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 si el calor no sale del componente encapsulado. Los compuestos de encapsulado térmicamente conductivos con un alto valor λ consiguen precisamente eso. Protegen la electrónica de las influencias ambientales y, al mismo tiempo, disipan el calor perdido de forma específica. Pero, ¿qué significa concretamente el valor λ, qué rellenos aumentan la conductividad térmica y cuándo merece la pena utilizar compuestos de encapsulado térmicamente conductivos?
Índice
- Por qué la conductividad térmica es decisiva en los compuestos de encapsulado
- ¿Qué es el valor λ (lambda)?
- Consejo práctico: valor λ frente a resistencia térmica
- Comparación: encapsulado estándar frente a térmicamente conductivo
- Los rellenos y su efecto
- Aplicaciones
- Criterios de selección: determinar el valor λ correcto
- Consejos de procesamiento
- Preguntas frecuentes (FAQ)
- Conclusión
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 suelen tener un efecto aislante térmico.
Las consecuencias de una disipación térmica insuficiente son cuantificables. Una temperatura de funcionamiento más alta acelera considerablemente el envejecimiento de los componentes electrónicos. Una regla empírica muy utilizada establece que, en muchos casos, la vida útil puede reducirse aproximadamente a la mitad con un aumento de temperatura de 10 K. Sin embargo, el efecto exacto depende del componente y del mecanismo de fallo predominante.
Además, se producen puntos calientes cuando el calor no se distribuye de manera uniforme. Los componentes de potencia deben reducirse (derating), lo que impide que los sistemas alcancen su máximo rendimiento. En aplicaciones críticas, como baterías para movilidad eléctrica o módulos LED de alto rendimiento , el sobrecalentamiento puede provocar fallos o riesgos de seguridad.
Los compuestos de encapsulado termoconductores resuelven este problema al contener rellenos termoconductores. Estos forman vías de conducción térmica en la matriz polimérica y permiten el transporte del calor desde el componente a las estructuras adyacentes, como carcasas, soportes o superficies de refrigeración. 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: aprox. 390 W/m·K (muy buen conductor térmico)
- Aluminio: aprox. 235 W/m·K
- Resina epoxi estándar: aprox. 0,2 a 0,3 W/m·K
- Silicona estándar: aprox. 0,15 a 0,25 W/m·K
- Compuesto de encapsulado termoconductor: aprox. 0,5 a 3,0 W/m·K (rango típico)
- Pasta térmica de alto rendimiento: significativamente superior según el sistema
La conductividad térmica se determina mediante métodos de ensayo estandarizados. Dependiendo del sistema de materiales y del laboratorio de ensayo, se utilizan diferentes métodos, por ejemplo, métodos estacionarios o transitorios. Es importante que los valores λ solo sean comparables en el contexto de la metodología de ensayo, la temperatura, el estado de la muestra y las condiciones de endurecimiento .
Importante para la práctica: los datos del fabricante sobre los valores λ solo son comparables de forma limitada si los métodos de ensayo, la temperatura, la geometría de la muestra o las condiciones de endurecimiento son diferentes.
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 en el componente. Lo decisivo es la resistencia térmica Rth de toda la capa de encapsulado:
Rth = d / (λ × A)
Aquí, d es el espesor de la capa y A es la superficie de transferencia de calor. Una capa de 5 mm de espesor con λ = 1 W/m·K disipa el calor peor que una capa de 2 mm de espesor con λ = 0,8 W/m·K. Por lo tanto, optimice no solo el material, sino también la geometría.
Además de λ, el espesor de la capa y la superficie, las interfaces, las inclusiones de aire (huecos) y los efectos geométricos influyen en la resistencia térmica real. Por lo tanto, en la práctica, la disipación efectiva del calor suele ser peor de lo que sugiere un cálculo 1D ideal.
