Los materiales de interfaz térmica sin silicona se ganan un lugar en un paquete de baterías donde la fuga o desgasificación de silicona pondría en riesgo la trayectoria de calor entre la celda y el refrigerante. Para un ingeniero térmico de paquetes, la pregunta es específica: ¿Este conjunto contiene superficies, sensores o uniones adhesivas que la contaminación por silicona puede degradar? ¿Y puede una química sin silicona mantener la conductividad térmica a través de los espacios y el envejecimiento que experimentará el módulo? Este artículo analiza los avances reales en materiales sin silicona. materiales de interfaz térmica, cómo se comparan con los tipos de silicio en las variables que influyen en la selección, y dónde encajan en un vehículo eléctrico refrigerado por líquido o en un paquete de almacenamiento de energía.
Por qué la exudación de silicona y la desgasificación amenazan la trayectoria térmica de la batería.
El modo de fallo recurrente en los materiales de interfaz térmica de silicona es la migración. Los siloxanos de bajo peso molecular pueden volatilizarse o filtrarse bajo calor, compresión y baja presión, para luego redepositarse en superficies cercanas. En un módulo de batería, la trayectoria del calor va desde la pared de la celda a través del material de interfaz hasta una placa fría. El aceite que se filtra sobre la superficie de sellado de la placa fría, la lente de un sensor o una placa de circuito impreso puede reducir la resistencia superficial y la tensión de ruptura, o interferir con la posterior unión y limpieza. Diversas fuentes de información describen el mismo mecanismo, lo que supone una limitación de diseño a tener en cuenta en los ensamblajes sensibles a la silicona.
El control de la contaminación es la razón práctica por la que una línea de producción puede especificar el uso de productos químicos sin silicona. Cuando se utilizan herramientas tanto para procesos con silicona como sin ella, el siloxano residual puede contaminar las uniones de soldadura y las uniones adhesivas en piezas no relacionadas. Por ello, un equipo puede optar por formulaciones sin silicona y con bajo contenido de COV cuando las normas de unión o limpieza posteriores son estrictas. El factor determinante es la limpieza y la facilidad de reparación del proceso. Las afirmaciones de que la silicona es tóxica a un límite fijo de partes por millón no están respaldadas aquí y deben ser verificadas por un organismo de normalización antes de repetirlas.
La silicona sigue siendo adecuada para la mayoría de los dispositivos electrónicos generales, por lo que la elección depende del escenario. Cuando un módulo no tiene óptica expuesta, ni sensores sensibles a las fugas, ni uniones posteriores que podrían dañarse con aceite residual, los materiales de silicona convencionales, como un grasa de silicona termoconductora Las almohadillas de silicona siguen siendo una opción razonable. La conveniencia de prescindir de la silicona se hace más evidente a medida que un conjunto incorpora superficies sensibles a la contaminación o normas de limpieza más estrictas.
¿Qué cambios introduce la eliminación de silicona en la química de los materiales de interfaz térmica?
“El término ”sin silicona” describe la matriz, no el relleno, por lo que la parte del material que conduce el calor permanece prácticamente inalterada. Estos sistemas reemplazan la estructura de polisiloxano con acrílico, poliuretano o polímeros modificados con sililo. La conductividad térmica sigue proviniendo de rellenos cerámicos o metálicos dispersos en dicha matriz. Por lo tanto, la eliminación de la silicona no aumenta ni disminuye la conductividad por sí sola; la composición química y la concentración del relleno son las que lo hacen.
Las opciones de formato reflejan en gran medida la gama de silicona, lo que mantiene los métodos de ensamblaje familiares. Los productos químicos sin silicona se presentan como rellenos de huecos, almohadillas de huecos, adhesivos termoconductores y grasas. Un equipo generalmente puede igualar un proceso existente, ya sea dispensando un relleno moldeado in situ o colocando troquelados. almohadillas térmicas. El comportamiento de curado varía según la composición química: algunos sistemas sin silicona no requieren curado y permiten un encendido inmediato, mientras que los adhesivos reactivos de dos componentes priorizan la resistencia de la unión estructural sobre el tiempo de trabajo.
Las químicas en fase de investigación buscan aumentar la conductividad mediante la ingeniería de la red de relleno. Los sistemas en estudio incluyen vías cerámicas o de carbono orientadas, matrices de poli(líquido iónico) que se están explorando para la adhesión interfacial y materiales de interfaz térmica líquida que combinan metal líquido con partículas sólidas para mantener unida una red conductora. Estas son indicaciones a tener en cuenta, no especificaciones definitivas. Considere cualquier valor de conductividad o módulo reportado como no confirmado hasta que una hoja de datos y una segunda fuente lo respalden.
Adhesivos termomecánicos sin silicona frente a adhesivos con silicona: ventajas y desventajas a tener en cuenta.
