Los adhesivos térmicos son partículas importantes. Los fabricantes los utilizan para unir componentes electrónicos o termosensibles. Por ejemplo, se pueden utilizar en teléfonos móviles, ordenadores o LED. Estos adhesivos ofrecen buena conductividad térmica y disipan el calor.
Los adhesivos térmicos vienen en pastas, cintas y películas. Considere las características térmicas y mecánicas de su proyecto antes de elegir el adhesivo adecuado.
En este artículo, conozca las tres principales aplicaciones del adhesivo térmico en la electrónica.
II. ¿Qué son los adhesivos térmicos?
Los adhesivos térmicos son tipos de uniones. Proporcionan una excelente conductividad térmica en componentes electrónicos. Los fabricantes los utilizan para mantener los dispositivos refrigerados y lograr una transferencia de calor eficiente.
A. Tipos de adhesivos térmicos
Epoxy:
El adhesivo epoxi es una opción de unión resistente para componentes robustos. Dura más de 20 años. Este adhesivo requiere una temperatura superior a 120 °C para secarse. Para retirarlo, aplique la misma temperatura. Esta unión es fuerte y soporta condiciones extremas. Puede utilizarse en hormigón, madera, metales, algunos plásticos, etc.
Silicona:
Los fabricantes elaboran adhesivos de silicona con sílice. Esta unión facilita la unión de dos piezas que el epoxi. Mantiene su adaptabilidad a temperaturas de hasta 200 °C. Estos adhesivos suelen durar entre 10 y 15 años.
Acrílico:
Los adhesivos acrílicos son menos resistentes que los epoxi. Secan rápidamente y duran de 5 a 7 años. Además, este pegamento apenas soporta temperaturas superiores a 120 °C. Puedes usarlo para reparaciones rápidas, como reparar pequeñas grietas.
Forma de adhesivos térmicos
Pegar:
Los adhesivos en pasta son más espesos y se extienden fácilmente en zonas irregulares. Se pueden usar manualmente o con una espátula para secciones más grandes. Sin embargo, suelen gotear sobre los componentes y causar suciedad. Los adhesivos en pasta ofrecen espesores de hasta 0.1-0.5 mm.
Cine:
El adhesivo para película es como una lámina delgada y ofrece el método más sencillo. Controle la adherencia de la película y utilice un rodillo o prensa para una adhesión uniforme. Puede usarlo aplicando calor a 100-150 °C. El espesor del adhesivo para película es de aproximadamente 0.05-0.5 mm.
Cinta:
La cinta adhesiva tiene una baja adherencia en una escala del 1 al 5. Puede aplicarse manualmente. Retire el protector y colóquela sobre las zonas que desee unir. Estos adhesivos son de uso temporal, ya que no son muy resistentes, pero pueden usarse en piezas más ligeras.
B. Mecanismos de conductividad térmica
Rellenos:
Los rellenos son partículas diminutas que ofrecen una alta conductividad térmica (p. ej., 100 W/mK o superior). Los fabricantes los mezclan con el adhesivo para crear vías de transferencia de calor rápidas.
Matriz de polímero:
La matriz polimérica es una especie de pegamento. Estas matrices tienen una conductividad térmica más baja (p. ej., 0.1–1 W/mK). Permanecen en su lugar, reteniendo las partículas de relleno y distribuyendo uniformemente el calor.
C. Materiales de relleno: la salsa secreta de los adhesivos térmicos
Óxido de aluminio (Al₂O₃):
Los rellenos de óxido de aluminio transfieren el calor eficientemente. Actúan como vías conductoras de calor dentro del pegamento. Estos rellenos ofrecen una conductividad térmica decente (alrededor de 30 W/mK). Además, son una opción asequible.
Plata:
La plata proporciona una mayor conductividad térmica, de unos 429 W/mK. Por eso es mucho mejor que el óxido de aluminio. Transfiere el calor con gran rapidez, pero tiene un precio elevado.
Nitruro de aluminio:
El nitruro de aluminio proporciona una conductividad térmica equilibrada de hasta 180 W/mK. Este material es más rentable que la plata.
Nitruro de boro:
El nitruro de boro es la opción preferida como relleno para la conducción térmica. Mejora la conductividad térmica en unos 300 W/mK. Sin embargo, este material es costoso. Los fabricantes lo utilizan en dispositivos de alta tecnología que requieren una transferencia de calor eficaz.