El valor λ no lo es todo
- Conductividad térmica del material (λ)
- Espesor de la capa de la masa de relleno
- Superficie de contacto efectiva
- Resistencias de contacto en interfaces
- Burbujas de aire / Burbujas
- Geometría de los componentes y distribución del calor
- Perfil de temperatura durante el funcionamiento
Comparación: encapsulado estándar frente a térmicamente conductivo
Las diferencias entre los compuestos de encapsulado convencionales y los termoconductores van más allá del valor λ. Comparación de los perfiles de propiedades típicos:
| Propiedad | Compuesto de relleno estándar | Compuesto de encapsulado térmicamente conductivo |
|---|---|---|
| Conductividad térmica λ | 0,2 a 0,3 W/m·K | 0,6 a 3,0 W/m·K (típico) |
| contenido de relleno | 0 a 20 % en peso | 40 a 75 % en peso |
| Viscosidad (sin endurecer) | De 1000 a 10 000 mPa·s | De 10 000 a 80 000 mPa·s |
| Dureza Shore (curado) | Shore A 30 a 80 | Shore A 50 a 90 o Shore D 30 a 60 |
| densidad | De 1,0 a 1,2 g/cm³ | 1,8 a 2,8 g/cm³ |
| Procesamiento | Vertido, dosificación, vacío opcional | La homogeneización es importante, a menudo se recomienda la desgasificación, es recomendable utilizar una técnica de dosificación adecuada. |
| Precio (relativo) | más bajo | más alto |
El alto contenido de relleno de los compuestos de encapsulado termoconductores plantea algunos retos. La viscosidad aumenta considerablemente, lo que dificulta la ventilación y la dosificación. La mayor densidad requiere a menudo sistemas de dosificación adaptados. Dependiendo de la formulación y las condiciones de almacenamiento, también puede producirse una separación o sedimentación.
El riesgo de sedimentación depende en gran medida de la viscosidad, la tixotropía, la distribución de partículas y el tiempo de almacenamiento. No todos los sistemas muestran una separación crítica en la ventana práctica. No obstante, es obligatorio homogeneizar bien antes del procesamiento.
A cambio, se obtiene una disipación del calor claramente mejorada, manteniendo en la mayoría de los casos una buena capacidad de aislamiento eléctrico, siempre que se utilicen rellenos aislantes eléctricos.
Los rellenos y su efecto
La conductividad térmica de un compuesto de encapsulado depende directamente del tipo, la cantidad, la forma y la distribución de los rellenos utilizados. Las matrices poliméricas como el epoxi, la silicona o el poliuretano son malas conductoras del calor por sí mismas. Solo los rellenos crean vías de conducción térmica continuas.
Óxido de aluminio (Al2O3)
El óxido de aluminio es uno de los rellenos más utilizados para compuestos de encapsulado termoconductores. Ofrece una buena relación calidad-precio y, con altos grados de relleno, suele permitir valores λ en el rango de aproximadamente 0,8 a 1,5 W/m·K. Las partículas son aislantes eléctricos, químicamente inertes y están disponibles en diferentes tamaños de grano. La combinación de diferentes tamaños de partículas (distribuciones bimodales o multimodales) permite mejorar la densidad de empaquetamiento.
Nitruro de boro (BN)
El nitruro de boro hexagonal se denomina a menudo «grafito blanco» y presenta una marcada anisotropía térmica. El calor se conduce mucho mejor a lo largo de determinados planos cristalinos. De este modo, dependiendo de la formulación, se pueden alcanzar valores λ más altos, a menudo con propiedades eléctricas favorables para determinadas aplicaciones electrónicas.
Las desventajas son el precio significativamente más alto del material y un procesamiento más exigente. Las partículas en forma de plaquitas pueden orientarse, lo que influye en el comportamiento real de la conductividad térmica en diferentes direcciones.
Nitruro de aluminio (AlN)
El nitruro de aluminio es un relleno cerámico muy eficaz con una alta conductividad térmica intrínseca. Los compuestos de encapsulado con AlN pueden alcanzar altos valores λ y, al mismo tiempo, seguir siendo aislantes eléctricos. Los factores limitantes suelen ser el alto coste y la sensibilidad a la humedad en la cadena de procesamiento.
Rellenos metálicos (por ejemplo, plata, aluminio)
Los rellenos metálicos pueden aumentar considerablemente la conductividad térmica, pero a menudo provocan conductividad eléctrica o, como mínimo, una reducción significativa del aislamiento. Estos sistemas no suelen ser adecuados para aplicaciones clásicas de encapsulado aislante, pero pueden ser útiles en aplicaciones especiales relacionadas con la compatibilidad electromagnética o la conexión a tierra.
Aplicaciones
Los compuestos de encapsulado térmicamente conductivos se utilizan en todos aquellos casos en los que es necesario proteger y refrigerar los componentes electrónicos al mismo tiempo.
Iluminación LED y LED de alto rendimiento
Los módulos LED son sensibles al aumento de la temperatura de la capa de barrera. Esto afecta al brillo, al color y a la vida útil. Los compuestos de encapsulado termoconductores pueden proteger los módulos LED y, al mismo tiempo, mejorar la transferencia de calor a las estructuras de refrigeración. Dependiendo del diseño, se utilizan sistemas de silicona flexibles o sistemas de resina más duros.
