Material de interfaz térmica

Un material de interfaz térmica ( TIM ) es cualquier material que se inserta entre dos componentes para mejorar el acoplamiento térmico entre ellos. ^{[ 1 ]} Un uso común es la disipación de calor, en la que el TIM se inserta entre un dispositivo que produce calor (por ejemplo, un circuito integrado ) y un dispositivo que disipa calor (por ejemplo, un disipador de calor ).

Se están realizando estudios intensivos para desarrollar diversos tipos de materiales de interfaz térmica (TIM) con diferentes aplicaciones. En cada interfaz, existe una resistencia térmica que dificulta la disipación del calor. Además, el rendimiento electrónico y la vida útil del dispositivo pueden degradarse drásticamente bajo sobrecalentamiento continuo y grandes tensiones térmicas en las interfaces.

Muchos esfuerzos recientes se han dedicado al desarrollo y mejora de los TIM: ^{[ 1 ]} Estos esfuerzos incluyen minimizar la resistencia térmica límite entre capas y mejorar el rendimiento de la gestión térmica, al tiempo que se abordan los requisitos de la aplicación, como el bajo estrés térmico entre materiales de diferentes coeficientes de expansión térmica , bajo módulo elástico o viscosidad , así como garantizar la flexibilidad y la reutilización.

• Pasta térmica : Utilizada principalmente en la industria electrónica , la pasta térmica proporciona una línea de unión muy fina y, por lo tanto, una resistencia térmica muy baja . Carece de resistencia mecánica (aparte de la tensión superficial de la pasta y el efecto adhesivo resultante) y requiere un mecanismo de fijación mecánica externo. Dado que no se cura, la pasta térmica se suele utilizar únicamente en aplicaciones donde el material puede estar contenido o en aplicaciones delgadas donde la viscosidad de la pasta permite que permanezca en su lugar durante su uso.
• Adhesivo térmico : Al igual que las pastas térmicas, los adhesivos térmicos proporcionan una línea de unión muy delgada, pero brindan resistencia mecánica adicional a la unión después del curado. Si bien los materiales de interfaz térmica (TIM) de curado, como los adhesivos térmicos, pueden usarse fuera de un paquete de semiconductores , a menudo se usan dentro de un paquete térmico, ya que sus propiedades de curado pueden mejorar la confiabilidad bajo diferentes tensiones térmicas. ^{[ 2 ]} Los adhesivos térmicos vienen en formulaciones de un componente y de dos componentes, que a menudo contienen aditivos para mejorar la conductividad térmica, incluidos rellenos sólidos (óxidos metálicos, negro de humo , nanotubos de carbono , etc.) ^{[ 3 ]} o gotas de metal líquido. ^{[ 4 ]}
• Relleno térmico para huecos, "masilla térmica": Se podría describir como "pasta térmica de curado" o "pegamento térmico no adhesivo". Proporciona líneas de unión más gruesas que la pasta térmica, ya que se cura y, gracias a su baja adherencia, permite un fácil desmontaje.
• Almohadilla térmica conductora : A diferencia de los materiales de interfaz térmica (TIM) anteriores, que se presentan en forma fluida, las almohadillas térmicas se fabrican y utilizan en estado sólido (aunque a menudo son blandas). Fabricadas principalmente de silicona o un material similar, las almohadillas térmicas tienen la ventaja de ser fáciles de aplicar. Proporcionan líneas de unión más gruesas (con un grosor que varía desde varios cientos de micrómetros hasta varios milímetros) para adaptarse a interfaces no planas e incluso a interfaces multicomponente, pero generalmente requieren mayor fuerza para presionar el disipador de calor sobre la fuente de calor, de modo que la almohadilla térmica se adapte a las superficies de unión.
• Cinta térmica: Estos materiales se adhieren a las superficies a unir, no requieren tiempo de curado y son fáciles de aplicar. Al igual que las almohadillas térmicas, suelen enviarse en forma sólida pero flexible y están disponibles en diversos grosores, superiores a unos pocos cientos de micrómetros.
• Materiales de interfaz térmica metálicos (TIM metálicos): Los materiales metálicos ofrecen una conductividad térmica volumétrica sustancialmente mayor , así como la menor resistencia de interfaz térmica. Esta alta conductividad se traduce en una menor sensibilidad a los espesores de la línea de unión y a los problemas de coplanaridad que los TIM poliméricos. ^{[ 5 ]} Entre los metales comunes utilizados como TIM se incluyen las aleaciones de indio, relativamente blandas y flexibles, así como la plata sinterizada .

Algunos materiales de interfaz térmica (TIM) se denominan "materiales de cambio de fase" (PCM). Esto no debe confundirse con el significado habitual de la expresión , es decir, un material que absorbe una gran cantidad de calor al fundirse. En cambio, se refiere a la capacidad del material para ablandarse a temperaturas de funcionamiento típicas, generalmente entre 55 y 60 grados Celsius. Tras ablandarse, puede rellenar todos los huecos entre la fuente de calor y el disipador de calor , de forma similar a la pasta térmica convencional. ^{[ 6 ]}

Es posible que el material de cambio de fase (PCM) requiera un período de adaptación para ablandarse y lograr un ajuste perfecto. Una vez logrado un buen ajuste, puede resultar difícil retirar el disipador de calor de la superficie del chip/tapa, ya que el PCM puede alojarse en imperfecciones microscópicas de ambas superficies y solidificarse.

Casi todas las almohadillas térmicas conductoras están hechas de PCM. Algunas pastas térmicas más recientes también están hechas de PCM, con el objetivo de lograr resistencia a la extrusión.

Los TIM de aleación de indio también se consideran de cambio de fase, ya que también se ablandan. ^{[ 7 ]}

• Disipador de calor
• Dispersor de calor