Otros rellenos:
Otros posibles materiales de relleno incluyen AgCuT i (una aleación de plata, cobre y titanio), lámina o espuma de cobre y aleación Kovar. Estos materiales disipan el calor y proporcionan una conductividad térmica de hasta 1 W/mK a más de 10 W/mK. Sin embargo, la conductividad térmica varía según el material de relleno.
D. Mecanismos de adhesión: Cómo se adhieren los adhesivos térmicos
Enlace químico:
La unión química demuestra la fuerte adhesión entre el adhesivo y la superficie. Estas uniones se adhieren firmemente entre múltiples uniones. Ofrecen una excelente capacidad de sujeción, que varía desde varios MPa hasta decenas de MPa, a menudo superando los 10 MPa.
Las fuerzas de van der Waals:
Las fuerzas de Van der Waals son partículas diminutas, como imanes. Son más débiles que los enlaces químicos, pero aun así ofrecen buena adhesión entre las piezas. Además, su debilidad varía desde unos pocos kPa hasta decenas de kPa, generalmente por debajo de los 100 kPa.
Propiedades clave y métodos de prueba
Conductividad térmica:
Los fabricantes utilizan el análisis de destello láser (LFA) para calcular la difusividad térmica. Aplican calor instantáneo a la cara frontal de una muestra. Un detector de temperatura les ayuda a monitorizar el aumento de temperatura en la cara posterior a lo largo del tiempo.
Así como la imagen muestra la fórmula (α = 0.1388 * L² / t₁/₂.) para obtener la medición de la difusividad térmica (a), utilice el espesor de la pieza (L) y el tiempo que tarda la temperatura de la cara trasera en caer a la mitad de su valor máximo (t₁/₂).
Fuerza de enlace:
Para comprobar la adhesión entre piezas, los fabricantes realizan pruebas de cizallamiento por solape, de pelado o de tracción. Por ejemplo, los adhesivos térmicos fuertes suelen superar los 15 MPa en las pruebas de cizallamiento por solape.
Resistencia térmica/impedancia:
La baja resistencia térmica (< 0.2°C·cm²/W) en las adherencias le permite alejar eficazmente el calor excesivo.
Rango de temperatura:
La temperatura de funcionamiento de la adhesión fluctúa entre -60 °C y 250 °C. Esta temperatura también depende de la formulación y de la durabilidad que ofrezca en condiciones críticas.
Viscosidad/Tixotropía:
Los adhesivos térmicos de alta viscosidad (p. ej., > 100,000 XNUMX cP) son densos. Por otro lado, los tixotrópicos son fluidos, lo que facilita su uso.
Tiempo/temperatura de curado:
El tiempo de curado de cada adhesión varía. Algunas se secan rápidamente, incluso a temperatura ambiente. Otras requieren un calentamiento adecuado (p. ej., 120 °C durante 30 minutos) o luz ultravioleta.
Aplicación 1: Accesorio de disipador de calor
La adhesión térmica permite una fijación adecuada y resistente a los disipadores de calor. Estos transfieren eficazmente el calor a través de sus componentes electrónicos. El fabricante rellena cuidadosamente los microespacios para mejorar la conductividad térmica. El adhesivo puede disipar calor hasta 100 W en disipadores de calor con aletas adheridas.
Esta imagen muestra la aplicación del adhesivo térmico a los disipadores de calor de las PCB. Por ejemplo, la grasa, la pasta y el yeso conductores suelen denominarse "lodo térmico".
Cifras:
● Disipadores de calor extruidos: son de alta resistencia y ofrecen una resistencia térmica de 0.5–1.5°C/W.
Disipadores de calor estampados: Son más ligeros y económicos. Ofrecen una resistencia térmica de 1.0 a 3.0 °C/W.
Disipadores de calor de aletas adheridas: Su conductividad térmica es de aproximadamente 5-15 W/mK. Son útiles para sistemas que disipan más de 50 W.
Grosor de la línea de unión
La línea de unión es la capa adhesiva. Permanece entre el disipador de calor y el componente. Su grosor provoca cambios en el rendimiento térmico. Por ejemplo, una línea de unión de 0.1 a 0.3 mm funciona bien para la mayoría de las piezas. Sin embargo, mantener capas más gruesas puede aumentar la resistencia térmica por encima de 1.0 °C/W. Por el contrario, las capas más delgadas producen conexiones deficientes y crean espacios de aire.
