Los materiales de interfaz térmica para aplicaciones de electrónica de potencia transportan el calor a través del contacto imperfecto entre un semiconductor de potencia y su disipador de calor o placa fría. La elección de uno es una decisión de sistema, no una búsqueda del valor más alto en una hoja de datos. Dos superficies planas que parecen planas aún se tocan en una pequeña fracción de su área. El aire atrapado en los espacios restantes conduce mal, aproximadamente 0,025 W/m·K, por lo que se necesita algo mejor para desplazarlo. Una revisión por pares de la electrónica de alta potencia reporta flujos de calor en estado estacionario del orden de 150–200 W/cm², y transitorios pulsados superiores a 400 W/cm². Con esos flujos, una interfaz delgada y mal ajustada puede dominar el aumento de temperatura, incluso cuando todas las demás capas están bien diseñadas. Las secciones siguientes cubren qué hace la interfaz, por qué la conductividad por sí sola puede ser engañosa, qué familias de materiales están disponibles y cómo el espacio, el aislamiento, el curado y el método de ensamblaje determinan la respuesta.
Función de un material de interfaz térmica en una pila de electrónica de potencia
Un material de interfaz térmica ocupa la única capa en la pila de un módulo de potencia que el ensamblaje, no la física, permite controlar libremente. El calor sale del chip y pasa a través de la unión del chip, el sustrato (a menudo una capa de cobre de unión directa) y la placa base, para luego cruzar al disipador de calor o placa de refrigeración líquida. Cada una de estas capas tiene un material y una geometría fijos una vez que el módulo está ensamblado. La unión entre la placa base y el disipador es diferente: se rellena durante el ensamblaje y su resistencia depende de la calidad de dicho relleno. Debido a que es variable y a menudo se controla de forma deficiente, esta unión contribuye frecuentemente a la trayectoria térmica total. La magnitud de esta contribución depende de la pila específica, por lo que conviene verificarla mediante mediciones en lugar de asumirla.
La interfaz es importante porque la resistencia de contacto es proporcional a la superficie real de contacto metal-metal, y las superficies mecanizadas ofrecen poca superficie de contacto. La rugosidad superficial, la deformación por soldadura y el patrón de sujeción dejan huecos microscópicos y macroscópicos. Un material de interfaz térmica (TIM) rellena esos huecos, permitiendo que el calor se conduzca a través del material sólido en lugar de acumularse en el aire. El mismo módulo de potencia puede funcionar a una temperatura notablemente inferior o superior según el material que rellene esos huecos y su aplicación. Para comprobar la magnitud de este efecto en su propio conjunto de componentes, mida la temperatura de la carcasa o de la unión bajo carga.
Por qué una mayor conductividad por sí sola no reduce la temperatura de la unión.
Buscar la máxima conductividad térmica volumétrica es una forma común de gastar de más y aun así no alcanzar el objetivo de temperatura. El valor que llega a la unión representa la resistencia térmica en toda la junta. Esta resistencia depende del grosor de la línea de unión y de la resistencia de contacto, al menos tanto como de la conductividad del material. Una pasta de alta conductividad aplicada en exceso puede resultar inferior a un material de conductividad moderada bien utilizado, al igual que una almohadilla rígida que no se adapta a la fuerza de sujeción disponible.
El grosor de la línea de unión es un factor que a menudo se pasa por alto. Las grasas pueden llegar a tener un grosor de decenas de micras bajo presión. Una almohadilla de separación suele tener que ser varias veces más gruesa para compensar una interfaz irregular, y la resistencia aumenta aproximadamente con ese grosor. Para módulos de alta potencia, un objetivo común es una baja resistencia de unión, generalmente inferior a 1,0 K·cm²/W. Considere este valor como una cifra que depende de las condiciones, no como un estándar. Se alcanza ajustando la conformidad y la aplicación del material a la separación real, no midiendo el valor más alto de W/m·K disponible. Verifique el resultado como resistencia instalada o temperatura de la carcasa medida bajo carga, ya que la conductividad volumétrica citada de forma aislada no predice el rendimiento del conjunto.
Familias de materiales de interfaz térmica (TIM) utilizadas en electrónica de potencia y sus ventajas e inconvenientes.
