Compuestos de encapsulado térmicamente conductivos: explicación de los valores λ
Cuando la electrónica de potencia se sobrecalienta, ni siquiera el mejor disipador térmico sirve de nada, a menos que el calor salga del componente encapsulado. Los compuestos de encapsulado térmicamente conductivos con un alto valor λ hacen precisamente eso: protegen la electrónica de las influencias ambientales y, al mismo tiempo, disipan el calor residual de forma selectiva. Pero, ¿qué significa concretamente el valor λ, qué rellenos aumentan la conductividad térmica y cuándo vale la pena utilizar compuestos de encapsulado termoconductores?
Por qué la conductividad térmica es decisiva en los compuestos de encapsulado
Los componentes electrónicos modernos funcionan en espacios cada vez más reducidos con densidades de potencia cada vez mayores. Los controladores LED, los convertidores CC/CC, los sistemas de gestión de baterías o los controladores de motores generan calor residual que debe disiparse. Los compuestos de encapsulado estándar a base de epoxi o silicona ofrecen una excelente protección contra la humedad, los productos químicos y las cargas mecánicas, pero tienen un efecto aislante térmico.
Las consecuencias de una disipación térmica insuficiente son cuantificables: por cada aumento de 10 kelvin en la temperatura de la capa de barrera, la vida útil de los semiconductores se reduce a la mitad (ley de Arrhenius). Cuando el calor no se distribuye de manera uniforme, se producen puntos calientes. Los componentes de potencia deben reducirse (derating), lo que impide que los sistemas alcancen su máximo rendimiento. En aplicaciones críticas, como las baterías para movilidad eléctrica o los módulos LED de alta potencia, el sobrecalentamiento provoca fallos o riesgos para la seguridad.
Los compuestos de encapsulado termoconductores resuelven este problema al contener rellenos termoconductores. Estos forman vías de conducción térmica a través de la matriz polimérica y permiten el transporte de calor desde el componente hasta la carcasa o la placa de circuito impreso. De este modo, las formulaciones modernas combinan la función protectora de los compuestos de encapsulado clásicos con una gestión térmica activa.
¿Qué es el valor λ (lambda)?
El valor λ, también denominado conductividad térmica, describe la capacidad de un material para conducir el calor. La unidad física es vatios por metro y kelvin (W/m·K). Un valor λ más alto significa una mejor conducción del calor.
Valores λ típicos comparativos:
- Cobre: 390 W/m·K (excelente conductor térmico)
- Aluminio: 235 W/m·K
- Resina epoxi estándar: 0,2-0,3 W/m·K
- Silicona estándar: 0,15-0,25 W/m·K
- Compuesto de encapsulado termoconductor: 0,5-3,0 W/m·K
- Pasta térmica de alto rendimiento: hasta 15 W/m·K
La medición se realiza según procedimientos estandarizados, como ASTM D5470 (método láser flash) o ISO 22007 (método del disco caliente). Para ello, se hace pasar un flujo de calor definido a través de una muestra de material y se mide la diferencia de temperatura resultante. Importante: el valor λ se determina en estado endurecido; las especificaciones del fabricante siempre se refieren a masas de relleno completamente reticuladas.
Consejo práctico: valor λ frente a resistencia térmica
El valor λ es una propiedad del material, pero no dice nada sobre el efecto refrigerante real. Lo decisivo es la resistencia térmica Rth de toda la capa de encapsulado: Rth = d / (λ × A), donde d es el espesor de la capa y A es la superficie. Una capa de 5 mm de espesor con λ = 1 W/m·K disipa el calor peor que una capa de 2 mm con λ = 0,8 W/m·K. Por lo tanto, optimice la elección del material y la geometría.
