Los adhesivos para disipadores de calor son componentes útiles. Se pueden utilizar para fijar disipadores de calor a dispositivos electrónicos como CPU, PCB y GPU. Los adhesivos transfieren el calor de la pieza al disipador de calor, lo que mantiene los dispositivos más fríos y fija firmemente el disipador de calor.
Este artículo analiza varios tipos de adhesivos disipadores de calor, sus aplicaciones, desafíos y aspectos de prueba.
¿Qué es el adhesivo disipador de calor?
El adhesivo para disipadores de calor es un adhesivo especial con alta conductividad térmica. Se utiliza para crear uniones fuertes entre dos superficies, disipadores de calor y/u otros componentes como semiconductores, CPU, etc. Además, estos adhesivos no solo mantienen los componentes en su lugar, sino que también eliminan el exceso de calor y enfrían las piezas. Se pueden usar para rellenar huecos sin necesidad de tornillos ni clips.
La imagen que se muestra muestra cómo el adhesivo para disipadores de calor genera un fuerte contacto térmico. Demuestra la transferencia de calor desde el SC al disipador de calor mediante materiales térmicos (TIM) como CuW y CuMo. Esto mantiene el rendimiento del dispositivo electrónico y permite una disipación de calor eficiente.
Tipos de adhesivos para disipadores de calor:
1. Cintas térmicas:
Las cintas térmicas son delgadas (de 0.05 mm a 0.2 mm) y adhesivas por ambos lados. Son fáciles de usar. Los fabricantes utilizan materiales acrílicos, de silicona o de cambio de fase para las cintas térmicas.
Las cintas acrílicas son principalmente resistentes y duraderas. Mientras tanto, las cintas de silicona son las mejores opciones por su flexibilidad y capacidad para soportar altas temperaturas (hasta 200 °C o más). Los materiales de cambio de fase se funden ligeramente cuando alcanzan entre 45 °C y 80 °C, lo que permite rellenar mejor los huecos.
2. Epoxis:
El adhesivo epoxi generalmente utiliza una unión permanente. Viene en dos tipos: soluciones de un componente (listas para usar) o de dos componentes. Mezcle bien las dos soluciones de compuestos antes de usar. Ambos adhesivos ofrecen uniones fuertes, pero el epoxi es la mejor opción para piezas de servicio pesado.
3. Adhesivos a base de silicona:
Los adhesivos a base de silicona son menos fuertes que los de epoxi, pero ofrecen flexibilidad. Pueden soportar altas temperaturas y resistir el envejecimiento. Se pueden utilizar para instalaciones temporales o menos permanentes.
Propiedades de los adhesivos disipadores de calor
| Tipo de adhesivo | Conductividad térmica (W / mK) | Resistencia Térmica (°C/W) | Resistencia de unión (psi) | Rango de temperatura de funcionamiento (° C) | Tiempo de curado (min) |
|---|---|---|---|---|---|
| Epoxy | 0.5-1.5 | 0.05-0.2 | 1,000-3,000 | -40 a 150 | 30-60 |
| Acrílico | 0.2-0.8 | 0.1-0.5 | 500-2,000 | -20 a 120 | 10-30 |
| Poliimida | 0.5-2.0 | 0.05-0.2 | 1,500-4,000 | -40 a 250 | 60-120 |
| Silicona | 0.2-0.8 | 0.1-0.5 | 500-2,000 | -50 a 200 | 10-30 |
| A base de cerámica | 1.0-5.0 | 0.02-0.1 | 1,000-3,000 | -40 a 250 | 30-60 |
| A base de grafito | 2.0-10.0 | 0.01-0.05 | 500-2,000 | -40 a 150 | 10-30 |
Propiedades de los adhesivos disipadores de calor
Conductor térmico se adhiere:
La conductividad térmica de los adhesivos muestra qué tan bien disipan el calor. Por ejemplo, un adhesivo con una conductividad de 1-3 W/mK es el mejor para uso general. En el caso de piezas de alto rendimiento, utilice adhesivos con >5 W/mK para una mejor disipación térmica.
Los fabricantes miden la conductividad con herramientas como un medidor de conductividad térmica. Calientan el adhesivo por un lado y comprueban la rapidez con la que transmite el calor.