Los grados libres de silicona tienden a mejorar la contaminación y el comportamiento dieléctrico, pero pueden comprometer el cumplimiento a largo plazo, y cada tendencia requiere verificación específica para cada grado. La tabla enumera las tendencias y los riesgos típicos que deben consultarse en la ficha técnica, no las propiedades fijas de la familia de materiales. El valor en cada celda depende del grado exacto y de sus condiciones de prueba.
| Variable | A base de silicona (típico) | Sin silicona (típico, verificar según el grado) |
|---|---|---|
| Contaminación / desgasificación | Exudación y migración de siloxano bajo calor y compresión. | Menor sangrado donde la migración de siloxano es el riesgo determinante |
| comportamiento dieléctrico | Adecuado; puede variar con la edad. | Se ha informado de un mejor aislamiento en algunos grados analizados. |
| Comportamiento después del envejecimiento a alta temperatura | A menudo permanece viscoelástico | Algunos grados probados se endurecen o se vuelven quebradizos. |
| Conductividad térmica | Establecido por relleno, no por matriz | Establecido por relleno, no por matriz |
| Rango de temperatura | Amplio y dependiente de la química. | Depende del grado; consúltelo en la hoja de datos. |
El comportamiento de envejecimiento es el aspecto que con mayor frecuencia se malinterpreta, por lo que requiere una verificación. En una prueba de envejecimiento a alta temperatura de 2000 horas a 125 °C, realizada según la norma JEDEC JESD22-A103E y publicada en la revista *Materials*, un relleno de huecos sin silicona se endureció, mientras que el material a base de silicona se mantuvo viscoelástico. La muestra sin silicona también mostró un mejor comportamiento dieléctrico para aplicaciones críticas de aislamiento. Este resultado abarca los dos grados probados bajo esa condición de envejecimiento en almacenamiento. No se extiende a todos los productos sin silicona ni a ciclos térmicos de alta y baja temperatura. El paso práctico consiste en cualificar la dureza envejecida y el comportamiento de la línea de unión para el grado específico, en lugar de asumir que se mantienen.
Las comparaciones de conductividad conllevan el mayor mito, y vale la pena corregirlo directamente. Porque conductividad térmica de la almohadilla En función del tipo y la concentración del relleno, un grado sin silicona no es inherentemente más o menos conductor que uno con silicona. Ambos pueden formularse para un amplio rango de conductividad. Cualquier afirmación de que los materiales sin silicona superan automáticamente a la grasa o las almohadillas de silicona debe interpretarse como específica para cada grado.
Selección de una membrana de intercambio iónico (TIM) sin silicona para la trayectoria de la celda al refrigerante.
La selección de un material de interfaz térmica (TIM) sin silicona para un paquete comienza con el espacio entre celdas, ya que este determina la clase de material. Es importante que el espacio entre la celda o módulo y la placa fría coincidan con la flexibilidad del material. Los espacios amplios e irregulares favorecen el uso de un relleno adaptable que rellene los huecos a baja presión, mientras que las interfaces delgadas y planas admiten una almohadilla más fina o una película dispensada. Una discrepancia en este aspecto se manifiesta como aire atrapado y puntos calientes, por lo que es fundamental confirmar el espacio máximo de apilamiento antes de definir el formato.
El estrés de ensamblaje y la automatización influyen tanto en el formato como las características térmicas. Un relleno sin silicona de bajo módulo que se comprime hasta formar una línea de unión mínima sin sobrecargar las celdas delicadas puede ser más valioso que una conductividad ligeramente superior que requiere una fuerza de sujeción elevada. Un material de moldeo in situ dispensable también se adapta mejor a las líneas de empaquetado automatizadas que las almohadillas colocadas manualmente. Cuando la interfaz también soporta carga estructural, un adhesivo termoconductor sin silicona inclina la decisión hacia la resistencia de la unión y el tiempo de curado, lo que a su vez limita el tiempo de ciclo.
El curado, la facilidad de mantenimiento y el aislamiento completan la selección y se vinculan con los objetivos del ciclo de vida del paquete. Un relleno no curable permite realizar una prueba de potencia de línea inmediatamente. Un adhesivo reactivo se fija en su posición, pero complica el retrabajo y el desmontaje al final de la vida útil, una limitación que importa ya que los paquetes están diseñados para seguridad de la batería y refrigeración líquida, facilidad de mantenimiento y reciclaje. Dado que la mayoría de las interfaces de los paquetes también deben aislar eléctricamente la celda de la placa fría, confirme la rigidez dieléctrica en la línea de unión envejecida y comprimida, utilizando las pruebas mecánicas, geométricas y dieléctricas apropiadas para cada propiedad. Una exposición al envejecimiento como la JEDEC JESD22-A103E establece las condiciones de almacenamiento antes y después de las cuales se realizan esas pruebas por separado. Por sí sola, no mide la dureza, el espesor de la línea de unión ni la rigidez dieléctrica. Verificar estas cuatro variables en conjunto garantiza que una opción sin silicona sea sólida durante toda la vida útil del módulo.