Comparación: encapsulado estándar frente a térmicamente conductivo
Las diferencias entre los compuestos de encapsulado convencionales y los termoconductores van más allá del valor λ. La tabla muestra los perfiles de propiedades típicos:
| Propiedad | Compuesto de relleno estándar | Compuesto de encapsulado térmicamente conductivo |
|---|---|---|
| Conductividad térmica λ | 0,2-0,3 W/m·K | 0,6-3,0 W/m·K |
| contenido de relleno | 0-20 % en peso | 40-75 % en peso |
| Viscosidad (sin endurecer) | 1000-10 000 mPa·s | 10 000-80 000 mPa·s |
| Dureza Shore (curado) | Shore A 30-80 | Shore A 50-90 / Shore D 30-60 |
| densidad | 1,0-1,2 g/cm³ | 1,8-2,8 g/cm³ |
| Procesamiento | Vertido, dosificación, vacío opcional | Se recomienda la desgasificación al vacío, se necesita un agitador. |
| Precio (relativo) | € | €€–€€€ |
El alto contenido de relleno de los compuestos de encapsulado termoconductores plantea algunos retos: la viscosidad aumenta considerablemente, lo que dificulta la ventilación. La mayor densidad requiere sistemas de dosificación adaptados. Además, los rellenos tienden a sedimentarse cuando el material permanece inactivo durante un tiempo prolongado antes de su procesamiento. A cambio, se obtiene una disipación del calor notablemente mejorada con una capacidad de aislamiento eléctrico constante.
Los rellenos y su efecto
La conductividad térmica del compuesto de relleno depende directamente del tipo, la cantidad y la forma de los rellenos utilizados. Las matrices poliméricas (epoxi, silicona, poliuretano) por sí solas conducen mal el calor; son los rellenos los que crean vías de conducción térmica continuas. Se utilizan los siguientes materiales:
Óxido de aluminio (Al₂O₃)
El relleno más utilizado para compuestos de encapsulado termoconductores. El óxido de aluminio ofrece una excelente relación calidad-precio y alcanza valores λ de 0,8-1,5 W/m·K con altos grados de llenado (60-70 % en peso). Las partículas blancas son aislantes eléctricos, químicamente inertes y están disponibles en diferentes tamaños de grano. La combinación de diferentes tamaños de partículas (distribución bimodal) permite optimizar la densidad de empaquetamiento: las partículas finas rellenan los espacios entre las gruesas.
Nitruro de boro (BN)
El nitruro de boro hexagonal también se conoce como «grafito blanco» y presenta una marcada anisotropía térmica: el calor se conduce de forma excelente a lo largo de los planos cristalinos. Las masas de encapsulado con relleno de BN alcanzan valores λ de 1,5-3,0 W/m·K con una constante dieléctrica baja, lo que las hace ideales para aplicaciones de alta frecuencia. La desventaja: el nitruro de boro es considerablemente más caro que el óxido de aluminio y su procesamiento es más complejo, ya que las partículas en forma de plaquitas tienden a orientarse.
Nitruro de aluminio (AlN)
Con una conductividad térmica intrínseca superior a 200 W/m·K, el nitruro de aluminio es uno de los rellenos cerámicos más eficaces. Los compuestos de encapsulado alcanzan así valores λ de hasta 2,5 W/m·K. El AlN es aislante eléctrico y, a diferencia del nitruro de boro, no presenta anisotropía. Sus altos costes y su sensibilidad a la humedad son factores limitantes: el AlN reacciona con el agua formando óxido de aluminio y amoníaco, por lo que es necesario secarlo y almacenarlo con cuidado.
Rellenos metálicos (plata, aluminio)
Las escamas de plata o el polvo de aluminio permiten conductividades térmicas superiores a 3 W/m·K, pero a costa del aislamiento eléctrico. Estos compuestos de encapsulado eléctricamente conductivos se utilizan cuando se desean conexiones a masa específicas o blindaje EMC. No son adecuados para aplicaciones de aislamiento clásicas.
Aplicaciones
Los compuestos de encapsulado térmicamente conductivos se utilizan en todos aquellos casos en los que es necesario proteger y refrigerar simultáneamente los componentes electrónicos:
Iluminación LED y LED de alto rendimiento
Los chips LED alcanzan densidades de potencia de varios vatios por milímetro cuadrado. La temperatura de la capa de barrera determina el brillo, la ubicación del color y la vida útil. Los compuestos de encapsulado de silicona termoconductores (λ = 0,8-1,2 W/m·K) encapsulan los módulos LED y conducen el calor al disipador de calor de aluminio. La flexibilidad mecánica compensa la expansión térmica, mientras que la estabilidad UV garantiza la transparencia a largo plazo. Las formulaciones de Bluesil para aplicaciones LED alcanzan Shore A 40-60 con valores λ de alrededor de 1,0 W/m·K.