Electrónica de potencia y convertidores de frecuencia
Los módulos IGBT, los circuitos MOSFET y los convertidores CC/CC generan un calor residual relevante durante su funcionamiento. Los compuestos de encapsulado térmicamente conductivos ayudan a reducir los puntos calientes y a mejorar la distribución de la temperatura. Además, ofrecen protección contra la humedad, la suciedad y las cargas mecánicas.
Movilidad eléctrica: sistemas de gestión de baterías y electrónica de carga
Las aplicaciones automovilísticas plantean exigencias elevadas en cuanto a rango de temperatura, resistencia a las vibraciones, resistencia a los medios y estabilidad a largo plazo. Los compuestos de encapsulado térmicamente conductores se utilizan, entre otras cosas, en la electrónica BMS, la tecnología de sensores y la electrónica de carga. Dependiendo de las especificaciones, pueden ser relevantes requisitos adicionales como las clasificaciones de protección contra incendios o las homologaciones especiales.
Fuentes de alimentación y suministros de energía
Las fuentes de alimentación conmutadas combinan una alta densidad de componentes con una carga térmica continua. El encapsulado termoconductor puede conducir el calor de forma específica a las carcasas metálicas o las placas base y, al mismo tiempo, proteger el conjunto contra las influencias ambientales. En geometrías complejas, el tiempo de vida útil, el comportamiento de fluidez y la desgasificación son especialmente importantes.
Criterios de selección: determinar el valor λ correcto
A primera vista, una mayor conductividad térmica siempre parece mejor. Sin embargo, en la práctica, un valor λ más alto suele ir acompañado de mayores costes, una mayor dificultad de procesamiento y, en algunos casos, una mayor dureza mecánica. Por lo tanto, la elección del material debe basarse en una consideración térmica.
-
Determinar la potencia disipada
¿Qué potencia térmica P (en vatios) debe disiparse? El punto de partida son las hojas de datos, las simulaciones o las mediciones durante el funcionamiento. -
Determinar la diferencia de temperatura admisible
¿Qué diferencia de temperatura ΔT entre el componente y la estructura de refrigeración es admisible? Lo habitual son unas decenas de kelvin, dependiendo de la aplicación. -
Calcular la resistencia térmica máxima
Rth = ΔT / P (unidad: K/W) -
Calcular el valor λ necesario
λ = d / (Rth × A)
Donde d es el espesor de la capa en metros y A es la superficie de transferencia de calor en metros cuadrados. Es conveniente aplicar un factor de seguridad (por ejemplo, de 1,3 a 1,5) para tener en cuenta las tolerancias, los huecos y el envejecimiento.
Ejemplo de cálculo
Un módulo LED genera 10 W de pérdida de calor. El calor 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 un factor de seguridad de 1,4, se obtiene λ ≥ 0,46 W/m·K.
En muchos casos, un compuesto de encapsulado con λ = 0,8 W/m·K sería suficiente, siempre que la calidad del contacto, la geometría y la disipación del calor en todo el sistema sean adecuadas.
Otros criterios de selección
- Resistencia química (por ejemplo, frente a refrigerantes, aceites, productos de limpieza)
- Rango de temperatura y resistencia a los cambios de temperatura
- Dureza Shore y desacoplamiento mecánico (vibración, choque)
- Parámetros de aislamiento eléctrico (por ejemplo, resistencia a la perforación, CTI según la aplicación)
- Facilidad de procesamiento (tiempo de vida útil, mezclabilidad, desaireación, dosificación)
- Adherencia a sustratos relevantes
- CTE y aumento de tensión con cambios de temperatura
- Homologaciones y requisitos normativos (por ejemplo, UL, REACH, RoHS, homologaciones específicas para cada aplicación)
- Requisitos de reelaboración / Desmontabilidad
Consejos de procesamiento
La alta viscosidad y el alto contenido de relleno de los compuestos de encapsulado térmicamente conductivos requieren técnicas de procesamiento adaptadas. Incluso un material con un buen valor λ puede tener un rendimiento deficiente en la práctica si no se procesa correctamente debido a la presencia de huecos o a una humectación incompleta.
Mezclar y homogeneizar
Los rellenos pueden separarse o sedimentarse durante el almacenamiento y el transporte. Es importante homogeneizarlos bien antes de procesarlos. En los sistemas de dos componentes, ambos componentes deben homogeneizarse primero por separado antes de mezclarlos. Una técnica de agitación adecuada mejora la distribución del relleno y reduce las variaciones entre lotes durante el procesamiento.
desgasificación al vacío
Las burbujas de aire reducen considerablemente la conductividad térmica efectiva, ya que el aire tiene una conductividad térmica muy baja. La desgasificación tras la mezcla puede mejorar notablemente la calidad del relleno. En volúmenes mayores o en conjuntos críticos, también puede ser conveniente realizar el relleno al vacío.