Además, varios rellenos, como partículas de cerámica, metal o grafito, ayudan a mejorar la transferencia de calor. Los fabricantes los mezclan con adhesivos durante la fabricación.
Aislamiento electrico:
Muchos adhesivos disipadores de calor (silicona y epoxi) contienen propiedades de aislamiento eléctrico debido a la no conductividad del material por naturaleza. Esto significa que impiden el flujo o no conducen la electricidad. El aislamiento eléctrico reduce los cortocircuitos en los dispositivos.
Viscosidad:
La viscosidad mide el espesor del adhesivo en centipoise (cP). Por ejemplo, los adhesivos en pasta tienen una viscosidad de 10,000 XNUMX cP.
Los adhesivos de alta velocidad suelen ser difíciles de usar, pero se adhieren firmemente a las superficies. Por el contrario, los adhesivos tienen una viscosidad baja, gotean o ensucian, pero son fáciles de manipular.
Hora de curar:
El tiempo de curado del adhesivo se refiere al proceso de secado. Muchos adhesivos se secan rápidamente (entre 2 y 5 minutos), mientras que otros tardan hasta 24 horas.
Los fabricantes utilizan ciertas herramientas como pistolas de calor u hornos para acelerar el proceso de secado. Por ejemplo, en lugares industriales, aplican un calor de entre 80 y 100 °C al epoxi para reducir el tiempo de curado de horas a minutos.
Desgasificación:
La desgasificación es el proceso natural de liberación de gases de los componentes. Los adhesivos forman gases a medida que se secan.
Demasiado gas puede dañar partes sensibles como el espacio o los dispositivos médicos. Para ello, puedes utilizar adhesivos que liberen menos del 1% de su peso en forma de gas.
Fuerza de adherencia:
La resistencia adhesiva de los disipadores de calor no siempre permanece constante. Por ejemplo, la unión con epoxi ofrece una mayor resistencia (superior a 10 MPa), mientras que las cintas no son más resistentes y se despegan fácilmente.
Puedes medirlos separando con fuerza las superficies unidas. Comprueba cuánta fuerza utilizan en megapascales (MPa).
Materiales de interfaz térmica
La función principal de los TIM en los adhesivos para disipadores de calor es mejorar la transferencia de calor. Rellenan los pequeños huecos, reducen las bolsas de aire y crean un fuerte contacto entre las superficies.
Por ejemplo, el diagrama muestra una comparación de la transferencia de calor con y sin un TIM. El contacto directo deja espacios de aire e impide el flujo de calor, por lo que el uso de TIM reduce significativamente la temperatura de la superficie. Además, mejora la disipación general del calor.
Importancia del adhesivo para disipadores de calor
Transferencia de calor y gestión térmica:
Normalmente, cada componente eléctrico genera una cantidad importante de calor durante su funcionamiento. Por ejemplo, la sobrecarga de la CPU provoca un calentamiento excesivo de hasta 100-150 vatios. Por lo tanto, es necesario eliminar el sobrecalentamiento para proteger el dispositivo de daños.
Los adhesivos para disipadores de calor ofrecen una excelente conductividad térmica. Rellenan huecos microscópicos de hasta 0.01 mm para reducir la resistencia térmica. Tal como muestra esta imagen, diseño de disipadores de calor.
En este caso, una pared de base representa la fuente de calor que disipa el calor a través de numerosas aletas verticales (zona de aletas de pasador). La adición de una tapa superior permite que el aire pase a través de las aletas, lo que transfiere eficazmente el calor.
Estos diseños de disipadores de calor brindan suficiente área para mover el calor de manera eficiente y permiten que el dispositivo funcione dentro de límites de temperatura seguros.
Función en el mantenimiento del rendimiento óptimo del dispositivo:
El sobrecalentamiento ralentiza las tareas. Por ejemplo, el sobrecalentamiento de la CPU reduce su velocidad, lo que reduce el rendimiento entre un 30 y un 50 % y consume más energía.
El adhesivo disipador de calor mantiene el límite de temperatura y permite que los dispositivos funcionen con la máxima eficiencia. Además, una gestión térmica adecuada puede aumentar la vida útil entre un 20 y un 30 %, lo que reduce el coste de reparación.