Electrónica de potencia y convertidores de frecuencia
Los módulos IGBT, los circuitos puente MOSFET y los convertidores CC/CC generan pérdidas considerables durante el funcionamiento conmutado. Los compuestos de encapsulado a base de epoxi con λ = 1,5-2,0 W/m·K ofrecen la resistencia mecánica necesaria (Shore D 50-70) y una resistencia a temperaturas de hasta 150 °C. La alta resistencia a la perforación protege contra las corrientes de fuga, mientras que la disipación del calor evita el sobrecalentamiento de las capas de barrera. Espesores típicos de capa: 3-8 mm.
Movilidad eléctrica: sistemas de gestión de baterías y electrónica de carga
Las aplicaciones automovilísticas requieren una resistencia térmica de entre –40 °C y +125 °C, robustez mecánica frente a las vibraciones y durabilidad a largo plazo. Los compuestos de poliuretano o silicona termoconductores protegen las placas BMS en baterías de alto voltaje y disipan el calor. Al mismo tiempo, deben cumplir con la norma UL94-V0 de resistencia al fuego. Requisitos para los valores λ: mínimo 1,0 W/m·K para refrigeración activa, hasta 2,0 W/m·K para sistemas pasivos.
Fuentes de alimentación y suministros de energía
Las fuentes de alimentación conmutadas combinan una alta densidad de componentes con una carga térmica permanente. Los transformadores, rectificadores y condensadores electrolíticos se benefician de un encapsulado termoconductor que dirige el calor hacia las carcasas metálicas o las placas base. En el caso de las siliconas de dos componentes, el largo tiempo de vida útil (20-60 minutos) permite rellenar completamente incluso geometrías complejas.
Criterios de selección: determinar el valor λ correcto
Una mayor conductividad térmica siempre suena mejor a primera vista, pero conlleva mayores costes, un procesamiento más difícil y, a menudo, una mayor dureza mecánica. La elección del material debe basarse en cálculos térmicos:
1. Determinar la potencia disipada
¿Qué potencia térmica P (en vatios) debe disiparse? Valores extraídos de las hojas de datos de los semiconductores de potencia o mediciones durante el funcionamiento.
2. Establecer la diferencia de temperatura
¿Qué diferencia de temperatura ΔT entre el componente y el disipador térmico es admisible? Normalmente: 20-40 Kelvin, dependiendo de la temperatura máxima de la capa de barrera y la temperatura ambiente.
3. Calcular la resistencia térmica
Rth = ΔT / P (unidad: K/W). Se trata de la resistencia térmica máxima admisible de la capa de encapsulado.
4. Determinar el valor λ necesario
λ = d / (Rth × A), donde d es el espesor de la capa de relleno en metros y A es la superficie de transferencia térmica en metros cuadrados. Calcular un factor de seguridad de 1,3-1,5 para compensar las tolerancias de fabricación y el envejecimiento.
Ejemplo de cálculo: un módulo LED genera 10 W de pérdida de calor, que debe disiparse a través de una capa de encapsulado de 5 mm de espesor y 50 cm² de superficie. Diferencia de temperatura admisible: 30 K.
- Rth = 30 K / 10 W = 3 K/W
- λ = 0,005 m / (3 K/W × 0,005 m²) = 0,33 W/m·K
- Con factor de seguridad 1,4: λ ≥ 0,46 W/m·K
En este caso, sería suficiente un compuesto de relleno con λ = 0,8 W/m·K.
Otros criterios de selección: resistencia química (refrigerantes, aceites), rango de temperatura, dureza Shore (absorción de vibraciones), resistencia al aislamiento eléctrico (resistencia a la corriente de fuga CTI), procesabilidad (vida útil, ventilación) y homologaciones (UL, REACH, RoHS).