Dosificación y comportamiento de flujo
Los sistemas termoconductores suelen ser mucho más viscosos que los compuestos de encapsulado estándar. Para materiales con alto contenido de relleno, a menudo resulta ventajoso utilizar sistemas de bombeo y dosificación adaptados. En conjuntos complejos, el material debe introducirse de manera que el aire pueda escapar de forma controlada. Una temperatura moderada puede mejorar el comportamiento de fluidez, pero, dependiendo del sistema, acorta el tiempo de vida útil.
curado
En los sistemas de resina reactiva puede producirse una exotermia relevante, especialmente en volúmenes de encapsulado grandes. El alto contenido de relleno influye en el equilibrio térmico y en el desarrollo de la reacción. En caso necesario, es recomendable utilizar sistemas de curado gradual o más lentos.
Los compuestos de encapsulado de silicona suelen presentar una exotermia significativamente menor que muchos sistemas epoxi, lo que puede ser ventajoso para el proceso en el caso de grandes volúmenes de encapsulado.
Tratamiento posterior y control de calidad
Una vez endurecido, se debe comprobar la calidad del relleno, por ejemplo, mediante una inspección visual para detectar burbujas, una prueba de dureza, un control de peso o densidad, así como una termografía bajo carga para verificar la disipación del calor. En aplicaciones críticas para la seguridad, es aconsejable realizar pruebas eléctricas y mecánicas adicionales.
Preguntas frecuentes (FAQ)
¿Puedo eliminar posteriormente un compuesto de encapsulado termoconductor?
Esto solo es posible de forma limitada. Los sistemas de silicona blanda suelen ser más fáciles de eliminar mecánicamente que los epoxídicos duros. Sin embargo, los sistemas totalmente curados y altamente rellenos a menudo solo se pueden eliminar con un esfuerzo considerable y pueden dañar los componentes. Si se prevé una reelaboración, esto debe tenerse en cuenta ya en la selección de materiales.
¿En qué medida mejora realmente la refrigeración un valor λ más alto?
Un valor λ más alto mejora la conducción térmica en el material, pero no mejora automáticamente la potencia de refrigeración total. También son decisivos el espesor de la capa, la calidad del contacto, las burbujas de aire, la geometría y la posterior disipación del calor en el sistema. Lo determinante es la resistencia térmica de todo el recorrido del calor.
¿Por qué el compuesto de encapsulado termoconductor cuesta mucho más que el encapsulado estándar?
Los principales factores que influyen en los costes son los rellenos térmicamente conductores y los mayores gastos de formulación y procesamiento. Los altos grados de llenado aumentan la viscosidad y la densidad y plantean mayores exigencias a la tecnología de mezcla, desgasificación y dosificación.
¿Puedo procesar un compuesto de encapsulado térmicamente conductivo con un equipo normal?
Para pequeñas cantidades y geometrías simples, esto es posible en algunos casos. En sistemas altamente rellenos, es importante una buena homogeneización, una técnica de dosificación adecuada y, a ser posible, desgasificación, para obtener resultados reproducibles sin inclusiones de aire.
¿Es un valor λ alto siempre la mejor opción?
No. Los valores λ más altos suelen implicar mayores costes, mayor viscosidad y un procesamiento más difícil. En muchas aplicaciones, un sistema procesado de forma limpia con un valor λ moderado es la solución más económica y técnicamente suficiente.
Conclusión: mejora cuantificable del rendimiento térmico
Los compuestos de encapsulado termoconductores son más que una simple mejora. Permiten diseños electrónicos que no funcionarían de forma fiable desde el punto de vista térmico con el encapsulado estándar. El valor λ describe la capacidad del material, pero el efecto de refrigeración real depende de la trayectoria térmica total.
Los sistemas rellenos de óxido de aluminio ofrecen una buena relación calidad-precio para muchas aplicaciones. Los sistemas basados en nitruro de boro y nitruro de aluminio son especialmente interesantes cuando se requiere un mayor rendimiento térmico o propiedades eléctricas especiales.
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. Las ventajas son cuantificables: temperaturas más bajas de los componentes, 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 tanta como sea posible. Una consideración térmica clara evita el exceso de ingeniería y mantiene los costes dentro de unos límites razonables.
Asistencia técnica por parte de SILITECH
¿Desea seleccionar un compuesto de encapsulado térmicamente conductivo u optimizar un sistema existente? SILITECH le ayuda en la preselección, el muestreo y la clasificación técnica para su aplicación.
- Selección según temperatura, mecánica y resistencia a los medios
- Clasificación de los valores λ en el contexto de la aplicación
- Indicaciones para el procesamiento (mezcla, desgasificación, dosificación)
- Muestras para pruebas y validación
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 para electrónica, LED, movilidad eléctrica y aplicaciones industriales.