Dónde encajan los TIM sin silicona
La química sin silicona resulta adecuada en entornos donde las normas de limpieza y las limitaciones de fabricación ya desaconsejan su uso. Los paquetes de baterías para vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía son un ejemplo de ello. Cuando un diseño busca mantener las celdas a temperaturas cercanas a la ambiente y considera que las fluctuaciones prolongadas hacia los límites superiores de la celda representan un riesgo para la vida y la seguridad, el material de interfaz debe resistir los ciclos térmicos sin dañar las placas de refrigeración, los sensores ni las uniones. Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías se enfrentan a los mismos desafíos a mayor escala, por lo que los rellenos y adhesivos sin silicona son una opción común en los diseños térmicos de los paquetes.
Más allá de las baterías, esta misma regla se aplica a cualquier conjunto sensible a la silicona. Los componentes ópticos, sensores, dispositivos médicos y componentes aeroespaciales pueden ser intolerantes a la fuga o desgasificación, por lo que se utilizan materiales sin silicona en estos casos debido a la contaminación que se produce dentro de un paquete de baterías. Esta lógica de ingeniería se mantiene incluso si las limitaciones de temperatura y espacio varían según la aplicación.
En el ámbito de la ciencia de los materiales, el progreso a corto plazo es gradual y depende en gran medida de los rellenos. El refuerzo con nanofillers, las vías conductoras orientadas y los híbridos de metal líquido buscan aumentar la conductividad manteniendo la conformidad, y todos ellos siguen enfrentándose a los mismos requisitos de cualificación en cuanto a envejecimiento, aislamiento y facilidad de fabricación. El seguimiento de estos datos de cualificación es un indicador más fiable del progreso que las cifras de conductividad que se muestran en los titulares.
Conclusión
La principal consideración para los materiales de interfaz térmica sin silicona es que la decisión sobre la contaminación y la limpieza es prioritaria, y la conductividad, secundaria. Se deben especificar cuando un paquete tenga superficies sensibles a la silicona, normas de fabricación estrictas o necesidades de mantenimiento y aislamiento que la filtración de silicona podría comprometer, y se debe mantener la silicona cuando no existan dichas presiones. La propiedad que con mayor frecuencia se interpreta erróneamente es el envejecimiento. Dado que algunos grados sin silicona se endurecen con el tiempo, es necesario calificar la dureza envejecida, el espesor de la línea de unión y la rigidez dieléctrica para el grado específico. Se debe utilizar una exposición de envejecimiento por almacenamiento reconocida, como JEDEC JESD22-A103E, como condición, y las pruebas mecánicas y dieléctricas apropiadas para las mediciones. La compatibilidad del material con el espacio, la tensión de ensamblaje, el curado y el aislamiento a lo largo de esa trayectoria de calor es donde los materiales de interfaz Trumonytechs' y los diseños de placas frías deben trabajar juntos.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Necesito un relleno de huecos sin silicona para un paquete de baterías de vehículos eléctricos, o la silicona es aceptable?
Esto lo determina la sensibilidad a la contaminación, no la batería en sí. Especifique un relleno sin silicona cuando el paquete tenga sensores, superficies de sellado o juntas adhesivas sensibles a la fuga, o cuando la línea de producción exija normas de bajo contenido de COV y sin silicona. Si no se aplica ninguna de estas condiciones, un material de silicona bien elegido puede funcionar correctamente.
¿Un material de interfaz térmica (TIM) sin silicona pierde conductividad térmica o se vuelve quebradizo después del envejecimiento térmico?
Algunos materiales se endurecen con el tiempo, por lo que esto debe verificarse para cada producto específico. Un estudio publicado sobre el envejecimiento por almacenamiento a alta temperatura (125 °C) durante 2000 horas, conforme a la norma JEDEC JESD22-A103E, reveló que un relleno de huecos sin silicona se endureció, mientras que uno con silicona se mantuvo viscoelástico. Por ello, el comportamiento mecánico y dieléctrico tras el envejecimiento debe evaluarse individualmente para cada material.
¿Puede la desgasificación de la silicona contaminar la placa fría, las celdas o la placa de circuito impreso de un módulo?
Sí, y ese riesgo es la principal razón por la que existen materiales sin silicona. Los siloxanos de bajo peso molecular pueden migrar bajo calor y compresión hacia las superficies de sellado, los sensores o las placas, lo que reduce la resistencia superficial y la tensión de ruptura, o dificulta la posterior adhesión y limpieza.
¿Los materiales de interfaz térmica (TIM) sin silicona son siempre más conductores que los que contienen silicona?
No; la conductividad depende del tipo y la concentración del relleno, no de si la matriz está libre de silicona. Ambas composiciones químicas pueden formularse en un amplio rango de conductividad, por lo que conviene comparar los grados en lugar de las familias de materiales.
Lecturas adicionales
- Estudio comparativo del efecto del envejecimiento térmico en materiales de relleno de huecos térmicos a base de silicona y sin silicona (revista *Materials*, 2021) — Estudio de envejecimiento por almacenamiento a alta temperatura revisado por pares (JEDEC JESD22-A103E) que respalda las compensaciones entre endurecimiento y propiedades dieléctricas mencionadas anteriormente; se aplica a los dos grados probados, no a todos los materiales libres de silicona.
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