Consejos de procesamiento
La alta viscosidad y el contenido de relleno de los compuestos de encapsulado térmicamente conductores requieren técnicas de procesamiento adaptadas:
Mezclar y homogeneizar
Los rellenos sedimentan durante el almacenamiento. Antes del procesamiento, es imprescindible remover bien. En los sistemas de dos componentes, ambos componentes deben homogeneizarse por separado antes de mezclarlos. Las mezcladoras planetarias o los agitadores de doble husillo garantizan una distribución uniforme del relleno. Tiempo de mezcla: al menos 2-3 minutos para envases de más de 1 kg.
desgasificación al vacío
Las burbujas de aire reducen drásticamente la conductividad térmica efectiva: una burbuja de aire con λ = 0,026 W/m·K actúa como barrera térmica. La desgasificación a 10-50 mbar durante 5-10 minutos después de la mezcla elimina el aire incorporado. En el caso de grandes volúmenes de encapsulado, también se puede realizar directamente en la cámara de vacío. Atención: un vacío demasiado prolongado acorta el tiempo de vida útil de los sistemas reactivos.
Dosificación y comportamiento de flujo
La viscosidad suele ser de entre 20 000 y 60 000 mPa·s, considerablemente superior a la de los rellenos estándar. Las bombas de engranajes o las bombas de tornillo excéntrico son más adecuadas que los dosificadores de pistón. En conjuntos complejos, vierta lentamente el material de encapsulado desde el punto más bajo y déjelo subir para que pueda escapar el aire. Calentar a 30-40 °C reduce la viscosidad y mejora la fluidez, pero acorta el tiempo de vida útil.
curado
El alto contenido de relleno ralentiza la disipación del calor durante la exotermia. En capas de encapsulado gruesas (> 20 mm) y sistemas epoxi de reacción rápida puede producirse un desarrollo de calor incontrolado. Solución: endurecimiento gradual (por ejemplo, 2 h a 60 °C, luego 4 h a 80 °C) o uso de formulaciones de endurecimiento lento. Los compuestos de encapsulado de silicona se endurecen sin exotermia.
Tratamiento posterior y control de calidad
Una vez endurecido, se debe comprobar la calidad del relleno: inspección visual para detectar burbujas, medición de la dureza Shore para controlar la reticulación, imagen termográfica bajo carga para verificar la disipación del calor. En aplicaciones críticas para la seguridad, se puede comprobar la resistencia a la perforación mediante muestreo aleatorio.
Preguntas frecuentes (FAQ)
Conclusión: mejora cuantificable del rendimiento térmico
Los compuestos de encapsulado termoconductores son más que una mejora: permiten diseños electrónicos que no funcionarían térmicamente con el encapsulado estándar. El valor λ indica la capacidad del material, pero el efecto de refrigeración real depende del espesor de la capa, la superficie y el sistema en su conjunto. Los sistemas rellenos de óxido de aluminio ofrecen la mejor relación calidad-precio para la mayoría de las aplicaciones, mientras que el nitruro de boro y el nitruro de aluminio se reservan para la gestión térmica de alto rendimiento.
El procesamiento requiere más cuidado que el encapsulado estándar: la homogeneización, la desgasificación y una técnica de dosificación adaptada son decisivas para obtener resultados reproducibles. A cambio, obtendrá ventajas cuantificables: temperaturas de barrera más bajas, mayor vida útil, mayor rendimiento del sistema y mayor fiabilidad.
A la hora de elegir, se aplica lo siguiente: tanta conductividad térmica como sea necesaria, no como sea posible. Un cálculo térmico bien pensado evita el exceso de ingeniería y mantiene los costes bajo control. Las masas de relleno Bluesil ofrecen soluciones adaptadas a diferentes requisitos λ, desde formulaciones de silicona flexibles con λ = 0,8 W/m·K hasta sistemas altamente rellenos con λ = 2,5 W/m·K.
Compuestos de encapsulado térmicamente conductivos para su aplicación
Nuestros especialistas en materiales le ayudarán a seleccionar el compuesto de encapsulado con la conductividad térmica óptima, mediante cálculos térmicos, la creación de muestras y el asesoramiento sobre el procesamiento. SILITECH ofrece sistemas de encapsulado Bluesil con valores λ de 0,6 a 3,0 W/m·K para electrónica, LED, movilidad eléctrica y aplicaciones industriales.