Contacto y asesoramientoCompuestos 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 si el calor no sale del componente encapsulado. Los compuestos de encapsulado térmicamente conductivos con un alto valor λ consiguen precisamente eso. Protegen la electrónica de las influencias ambientales y, al mismo tiempo, disipan el calor perdido de forma específica. Pero, ¿qué significa concretamente el valor λ, qué rellenos aumentan la conductividad térmica y cuándo merece la pena utilizar compuestos de encapsulado térmicamente conductivos?
Índice
- Por qué la conductividad térmica es decisiva en los compuestos de encapsulado
- ¿Qué es el valor λ (lambda)?
- Consejo práctico: valor λ frente a resistencia térmica
- Comparación: encapsulado estándar frente a térmicamente conductivo
- Los rellenos y su efecto
- Aplicaciones
- Criterios de selección: determinar el valor λ correcto
- Consejos de procesamiento
- Preguntas frecuentes (FAQ)
- Conclusión
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 suelen tener un efecto aislante térmico.
Las consecuencias de una disipación térmica insuficiente son cuantificables. Una temperatura de funcionamiento más alta acelera considerablemente el envejecimiento de los componentes electrónicos. Una regla empírica muy utilizada establece que, en muchos casos, la vida útil puede reducirse aproximadamente a la mitad con un aumento de temperatura de 10 K. Sin embargo, el efecto exacto depende del componente y del mecanismo de fallo predominante.
Además, se producen puntos calientes cuando el calor no se distribuye de manera uniforme. Los componentes de potencia deben reducirse (derating), lo que impide que los sistemas alcancen su máximo rendimiento. En aplicaciones críticas, como baterías para movilidad eléctrica o módulos LED de alto rendimiento , el sobrecalentamiento puede provocar fallos o riesgos de seguridad.
Los compuestos de encapsulado termoconductores resuelven este problema al contener rellenos termoconductores. Estos forman vías de conducción térmica en la matriz polimérica y permiten el transporte del calor desde el componente a las estructuras adyacentes, como carcasas, soportes o superficies de refrigeración. 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: aprox. 390 W/m·K (muy buen conductor térmico)
- Aluminio: aprox. 235 W/m·K
- Resina epoxi estándar: aprox. 0,2 a 0,3 W/m·K
- Silicona estándar: aprox. 0,15 a 0,25 W/m·K
- Compuesto de encapsulado termoconductor: aprox. 0,5 a 3,0 W/m·K (rango típico)
- Pasta térmica de alto rendimiento: significativamente superior según el sistema
La conductividad térmica se determina mediante métodos de ensayo estandarizados. Dependiendo del sistema de materiales y del laboratorio de ensayo, se utilizan diferentes métodos, por ejemplo, métodos estacionarios o transitorios. Es importante que los valores λ solo sean comparables en el contexto de la metodología de ensayo, la temperatura, el estado de la muestra y las condiciones de endurecimiento .
Importante para la práctica: los datos del fabricante sobre los valores λ solo son comparables de forma limitada si los métodos de ensayo, la temperatura, la geometría de la muestra o las condiciones de endurecimiento son diferentes.
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 en el componente. Lo decisivo es la resistencia térmica Rth de toda la capa de encapsulado:
Rth = d / (λ × A)
Aquí, d es el espesor de la capa y A es la superficie de transferencia de calor. Una capa de 5 mm de espesor con λ = 1 W/m·K disipa el calor peor que una capa de 2 mm de espesor con λ = 0,8 W/m·K. Por lo tanto, optimice no solo el material, sino también la geometría.
Además de λ, el espesor de la capa y la superficie, las interfaces, las inclusiones de aire (huecos) y los efectos geométricos influyen en la resistencia térmica real. Por lo tanto, en la práctica, la disipación efectiva del calor suele ser peor de lo que sugiere un cálculo 1D ideal.
