una sola cara, en un lado de la pista, y en el otro hay una superficie para sujetar al radiador.

Además, en casos especiales, se producen componentes de potencia en los que la parte metálica de la carcasa, que está unida al radiador, se cubre inmediatamente con una capa de epoxi.

Características del uso de interfaces térmicas.

Al aplicar y quitar la interfaz térmica, es necesario seguir estrictamente las recomendaciones de su fabricante, así como las del fabricante del dispositivo enfriado (enfriamiento). Es importante tener especial cuidado cuando se trabaja con interfaces térmicas conductoras de electricidad, ya que su exceso puede entrar en otros circuitos y provocar un cortocircuito.