SILITECH AG
Worbstrasse 173
3073 Gümligen
Suiza
Tel.: +41 31 398 50 70
Correo electrónico: info@silitech.ch
Compuestos de encapsulado térmicamente conductivos: explicación de los valores λ
Cuando la electrónica de potencia se sobrecalienta, ni siquiera el mejor disipador térmico sirve de nada, a menos que el calor salga del componente encapsulado. Los compuestos de encapsulado térmicamente conductivos con un alto valor λ hacen precisamente eso: protegen la electrónica de las influencias ambientales y, al mismo tiempo, disipan el calor residual de forma selectiva. Pero, ¿qué significa concretamente el valor λ, qué rellenos aumentan la conductividad térmica y cuándo vale la pena utilizar compuestos de encapsulado termoconductores?
Por qué la conductividad térmica es decisiva en los compuestos de encapsulado
Los componentes electrónicos modernos funcionan en espacios cada vez más reducidos con densidades de potencia cada vez mayores. Los controladores LED, los convertidores CC/CC, los sistemas de gestión de baterías o los controladores de motores generan calor residual que debe disiparse. Los compuestos de encapsulado estándar a base de epoxi o silicona ofrecen una excelente protección contra la humedad, los productos químicos y las cargas mecánicas, pero tienen un efecto aislante térmico.
Las consecuencias de una disipación térmica insuficiente son cuantificables: por cada aumento de 10 kelvin en la temperatura de la capa de barrera, la vida útil de los semiconductores se reduce a la mitad (ley de Arrhenius). Cuando el calor no se distribuye de manera uniforme, se producen puntos calientes. Los componentes de potencia deben reducirse (derating), lo que impide que los sistemas alcancen su máximo rendimiento. En aplicaciones críticas, como las baterías para movilidad eléctrica o los módulos LED de alta potencia, el sobrecalentamiento provoca fallos o riesgos para la seguridad.
Los compuestos de encapsulado termoconductores resuelven este problema al contener rellenos termoconductores. Estos forman vías de conducción térmica a través de la matriz polimérica y permiten el transporte de calor desde el componente hasta la carcasa o la placa de circuito impreso. De este modo, las formulaciones modernas combinan la función protectora de los compuestos de encapsulado clásicos con una gestión térmica activa.
¿Qué es el valor λ (lambda)?
El valor λ, también denominado conductividad térmica, describe la capacidad de un material para conducir el calor. La unidad física es vatios por metro y kelvin (W/m·K). Un valor λ más alto significa una mejor conducción del calor.
Valores λ típicos comparativos:
- Cobre: 390 W/m·K (excelente conductor térmico)
- Aluminio: 235 W/m·K
- Resina epoxi estándar: 0,2-0,3 W/m·K
- Silicona estándar: 0,15-0,25 W/m·K
- Compuesto de encapsulado termoconductor: 0,5-3,0 W/m·K
- Pasta térmica de alto rendimiento: hasta 15 W/m·K
La medición se realiza según procedimientos estandarizados, como ASTM D5470 (método láser flash) o ISO 22007 (método del disco caliente). Para ello, se hace pasar un flujo de calor definido a través de una muestra de material y se mide la diferencia de temperatura resultante. Importante: el valor λ se determina en estado endurecido; las especificaciones del fabricante siempre se refieren a masas de relleno completamente reticuladas.
Consejo práctico: valor λ frente a resistencia térmica
El valor λ es una propiedad del material, pero no dice nada sobre el efecto refrigerante real. Lo decisivo es la resistencia térmica Rth de toda la capa de encapsulado: Rth = d / (λ × A), donde d es el espesor de la capa y A es la superficie. Una capa de 5 mm de espesor con λ = 1 W/m·K disipa el calor peor que una capa de 2 mm con λ = 0,8 W/m·K. Por lo tanto, optimice la elección del material y la geometría.