El valor λ no lo es todo
- Conductividad térmica del material (λ)
- Espesor de la capa de la masa de relleno
- Superficie de contacto efectiva
- Resistencias de contacto en interfaces
- Burbujas de aire / Burbujas
- Geometría de los componentes y distribución del calor
- Perfil de temperatura durante el funcionamiento
Comparación: encapsulado estándar frente a térmicamente conductivo
Las diferencias entre los compuestos de encapsulado convencionales y los termoconductores van más allá del valor λ. Comparación de los perfiles de propiedades típicos:
| Propiedad | Compuesto de relleno estándar | Compuesto de encapsulado térmicamente conductivo |
|---|---|---|
| Conductividad térmica λ | 0,2 a 0,3 W/m·K | 0,6 a 3,0 W/m·K (típico) |
| contenido de relleno | 0 a 20 % en peso | 40 a 75 % en peso |
| Viscosidad (sin endurecer) | De 1000 a 10 000 mPa·s | De 10 000 a 80 000 mPa·s |
| Dureza Shore (curado) | Shore A 30 a 80 | Shore A 50 a 90 o Shore D 30 a 60 |
| densidad | De 1,0 a 1,2 g/cm³ | 1,8 a 2,8 g/cm³ |
| Procesamiento | Vertido, dosificación, vacío opcional | La homogeneización es importante, a menudo se recomienda la desgasificación, es recomendable utilizar una técnica de dosificación adecuada. |
| Precio (relativo) | más bajo | más alto |
El alto contenido de relleno de los compuestos de encapsulado termoconductores plantea algunos retos. La viscosidad aumenta considerablemente, lo que dificulta la ventilación y la dosificación. La mayor densidad requiere a menudo sistemas de dosificación adaptados. Dependiendo de la formulación y las condiciones de almacenamiento, también puede producirse una separación o sedimentación.
El riesgo de sedimentación depende en gran medida de la viscosidad, la tixotropía, la distribución de partículas y el tiempo de almacenamiento. No todos los sistemas muestran una separación crítica en la ventana práctica. No obstante, es obligatorio homogeneizar bien antes del procesamiento.
A cambio, se obtiene una disipación del calor claramente mejorada, manteniendo en la mayoría de los casos una buena capacidad de aislamiento eléctrico, siempre que se utilicen rellenos aislantes eléctricos.
Los rellenos y su efecto
La conductividad térmica de un compuesto de encapsulado depende directamente del tipo, la cantidad, la forma y la distribución de los rellenos utilizados. Las matrices poliméricas como el epoxi, la silicona o el poliuretano son malas conductoras del calor por sí mismas. Solo los rellenos crean vías de conducción térmica continuas.
Óxido de aluminio (Al2O3)
El óxido de aluminio es uno de los rellenos más utilizados para compuestos de encapsulado termoconductores. Ofrece una buena relación calidad-precio y, con altos grados de relleno, suele permitir valores λ en el rango de aproximadamente 0,8 a 1,5 W/m·K. Las partículas son aislantes eléctricos, químicamente inertes y están disponibles en diferentes tamaños de grano. La combinación de diferentes tamaños de partículas (distribuciones bimodales o multimodales) permite mejorar la densidad de empaquetamiento.
Nitruro de boro (BN)
El nitruro de boro hexagonal se denomina a menudo «grafito blanco» y presenta una marcada anisotropía térmica. El calor se conduce mucho mejor a lo largo de determinados planos cristalinos. De este modo, dependiendo de la formulación, se pueden alcanzar valores λ más altos, a menudo con propiedades eléctricas favorables para determinadas aplicaciones electrónicas.
Las desventajas son el precio significativamente más alto del material y un procesamiento más exigente. Las partículas en forma de plaquitas pueden orientarse, lo que influye en el comportamiento real de la conductividad térmica en diferentes direcciones.
Nitruro de aluminio (AlN)
El nitruro de aluminio es un relleno cerámico muy eficaz con una alta conductividad térmica intrínseca. Los compuestos de encapsulado con AlN pueden alcanzar altos valores λ y, al mismo tiempo, seguir siendo aislantes eléctricos. Los factores limitantes suelen ser el alto coste y la sensibilidad a la humedad en la cadena de procesamiento.
Rellenos metálicos (por ejemplo, plata, aluminio)
Los rellenos metálicos pueden aumentar considerablemente la conductividad térmica, pero a menudo provocan conductividad eléctrica o, como mínimo, una reducción significativa del aislamiento. Estos sistemas no suelen ser adecuados para aplicaciones clásicas de encapsulado aislante, pero pueden ser útiles en aplicaciones especiales relacionadas con la compatibilidad electromagnética o la conexión a tierra.
Aplicaciones
Los compuestos de encapsulado térmicamente conductivos se utilizan en todos aquellos casos en los que es necesario proteger y refrigerar los componentes electrónicos al mismo tiempo.
Iluminación LED y LED de alto rendimiento
Los módulos LED son sensibles al aumento de la temperatura de la capa de barrera. Esto afecta al brillo, al color y a la vida útil. Los compuestos de encapsulado termoconductores pueden proteger los módulos LED y, al mismo tiempo, mejorar la transferencia de calor a las estructuras de refrigeración. Dependiendo del diseño, se utilizan sistemas de silicona flexibles o sistemas de resina más duros.