Cada familia de TIM sacrifica rendimiento térmico frente a tolerancia de huecos, comportamiento eléctrico y capacidad de retrabajo. Por eso, la familia adecuada se determina a partir de la interfaz antes que a partir de una especificación de conductividad. tipos y características La superposición es suficiente como para que la separación y el ensamblaje sean factores determinantes en la elección, y no la conductividad nominal. La tabla muestra rangos típicos, que dependen de las condiciones, para comparar familias según las dimensiones que influyen en la decisión.
| Familia TIM | Conductividad volumétrica (W/m·K) | Dirección del flujo de calor | Línea de unión/espacio típico | ¿Aislante eléctrico? | ¿Reformable? | La mejor opción en electrónica de potencia. |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Grasa/pasta térmica | ~2–10 (las calificaciones mejoradas son más altas) | Plano pasante | Decenas de micras bajo presión | Depende del grado | Limitado; riesgo de derrames y desorden. | Uniones planas y bien sujetas entre el módulo y la placa fría. |
| Almohadilla de separación | ~1–5 | Plano pasante | Fracciones de milímetro a unos pocos milímetros | Disponibles grados de aislamiento | Sí | Espacios irregulares, menor presión de montaje |
| Material de cambio de fase | Depende del grado | Plano pasante | Transición delgada y autonivelante por encima de la línea de transición. | Depende del grado | Semi-permanente | Juntas planas de alta potencia que requieren una resistencia baja y repetible. |
| Relleno de huecos (dispensado) | ~1–4 | Plano pasante | Se ajusta al hueco | Depende del grado | Limitado una vez curado | Tolerancias grandes o desiguales |
| Adhesivo termoconductor | ~1–4 (grados especializados superiores) | Plano pasante | Delgado a moderado | Depende del grado | No — enlace estructural | Cuando se requiere unión estructural |
| Película de grafito/carbono | Alta en el plano; menor a través del plano | Propagación en el plano | Muy fino | A menudo son conductores de electricidad. | Moderado | Articulaciones delgadas y planas donde la expansión lateral ayuda |
La resistencia de la junta instalada es el parámetro que determina la temperatura de la unión. Los valores publicados no se reportan de forma uniforme en todas estas familias, por lo que la columna de conductividad sirve como guía aproximada y se debe confirmar la resistencia instalada. Las grasas y los materiales de cambio de fase son adecuados para una interfaz plana y firmemente sujeta, donde alcanzan una línea de unión delgada y mantienen una baja resistencia bajo carga. Las almohadillas y los rellenos de huecos dispensados son útiles cuando el hueco es mayor o irregular y la fuerza de sujeción es limitada. Ofrecen cierta conductividad a cambio de flexibilidad para rellenar el espacio sin sobrecargar el módulo. Los materiales adhesivos proporcionan unión estructural o tolerancia a las vibraciones donde la junta debe soportar carga, a costa de una menor facilidad de reparación.
Adaptación de un material de interfaz térmica (TIM) a la interfaz: separación, planitud, tensión de ensamblaje y automatización.
La selección debe comenzar por la separación y la planitud de la interfaz. Estas determinan la adaptabilidad que requiere el material antes de que valga la pena comparar su conductividad. Una unión con una tolerancia de unas pocas decenas de micras y una sujeción firme es adecuada para una grasa delgada o una película de cambio de fase. Una placa base deformada o un conjunto con tolerancias amplias requiere una almohadilla de separación o un relleno de separación dispensado que se adapte sin necesidad de alta presión. Mida la separación real y su variación a lo largo de la huella, no el valor nominal de diseño, ya que esta medición suele cambiar el resultado.
Las tensiones de montaje pueden descartar silenciosamente materiales que, de otro modo, serían adecuados. Una almohadilla rígida y de alta conductividad puede transmitir fuerza a través de un módulo SiC o IGBT de gran tamaño. Que dicha fuerza sea suficiente para deformar el sustrato o provocar fatiga en las uniones de soldadura durante los ciclos térmicos depende de la construcción del módulo y del diseño de la abrazadera. Solicite al proveedor datos de compresión-deformación y compárelos con la fuerza que su diseño mecánico puede aplicar realmente. La opción más flexible suele ser la más fiable, incluso con una conductividad menor.
El método de automatización determina qué materiales mantienen su repetibilidad a gran escala. Los rellenos de huecos dispensados y las grasas impresas con plantilla se adaptan a las líneas automatizadas y permiten un control unitario de la línea de unión. Las almohadillas colocadas manualmente sacrifican parte de ese control a cambio de herramientas más sencillas. Un material que un técnico aplica bien a mano puede variar más una vez que se coloca a gran escala, por lo que es fundamental validar el método de aplicación con datos unitarios de la línea de unión o la resistencia antes de tomar una decisión. Cuando se consideran la interfaz, el hueco, el aislamiento y el proceso, lo que justifica la selección es priorizar esas restricciones, no clasificar por conductividad.