Comparación: encapsulado estándar frente a térmicamente conductivo
Las diferencias entre los compuestos de encapsulado convencionales y los termoconductores van más allá del valor λ. La tabla muestra los perfiles de propiedades típicos:
| Propiedad | Compuesto de relleno estándar | Compuesto de encapsulado térmicamente conductivo |
|---|---|---|
| Conductividad térmica λ | 0,2-0,3 W/m·K | 0,6-3,0 W/m·K |
| contenido de relleno | 0-20 % en peso | 40-75 % en peso |
| Viscosidad (sin endurecer) | 1000-10 000 mPa·s | 10 000-80 000 mPa·s |
| Dureza Shore (curado) | Shore A 30-80 | Shore A 50-90 / Shore D 30-60 |
| densidad | 1,0-1,2 g/cm³ | 1,8-2,8 g/cm³ |
| Procesamiento | Vertido, dosificación, vacío opcional | Se recomienda la desgasificación al vacío, se necesita un agitador. |
| Precio (relativo) | € | €€–€€€ |
El alto contenido de relleno de los compuestos de encapsulado termoconductores plantea algunos retos: la viscosidad aumenta considerablemente, lo que dificulta la ventilación. La mayor densidad requiere sistemas de dosificación adaptados. Además, los rellenos tienden a sedimentarse cuando el material permanece inactivo durante un tiempo prolongado antes de su procesamiento. A cambio, se obtiene una disipación del calor notablemente mejorada con una capacidad de aislamiento eléctrico constante.
Los rellenos y su efecto
La conductividad térmica del compuesto de relleno depende directamente del tipo, la cantidad y la forma de los rellenos utilizados. Las matrices poliméricas (epoxi, silicona, poliuretano) por sí solas conducen mal el calor; son los rellenos los que crean vías de conducción térmica continuas. Se utilizan los siguientes materiales:
Óxido de aluminio (Al₂O₃)
El relleno más utilizado para compuestos de encapsulado termoconductores. El óxido de aluminio ofrece una excelente relación calidad-precio y alcanza valores λ de 0,8-1,5 W/m·K con altos grados de llenado (60-70 % en peso). Las partículas blancas son aislantes eléctricos, químicamente inertes y están disponibles en diferentes tamaños de grano. La combinación de diferentes tamaños de partículas (distribución bimodal) permite optimizar la densidad de empaquetamiento: las partículas finas rellenan los espacios entre las gruesas.
Nitruro de boro (BN)
El nitruro de boro hexagonal también se conoce como «grafito blanco» y presenta una marcada anisotropía térmica: el calor se conduce de forma excelente a lo largo de los planos cristalinos. Las masas de encapsulado con relleno de BN alcanzan valores λ de 1,5-3,0 W/m·K con una constante dieléctrica baja, lo que las hace ideales para aplicaciones de alta frecuencia. La desventaja: el nitruro de boro es considerablemente más caro que el óxido de aluminio y su procesamiento es más complejo, ya que las partículas en forma de plaquitas tienden a orientarse.
Nitruro de aluminio (AlN)
Con una conductividad térmica intrínseca superior a 200 W/m·K, el nitruro de aluminio es uno de los rellenos cerámicos más eficaces. Los compuestos de encapsulado alcanzan así valores λ de hasta 2,5 W/m·K. El AlN es aislante eléctrico y, a diferencia del nitruro de boro, no presenta anisotropía. Sus altos costes y su sensibilidad a la humedad son factores limitantes: el AlN reacciona con el agua formando óxido de aluminio y amoníaco, por lo que es necesario secarlo y almacenarlo con cuidado.
Rellenos metálicos (plata, aluminio)
Las escamas de plata o el polvo de aluminio permiten conductividades térmicas superiores a 3 W/m·K, pero a costa del aislamiento eléctrico. Estos compuestos de encapsulado eléctricamente conductivos se utilizan cuando se desean conexiones a masa específicas o blindaje EMC. No son adecuados para aplicaciones de aislamiento clásicas.
Aplicaciones
Los compuestos de encapsulado térmicamente conductivos se utilizan en todos aquellos casos en los que es necesario proteger y refrigerar simultáneamente los componentes electrónicos:
Iluminación LED y LED de alto rendimiento
Los chips LED alcanzan densidades de potencia de varios vatios por milímetro cuadrado. La temperatura de la capa de barrera determina el brillo, la ubicación del color y la vida útil. Los compuestos de encapsulado de silicona termoconductores (λ = 0,8-1,2 W/m·K) encapsulan los módulos LED y conducen el calor al disipador de calor de aluminio. La flexibilidad mecánica compensa la expansión térmica, mientras que la estabilidad UV garantiza la transparencia a largo plazo. Las formulaciones de Bluesil para aplicaciones LED alcanzan Shore A 40-60 con valores λ de alrededor de 1,0 W/m·K.