Electrónica de potencia y convertidores de frecuencia
Los módulos IGBT, los circuitos MOSFET y los convertidores CC/CC generan un calor residual relevante durante su funcionamiento. Los compuestos de encapsulado térmicamente conductivos ayudan a reducir los puntos calientes y a mejorar la distribución de la temperatura. Además, ofrecen protección contra la humedad, la suciedad y las cargas mecánicas.
Movilidad eléctrica: sistemas de gestión de baterías y electrónica de carga
Las aplicaciones automovilísticas plantean exigencias elevadas en cuanto a rango de temperatura, resistencia a las vibraciones, resistencia a los medios y estabilidad a largo plazo. Los compuestos de encapsulado térmicamente conductores se utilizan, entre otras cosas, en la electrónica BMS, la tecnología de sensores y la electrónica de carga. Dependiendo de las especificaciones, pueden ser relevantes requisitos adicionales como las clasificaciones de protección contra incendios o las homologaciones especiales.
Fuentes de alimentación y suministros de energía
Las fuentes de alimentación conmutadas combinan una alta densidad de componentes con una carga térmica continua. El encapsulado termoconductor puede conducir el calor de forma específica a las carcasas metálicas o las placas base y, al mismo tiempo, proteger el conjunto contra las influencias ambientales. En geometrías complejas, el tiempo de vida útil, el comportamiento de fluidez y la desgasificación son especialmente importantes.
Criterios de selección: determinar el valor λ correcto
A primera vista, una mayor conductividad térmica siempre parece mejor. Sin embargo, en la práctica, un valor λ más alto suele ir acompañado de mayores costes, una mayor dificultad de procesamiento y, en algunos casos, una mayor dureza mecánica. Por lo tanto, la elección del material debe basarse en una consideración térmica.
-
Determinar la potencia disipada
¿Qué potencia térmica P (en vatios) debe disiparse? El punto de partida son las hojas de datos, las simulaciones o las mediciones durante el funcionamiento. -
Determinar la diferencia de temperatura admisible
¿Qué diferencia de temperatura ΔT entre el componente y la estructura de refrigeración es admisible? Lo habitual son unas decenas de kelvin, dependiendo de la aplicación. -
Calcular la resistencia térmica máxima
Rth = ΔT / P (unidad: K/W) -
Calcular el valor λ necesario
λ = d / (Rth × A)
Donde d es el espesor de la capa en metros y A es la superficie de transferencia de calor en metros cuadrados. Es conveniente aplicar un factor de seguridad (por ejemplo, de 1,3 a 1,5) para tener en cuenta las tolerancias, los huecos y el envejecimiento.
Ejemplo de cálculo
Un módulo LED genera 10 W de pérdida de calor. El calor 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 un factor de seguridad de 1,4, se obtiene λ ≥ 0,46 W/m·K.
En muchos casos, un compuesto de encapsulado con λ = 0,8 W/m·K sería suficiente, siempre que la calidad del contacto, la geometría y la disipación del calor en todo el sistema sean adecuadas.
Otros criterios de selección
- Resistencia química (por ejemplo, frente a refrigerantes, aceites, productos de limpieza)
- Rango de temperatura y resistencia a los cambios de temperatura
- Dureza Shore y desacoplamiento mecánico (vibración, choque)
- Parámetros de aislamiento eléctrico (por ejemplo, resistencia a la perforación, CTI según la aplicación)
- Facilidad de procesamiento (tiempo de vida útil, mezclabilidad, desaireación, dosificación)
- Adherencia a sustratos relevantes
- CTE y aumento de tensión con cambios de temperatura
- Homologaciones y requisitos normativos (por ejemplo, UL, REACH, RoHS, homologaciones específicas para cada aplicación)
- Requisitos de reelaboración / Desmontabilidad
Consejos de procesamiento
La alta viscosidad y el alto contenido de relleno de los compuestos de encapsulado térmicamente conductivos requieren técnicas de procesamiento adaptadas. Incluso un material con un buen valor λ puede tener un rendimiento deficiente en la práctica si no se procesa correctamente debido a la presencia de huecos o a una humectación incompleta.
Mezclar y homogeneizar
Los rellenos pueden separarse o sedimentarse durante el almacenamiento y el transporte. Es importante homogeneizarlos bien antes de procesarlos. En los sistemas de dos componentes, ambos componentes deben homogeneizarse primero por separado antes de mezclarlos. Una técnica de agitación adecuada mejora la distribución del relleno y reduce las variaciones entre lotes durante el procesamiento.
desgasificación al vacío
Las burbujas de aire reducen considerablemente la conductividad térmica efectiva, ya que el aire tiene una conductividad térmica muy baja. La desgasificación tras la mezcla puede mejorar notablemente la calidad del relleno. En volúmenes mayores o en conjuntos críticos, también puede ser conveniente realizar el relleno al vacío.