Aislamiento eléctrico, curado y fiabilidad bajo ciclos térmicos
Primero, defina la función eléctrica de la interfaz, ya que esto puede descartar familias enteras de materiales. Cuando el material de interfaz térmica (TIM) se ubica entre una placa base activa y un disipador de calor conectado a tierra, y proporciona aislamiento, debe ser eléctricamente aislante con un margen suficiente. Los materiales aislantes suelen tener una rigidez dieléctrica de varios kV/mm. El valor útil depende del producto y el espesor específicos, por lo que conviene confirmarlo en la hoja de datos. Si el aislamiento se gestiona en otra parte de la pila, se abren opciones eléctricamente conductoras, como materiales con carga metálica o grafito. El problema de diseño radica entonces en mantenerlos alejados de las pistas cercanas.
El comportamiento de curado y adhesión determina si la unión es reparable. Las grasas, geles y almohadillas que no se curan permiten reparar o reemplazar un módulo. Un adhesivo termoconductor se cura formando una unión estructural que resiste la vibración, pero generalmente no se puede reparar sin dañar la unión, dependiendo del adhesivo. Elija un material que se cure solo cuando la adhesión sea un requisito, ya que esto afecta la reparación, la gestión de la garantía y la reparación de la línea.
La fiabilidad durante los ciclos térmicos es donde una buena medición inicial puede fallar en servicio. Las grasas pueden sufrir exudación y secado debido a que la expansión y contracción repetidas expulsan material de la junta. Las almohadillas pueden sufrir deformación permanente por compresión, y los coeficientes de dilatación térmica incompatibles pueden provocar delaminación o huecos que aumentan la resistencia con el tiempo. La rapidez con la que aparecen estos problemas depende de la química del material, la presión de sujeción, la línea de unión y el rango de temperatura y perfil de ciclo al que está expuesta la pieza, por lo que deben considerarse riesgos para la cualificación, no certezas. La norma ASTM D5470 proporciona una base común para medir la transferencia de calor en estado estacionario y la resistencia térmica en condiciones específicas. No reproduce el envejecimiento, por lo que debe combinarse con datos de exudación y ciclos térmicos para las temperaturas que realmente experimentan sus componentes electrónicos de potencia.
Aplicación de materiales de interfaz térmica (TIM) en la ruta de la celda al refrigerante en baterías de vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía (ESS).
En un paquete de baterías para vehículos eléctricos o sistemas de almacenamiento de energía, un material de interfaz térmica (TIM) interviene en más de una ruta de disipación de calor, y estas rutas no forman una única cadena en serie. Las celdas disipan el calor a través de su propia interfaz hacia una placa fría o estructura de refrigeración: celda a TIM y de ahí a la placa fría. La electrónica de potencia forma una ruta independiente, donde la unión del semiconductor transfiere el calor a través de su encapsulado y placa base, a través de un TIM y hacia un disipador de calor o placa fría. El inversor de tracción y sus módulos IGBT o SiC no constituyen una capa obligatoria entre las celdas y el refrigerante. Son una carga paralela en la misma arquitectura de refrigeración. Si se eligen adecuadamente, ambas interfaces mantienen la resistencia de su propia ruta dentro de los límites permitidos durante el ciclo de trabajo del paquete.
La forma de la interfaz difiere según la ubicación, así que confírmela con el paquete y el montaje reales en lugar de asumirla. Las placas base de los módulos de potencia con sujeción rígida pueden presentar juntas planas y bien controladas donde una fina capa de grasa o una película de cambio de fase resulta beneficiosa. La electrónica del lado de la batería y las placas de control suelen presentar huecos irregulares que se adaptan a rellenos y almohadillas compresibles, pero verifique la planitud, la sujeción y el hueco en el conjunto real. La compatibilidad de cada interfaz con su refrigerador es donde se ve el beneficio a nivel de paquete, porque la placa fría mejor mecanizada se desperdicia si la junta que la alimenta es gruesa o tiene huecos. Trumonytechs desarrolla materiales de interfaz térmica y placas frías líquidas compatibles para la refrigeración de paquetes de baterías y electrónica de potencia; Descubra nuestras soluciones TIM emparejar un relleno de huecos, una almohadilla o un material dispensado con el componente de refrigeración contra el que se asienta. La misma disciplina se aplica dondequiera que se encuentren los componentes electrónicos de potencia, desde un inversor de vehículo hasta paquetes de baterías de almacenamiento de energía en centros de datos, donde el ciclo de trabajo y la variación del espacio determinan el material más que cualquier cifra de conductividad individual.