Electrónica de potencia y convertidores de frecuencia
Los módulos IGBT, los circuitos puente MOSFET y los convertidores CC/CC generan pérdidas considerables durante el funcionamiento conmutado. Los compuestos de encapsulado a base de epoxi con λ = 1,5-2,0 W/m·K ofrecen la resistencia mecánica necesaria (Shore D 50-70) y una resistencia a temperaturas de hasta 150 °C. La alta resistencia a la perforación protege contra las corrientes de fuga, mientras que la disipación del calor evita el sobrecalentamiento de las capas de barrera. Espesores típicos de capa: 3-8 mm.
Movilidad eléctrica: sistemas de gestión de baterías y electrónica de carga
Las aplicaciones automovilísticas requieren una resistencia térmica de entre –40 °C y +125 °C, robustez mecánica frente a las vibraciones y durabilidad a largo plazo. Los compuestos de poliuretano o silicona termoconductores protegen las placas BMS en baterías de alto voltaje y disipan el calor. Al mismo tiempo, deben cumplir con la norma UL94-V0 de resistencia al fuego. Requisitos para los valores λ: mínimo 1,0 W/m·K para refrigeración activa, hasta 2,0 W/m·K para sistemas pasivos.
Fuentes de alimentación y suministros de energía
Las fuentes de alimentación conmutadas combinan una alta densidad de componentes con una carga térmica permanente. Los transformadores, rectificadores y condensadores electrolíticos se benefician de un encapsulado termoconductor que dirige el calor hacia las carcasas metálicas o las placas base. En el caso de las siliconas de dos componentes, el largo tiempo de vida útil (20-60 minutos) permite rellenar completamente incluso geometrías complejas.
Criterios de selección: determinar el valor λ correcto
Una mayor conductividad térmica siempre suena mejor a primera vista, pero conlleva mayores costes, un procesamiento más difícil y, a menudo, una mayor dureza mecánica. La elección del material debe basarse en cálculos térmicos:
1. Determinar la potencia disipada
¿Qué potencia térmica P (en vatios) debe disiparse? Valores extraídos de las hojas de datos de los semiconductores de potencia o mediciones durante el funcionamiento.
2. Establecer la diferencia de temperatura
¿Qué diferencia de temperatura ΔT entre el componente y el disipador térmico es admisible? Normalmente: 20-40 Kelvin, dependiendo de la temperatura máxima de la capa de barrera y la temperatura ambiente.
3. Calcular la resistencia térmica
Rth = ΔT / P (unidad: K/W). Se trata de la resistencia térmica máxima admisible de la capa de encapsulado.
4. Determinar el valor λ necesario
λ = d / (Rth × A), donde d es el espesor de la capa de relleno en metros y A es la superficie de transferencia térmica en metros cuadrados. Calcular un factor de seguridad de 1,3-1,5 para compensar las tolerancias de fabricación y el envejecimiento.
Ejemplo de cálculo: un módulo LED genera 10 W de pérdida de calor, que debe disiparse a través de una capa de encapsulado de 5 mm de espesor y 50 cm² de superficie. Diferencia de temperatura admisible: 30 K.
- Rth = 30 K / 10 W = 3 K/W
- λ = 0,005 m / (3 K/W × 0,005 m²) = 0,33 W/m·K
- Con factor de seguridad 1,4: λ ≥ 0,46 W/m·K
En este caso, sería suficiente un compuesto de relleno con λ = 0,8 W/m·K.
Otros criterios de selección: resistencia química (refrigerantes, aceites), rango de temperatura, dureza Shore (absorción de vibraciones), resistencia al aislamiento eléctrico (resistencia a la corriente de fuga CTI), procesabilidad (vida útil, ventilación) y homologaciones (UL, REACH, RoHS).