Dosificación y comportamiento de flujo
Los sistemas termoconductores suelen ser mucho más viscosos que los compuestos de encapsulado estándar. Para materiales con alto contenido de relleno, a menudo resulta ventajoso utilizar sistemas de bombeo y dosificación adaptados. En conjuntos complejos, el material debe introducirse de manera que el aire pueda escapar de forma controlada. Una temperatura moderada puede mejorar el comportamiento de fluidez, pero, dependiendo del sistema, acorta el tiempo de vida útil.
curado
En los sistemas de resina reactiva puede producirse una exotermia relevante, especialmente en volúmenes de encapsulado grandes. El alto contenido de relleno influye en el equilibrio térmico y en el desarrollo de la reacción. En caso necesario, es recomendable utilizar sistemas de curado gradual o más lentos.
Los compuestos de encapsulado de silicona suelen presentar una exotermia significativamente menor que muchos sistemas epoxi, lo que puede ser ventajoso para el proceso en el caso de grandes volúmenes de encapsulado.
Tratamiento posterior y control de calidad
Una vez endurecido, se debe comprobar la calidad del relleno, por ejemplo, mediante una inspección visual para detectar burbujas, una prueba de dureza, un control de peso o densidad, así como una termografía bajo carga para verificar la disipación del calor. En aplicaciones críticas para la seguridad, es aconsejable realizar pruebas eléctricas y mecánicas adicionales.
Preguntas frecuentes (FAQ)
¿Puedo eliminar posteriormente un compuesto de encapsulado termoconductor?
Esto solo es posible de forma limitada. Los sistemas de silicona blanda suelen ser más fáciles de eliminar mecánicamente que los epoxídicos duros. Sin embargo, los sistemas totalmente curados y altamente rellenos a menudo solo se pueden eliminar con un esfuerzo considerable y pueden dañar los componentes. Si se prevé una reelaboración, esto debe tenerse en cuenta ya en la selección de materiales.
¿En qué medida mejora realmente la refrigeración un valor λ más alto?
Un valor λ más alto mejora la conducción térmica en el material, pero no mejora automáticamente la potencia de refrigeración total. También son decisivos el espesor de la capa, la calidad del contacto, las burbujas de aire, la geometría y la posterior disipación del calor en el sistema. Lo determinante es la resistencia térmica de todo el recorrido del calor.
¿Por qué el compuesto de encapsulado termoconductor cuesta mucho más que el encapsulado estándar?
Los principales factores que influyen en los costes son los rellenos térmicamente conductores y los mayores gastos de formulación y procesamiento. Los altos grados de llenado aumentan la viscosidad y la densidad y plantean mayores exigencias a la tecnología de mezcla, desgasificación y dosificación.
¿Puedo procesar un compuesto de encapsulado térmicamente conductivo con un equipo normal?
Para pequeñas cantidades y geometrías simples, esto es posible en algunos casos. En sistemas altamente rellenos, es importante una buena homogeneización, una técnica de dosificación adecuada y, a ser posible, desgasificación, para obtener resultados reproducibles sin inclusiones de aire.
¿Es un valor λ alto siempre la mejor opción?
No. Los valores λ más altos suelen implicar mayores costes, mayor viscosidad y un procesamiento más difícil. En muchas aplicaciones, un sistema procesado de forma limpia con un valor λ moderado es la solución más económica y técnicamente suficiente.
Conclusión: mejora cuantificable del rendimiento térmico
Los compuestos de encapsulado termoconductores son más que una simple mejora. Permiten diseños electrónicos que no funcionarían de forma fiable desde el punto de vista térmico con el encapsulado estándar. El valor λ describe la capacidad del material, pero el efecto de refrigeración real depende de la trayectoria térmica total.
Los sistemas rellenos de óxido de aluminio ofrecen una buena relación calidad-precio para muchas aplicaciones. Los sistemas basados en nitruro de boro y nitruro de aluminio son especialmente interesantes cuando se requiere un mayor rendimiento térmico o propiedades eléctricas especiales.
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. Las ventajas son cuantificables: temperaturas más bajas de los componentes, 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 tanta como sea posible. Una consideración térmica clara evita el exceso de ingeniería y mantiene los costes dentro de unos límites razonables.
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- Selección según temperatura, mecánica y resistencia a los medios
- Clasificación de los valores λ en el contexto de la aplicación
- Indicaciones para el procesamiento (mezcla, desgasificación, dosificación)
- Muestras para pruebas y validación
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