Consecuencias de Adhesivos Inadecuados:
Tenga en cuenta los parámetros de su proyecto al utilizar cualquier adhesivo, como su temperatura, fragilidad, materiales y usos.
Un adhesivo inadecuado puede aumentar la resistencia térmica (50 % o más) debido a un relleno inadecuado de los huecos. Esto provoca puntos calientes en los que los límites de calor pueden alcanzar los 100 °C o más. Los puntos calientes dañan las piezas sensibles, ralentizan su funcionamiento y provocan averías.
Por ejemplo, si se utiliza un adhesivo de mala calidad para unir el disipador de calor de la GPU, se puede superar el límite de temperatura, lo que puede provocar fallos o incluso un apagado completo.
Cómo elegir el adhesivo adecuado para el disipador de calor
1. Movimiento de calor (conductividad térmica)
Mida la conductividad térmica del adhesivo para disipador de calor elegido. Por ejemplo, debería utilizar adhesivos con una conductividad de 1 a 3 W/mK para luces LED, PCB o transistores de potencia.
Una conductividad más alta (hasta 8 W/mK) también permite una buena transferencia de calor entre dispositivos de uso intensivo, como servidores o baterías de vehículos eléctricos. El uso de un adhesivo incorrecto puede provocar una mala transferencia de calor o una reducción de la vida útil.
La imagen muestra un sistema de disipación de calor para componentes electrónicos, que disipa eficazmente el calor generado por el CI. Los ingenieros montan este chip generador de calor (CI) en la PCB. Utilizan adhesivo TIM1 y TIM2. Esto mejora el movimiento del calor entre el chip, los difusores de calor (HSP) y el disipador de calor principal (HS).
2. Resistencia a la temperatura:
El adhesivo para disipadores de calor debe resistir altas temperaturas. Por ejemplo, una resistencia de entre 100 y 150 °C es la más adecuada para los aparatos electrónicos domésticos.
Sin embargo, las piezas de alto rendimiento, como los motores de automóviles o las máquinas industriales, necesitan una resistencia de 200 °C o superior. Los adhesivos para manipulación a baja temperatura son adecuados porque se descomponen, lo que da lugar a un rendimiento deficiente.
3. Limpieza y preparación de superficies:
Prepara las superficies para crear una unión fuerte. Para ello, se utiliza isopropilo al 90-99 % para limpiar las partes más profundas y detalladas. Elimina la suciedad, la grasa y la oxidación. No olvides lijar ligeramente las superficies ásperas para asegurarte de que el adhesivo funcione como se espera.
4. Prevención de problemas eléctricos:
Las placas de circuitos o los sensores requieren adhesivos con aislamiento eléctrico. Estas uniones evitan cortocircuitos y fugas eléctricas. En este caso, los adhesivos a base de silicona son la mejor opción. Por ejemplo, los fabricantes utilizan adhesivos no conductores (resistividad >10¹² ohm·cm) en las fuentes de alimentación.
5. Espesor y flujo:
El espesor del adhesivo es importante a la hora de rellenar los huecos. Por ejemplo, los huecos de 0.1 mm necesitan velocidades bajas de hasta 10,000 0.5 cP, como los de los teléfonos inteligentes. Por el contrario, los huecos más grandes (hasta XNUMX mm) de los motores industriales necesitan adhesivos más gruesos.
6. Tiempo de curado necesario para el adhesivo
Las uniones adhesivas tardan distintos tiempos en curarse, según el tipo, la forma y la estructura química. Algunas uniones pueden curarse en 5 a 10 minutos, mientras que otras necesitan un día entero.
Los adhesivos de curado rápido son adecuados para reparaciones rápidas. Los adhesivos de curado más lento funcionan mejor en diseños complejos. Permiten realizar ajustes durante las aplicaciones.
7. Compatibilidad de materiales:
Seleccione los adhesivos que se adapten perfectamente al material de su dispositivo. Esto significa que no deben dañar el objeto. Por ejemplo, puede utilizar pegamento epoxi para unir metales o, para plásticos, utilizar uno (silicona) que no se agriete ni se despegue con el tiempo.