Consejos de procesamiento
La alta viscosidad y el contenido de relleno de los compuestos de encapsulado térmicamente conductores requieren técnicas de procesamiento adaptadas:
Mezclar y homogeneizar
Los rellenos sedimentan durante el almacenamiento. Antes del procesamiento, es imprescindible remover bien. En los sistemas de dos componentes, ambos componentes deben homogeneizarse por separado antes de mezclarlos. Las mezcladoras planetarias o los agitadores de doble husillo garantizan una distribución uniforme del relleno. Tiempo de mezcla: al menos 2-3 minutos para envases de más de 1 kg.
desgasificación al vacío
Las burbujas de aire reducen drásticamente la conductividad térmica efectiva: una burbuja de aire con λ = 0,026 W/m·K actúa como barrera térmica. La desgasificación a 10-50 mbar durante 5-10 minutos después de la mezcla elimina el aire incorporado. En el caso de grandes volúmenes de encapsulado, también se puede realizar directamente en la cámara de vacío. Atención: un vacío demasiado prolongado acorta el tiempo de vida útil de los sistemas reactivos.
Dosificación y comportamiento de flujo
La viscosidad suele ser de entre 20 000 y 60 000 mPa·s, considerablemente superior a la de los rellenos estándar. Las bombas de engranajes o las bombas de tornillo excéntrico son más adecuadas que los dosificadores de pistón. En conjuntos complejos, vierta lentamente el material de encapsulado desde el punto más bajo y déjelo subir para que pueda escapar el aire. Calentar a 30-40 °C reduce la viscosidad y mejora la fluidez, pero acorta el tiempo de vida útil.
curado
El alto contenido de relleno ralentiza la disipación del calor durante la exotermia. En capas de encapsulado gruesas (> 20 mm) y sistemas epoxi de reacción rápida puede producirse un desarrollo de calor incontrolado. Solución: endurecimiento gradual (por ejemplo, 2 h a 60 °C, luego 4 h a 80 °C) o uso de formulaciones de endurecimiento lento. Los compuestos de encapsulado de silicona se endurecen sin exotermia.
Tratamiento posterior y control de calidad
Una vez endurecido, se debe comprobar la calidad del relleno: inspección visual para detectar burbujas, medición de la dureza Shore para controlar la reticulación, imagen termográfica bajo carga para verificar la disipación del calor. En aplicaciones críticas para la seguridad, se puede comprobar la resistencia a la perforación mediante muestreo aleatorio.
Preguntas frecuentes (FAQ)
Conclusión: mejora cuantificable del rendimiento térmico
Los compuestos de encapsulado termoconductores son más que una mejora: permiten diseños electrónicos que no funcionarían térmicamente con el encapsulado estándar. El valor λ indica la capacidad del material, pero el efecto de refrigeración real depende del espesor de la capa, la superficie y el sistema en su conjunto. Los sistemas rellenos de óxido de aluminio ofrecen la mejor relación calidad-precio para la mayoría de las aplicaciones, mientras que el nitruro de boro y el nitruro de aluminio se reservan para la gestión térmica de alto rendimiento.
El procesamiento requiere más cuidado que el encapsulado estándar: la homogeneización, la desgasificación y una técnica de dosificación adaptada son decisivas para obtener resultados reproducibles. A cambio, obtendrá ventajas cuantificables: temperaturas de barrera más bajas, mayor vida útil, mayor rendimiento del sistema y mayor fiabilidad.
A la hora de elegir, se aplica lo siguiente: tanta conductividad térmica como sea necesaria, no como sea posible. Un cálculo térmico bien pensado evita el exceso de ingeniería y mantiene los costes bajo control. Las masas de relleno Bluesil ofrecen soluciones adaptadas a diferentes requisitos λ, desde formulaciones de silicona flexibles con λ = 0,8 W/m·K hasta sistemas altamente rellenos con λ = 2,5 W/m·K.
Compuestos de encapsulado térmicamente conductivos para su aplicación
Nuestros especialistas en materiales le ayudarán a seleccionar el compuesto de encapsulado con la conductividad térmica óptima, mediante cálculos térmicos, la creación de muestras y el asesoramiento sobre el procesamiento. SILITECH ofrece sistemas de encapsulado Bluesil con valores λ de 0,6 a 3,0 W/m·K para electrónica, LED, movilidad eléctrica y aplicaciones industriales.
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