Preparación de la superficie
Una limpieza adecuada de la superficie permite que el adhesivo se adhiera firmemente. Puede usar alcohol isopropílico al 99% o acetona para eliminar contaminantes, aceite y polvo. Además, deje que las superficies se sequen completamente antes de aplicar el adhesivo.
Métodos de dispensación
Los fabricantes utilizan jeringas o sistemas automatizados para áreas pequeñas y grandes. Estos métodos les permiten obtener resultados precisos. Pueden alcanzar velocidades de aplicación de hasta 50 mm/s.
Ejemplos específicos
Los adhesivos térmicos ayudan a disipar el calor excesivo en CPU, GPU y transistores de potencia. Pueden controlar estas cargas hasta 150 W.
Además, los fabricantes utilizan herramientas de simulación térmica. Estas herramientas les ayudan a crear modelos eficientes que buscan valores de conductividad térmica de 1 a 10 W/mK.
Aplicación 2: Montaje de componentes
A. Tecnología de montaje superficial (SMT)
Los adhesivos térmicos son fundamentales para la tecnología SMT. Fijan o montan los componentes en las placas con firmeza, lo que disipa la alta potencia. Además, mantienen la estabilidad y la eficiencia térmica.
La imagen muestra varios componentes de PCBc unidos mediante adhesivo térmico. Por ejemplo, unión de bordes de relleno, recubrimiento conformado, adhesivo termoconductor, fijación de matrices SMD y adhesivo electroconductor, entre otros.
B. Relleno insuficiente
Los adhesivos térmicos son partículas de relleno importantes. Mejoran la fiabilidad y el rendimiento térmico de los encapsulados de chip invertido y los BGA. Además, ofrecen durabilidad a largo plazo.
C. Fijación de matriz
También se pueden usar adhesivos termoconductores al fijar matrices a circuitos integrados. Estos proporcionan rutas de alto rendimiento para disipar el calor de todos los componentes montados.
D. Ejemplos específicos
Los fabricantes utilizan adhesivos térmicos para montar diversos componentes, como LED y diodos de potencia. Los adhesivos en las piezas controlan cargas térmicas de hasta 200 W. Los fabricantes también someten estos artículos a diversas pruebas de fiabilidad, que incluyen pruebas de ciclos térmicos y de humedad (hasta un 85 % de humedad relativa) para validar su rendimiento.
Aplicación 3: Materiales de interfaz térmica (TIM)
Los materiales de interfaz térmica (TIM, por sus siglas en inglés) disipan el calor entre las superficies de los componentes. Los fabricantes los utilizan para rellenar los huecos. Pueden soportar temperaturas de -40 °C a 150 °C y sus espesores varían entre 0.1 y 1 mm.
La imagen muestra la importancia de los TIM para mejorar la refrigeración de la CPU. No muestra TIM, ya que los microespacios entre el disipador y el procesador dificultan la transferencia de calor. El correcto relleno de estos espacios con TIM mejora la conductividad térmica de la placa base.
A. Tipos de TIM
Hay tres tipos comunes de TIM: grasas térmicas, almohadillas térmicas y adhesivos térmicos.
● Las grasas térmicas funcionan bien en CPU de alto rendimiento
● Las almohadillas térmicas brindan facilidad de uso para configuraciones estándar y comunes
● Los adhesivos son uniones perfectas para realizar aplicaciones seguras y duraderas.
B. Resistencia térmica de las interfaces
Por lo general, la resistencia térmica interfacial varía entre 0.1 y 1.0 °C/W, lo que dificulta la transferencia de calor. Los adhesivos térmicos reducen esta resistencia y crean uniones muy fuertes y sin fisuras entre los componentes.
C. Materiales de cambio de fase (PCM)
Los materiales de cambio de fase en adhesivos térmicos transfieren mejor el calor. Cambian de estado a temperaturas específicas (50-70 °C). Además, optimizan su rendimiento bajo cargas térmicas elevadas.
D. Ejemplos específicos
Los fabricantes utilizan TIM termoadhesivos entre los disipadores y los difusores de calor. Estos generan conductividades térmicas de 1 a 10 W/mK.
A diferencia de otros TIM, se adhieren firmemente a las piezas y permiten aplicaciones sencillas para diseños específicos. Además, ofrecen fiabilidad en entornos exigentes.
Conclusión:
Los adhesivos térmicos transfieren el calor de los disipadores de calor y otros dispositivos. Aseguran el montaje de los componentes y los mantienen refrigerados. Además, los fabricantes los utilizan en piezas para mejorar sus materiales de interfaz térmica.
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