Conclusión
La interfaz, no la hoja de datos, debe determinar el material de interfaz térmica para la electrónica de potencia. Antes de preseleccionar cualquier material, establezca cuatro restricciones: la separación y su variación, la fuerza de sujeción que permite el diseño mecánico, si la unión debe aislar y si debe permanecer en condiciones de mantenimiento. Deje que estas restricciones reduzcan la familia de opciones y, posteriormente, que la conductividad decida el resultado final. Tratar una alta clasificación W/m·K como objetivo es un error, ya que el grosor de la línea de unión, la resistencia de contacto y el comportamiento cíclico son lo que realmente afecta a la unión. Confirme la elección midiendo la resistencia instalada o la temperatura de la carcasa bajo carga real. Finalmente, califique las grasas para su bombeo durante la vida útil del paquete según un número de ciclos definido, un rango de temperatura, una condición de sujeción y un criterio de fallo, no un valor genérico de vida útil.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Necesito una almohadilla térmica o pasta térmica para un módulo IGBT?
La elección debe corresponder a la unión, no al nombre del módulo. La pasta térmica es adecuada para una placa base IGBT plana y firmemente sujeta, ya que alcanza una línea de unión delgada. Una almohadilla térmica es más apropiada para espacios irregulares o diseños con fuerza de sujeción limitada. La pasta ofrece menor resistencia cuando la interfaz funciona correctamente; una almohadilla sacrifica algo de conductividad a cambio de flexibilidad y una colocación más sencilla y repetible.
¿Qué conductividad térmica necesito realmente para un módulo de potencia de SiC?
El objetivo útil es una baja resistencia de unión instalada, no un único valor de conductividad, ya que el grosor de la línea de unión y la resistencia de contacto suelen ser más importantes. Para módulos de alta potencia, una resistencia de unión inferior a aproximadamente 1,0 K·cm²/W es un objetivo común. Se trata de un objetivo que depende de las condiciones específicas y que se alcanza adaptando la flexibilidad y la aplicación del material a la separación real, no comprando el valor más alto de W/m·K disponible en el mercado.
¿Puedo usar un material de cambio de fase en lugar de grasa para módulos de alta potencia?
A menudo, sí. Los materiales de cambio de fase se eligen frecuentemente para uniones planas de alta potencia porque se ablandan por encima de su temperatura de transición y forman una línea de unión fina y de baja resistencia. Mientras que la grasa aplicada manualmente varía de una unidad a otra, una película de cambio de fase puede mantener una línea de unión más uniforme, aunque conviene confirmarlo para su propio producto y proceso. La desventaja es que la película es semipermanente y requiere una interfaz plana y bien sujeta para funcionar correctamente.
¿Qué grosor debe tener la línea de unión de la interfaz térmica?
Busque la línea de unión más delgada que permita la interfaz, rellenando al mismo tiempo todos los huecos, ya que la resistencia aumenta con el grosor. Las grasas y las películas de cambio de fase pueden alcanzar decenas de micras bajo presión en una junta plana, mientras que un espacio irregular requiere una almohadilla o relleno más grueso. Mida el espacio real en toda la superficie de contacto en lugar de confiar en el valor nominal.
¿Es necesario que un material de interfaz térmica (TIM) para electrónica de potencia sea eléctricamente aislante?
Solo cuando la interfaz proporciona aislamiento entre una placa base activa y un disipador de calor conectado a tierra, debe ser aislante con un margen dieléctrico adecuado para la tensión aplicada y el espesor. Si el aislamiento se gestiona en otra parte del conjunto, se pueden utilizar materiales conductores, pero el diseño debe mantenerlos alejados de los conductores adyacentes.
Lecturas adicionales
- Avances recientes en materiales de interfaz térmica para la gestión térmica de dispositivos electrónicos de alta potencia. — Revisión por pares (Micromachines, vía NCBI PMC). Respalda las cifras de flujo de calor de alta potencia y los rangos de conductividad utilizados para definir las ventajas y desventajas de los materiales mencionados anteriormente.
- Los materiales de interfaz térmica avanzados ayudan a superar los desafíos térmicos de la densidad de potencia. — Medios técnicos de la industria (Diseño Electrónico). Información general sobre cómo los materiales de interfaz térmica abordan la creciente densidad de potencia en los módulos de electrónica de potencia modernos.