Desafíos y limitaciones de los adhesivos disipadores de calor
Degradación Térmica:
La exposición constante a altas temperaturas puede romper las uniones. Las temperaturas intensas afectan su resistencia y conductividad térmica. Por ejemplo, las uniones de disipadores de calor de silicona pueden degradarse entre un 20 y un 30 % cuando se exponen al calor de forma prolongada.
Sensibilidad a la humedad:
Los adhesivos pueden absorber hasta un 2-5 % de humedad. Esto suele deberse a un entorno húmedo. La humedad reduce la fuerza de adhesión entre un 15 y un 20 %. Utilice recipientes sellados para almacenar adhesivos con una humedad inferior al 40 %.
Envejecimiento y degradación:
La oxidación o la exposición a los rayos UV es la principal causa del envejecimiento o degradación de los adhesivos. Como resultado, las uniones pueden endurecerse, agrietarse o perder flexibilidad.
Estrategias para la Mitigación:
● Se pueden aplicar varios recubrimientos de barrera, como dióxido de titanio y óxido de zinc. Estos recubrimientos ayudan a proteger los adhesivos de la humedad y los rayos UV.
● Intente almacenar los adhesivos en lugares frescos y secos a una temperatura inferior a 25 °C.
● Hay muchos aditivos antienvejecimiento disponibles para usar con adhesivos para una mayor durabilidad.
Métodos de prueba de adhesivos para disipadores de calor
Método de derivación:
Los fabricantes primero fijan el disipador de calor a la fuente de calor sin usar adhesivos, ya que quieren medir el rendimiento térmico de referencia y cuánto puede soportar el movimiento del calor y enfriar las piezas por sí solo.
Método de no derivación de bloqueo de flujo:
En esta etapa, los fabricantes bloquean el flujo de aire para iniciar una ventilación deficiente. Esto les permite determinar qué tan bien funciona el adhesivo en situaciones críticas.
Método de fuente de calor para sándwich:
Los fabricantes crean fuentes de calor en sándwich utilizando dos disipadores de calor. Colocan una fuente de calor entre ellos y aplican adhesivo en ambos lados. Este método les ayuda a controlar la distribución uniforme del calor.
Método de cadena para suspender el disipador de calor:
Suspender el disipador de calor. Utilizar una cuerda para aislar sus efectos. Esta técnica ayuda a calcular el rendimiento térmico sin contacto físico. Este método mantiene separada la eficacia del adhesivo para mostrar cómo cambia la temperatura, por ejemplo, de 100 °C a 70 °C.
Descuidos comunes:
● No descuide los aspectos ambientales al realizar las pruebas, como la humedad, el polvo o las fluctuaciones de temperatura. Por ejemplo, una humedad del 60 % puede afectar el rendimiento del adhesivo hasta en un 10-15 %.
● Es posible que cada método no sea adecuado para condiciones reales simuladas. Por ejemplo, un flujo de aire deficiente o superficies irregulares pueden generar resultados erróneos.
● Pruebe los adhesivos durante períodos prolongados en lugar de períodos cortos. El envejecimiento a largo plazo (por ejemplo, más de 1,000 horas) ayuda a evaluar la durabilidad.
Adhesivos para disipadores de calor en hardware de IA
Los adhesivos disipadores de calor son decisivos para el hardware de IA. Por ejemplo, los servidores de IA y los clústeres de GPU generan mucho calor. Por eso, estos sistemas utilizan chips potentes. Curiosamente, estos chips necesitan mantenerse fríos para funcionar bien. Los adhesivos disipadores de calor ayudan a alejar el calor de los chips. Los buenos adhesivos deben conducir bien el calor.
Conclusión:
Los adhesivos disipadores de calor mejoran significativamente el movimiento del calor en las piezas electrónicas. Mantienen los dispositivos fríos. Si utiliza los adhesivos adecuados, puede evitar el sobrecalentamiento y prolongar la vida útil del dispositivo. Además, se deben tener en cuenta varios aspectos, como la conductividad térmica, la resistencia a la temperatura y las pruebas adecuadas para obtener mejores resultados.
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