Materiales de gestión térmica para envases electrónicos

Introducción

Los dispositivos electrónicos producen calor cuando están en uso. Más calor reduce su rendimiento y vida útil. La gestión térmica es necesaria para que su uso sea seguro. Los materiales del embalaje electrónico ayudan a evacuar el calor.

Principios básicos de la gestión térmica

Los sistemas eléctricos producen calor debido a la pérdida de potencia. El calor adicional sobrecarga los circuitos y disminuye su rendimiento. El concepto general de la gestión térmica es distribuir el calor para mantener una temperatura constante, lo que suele hacerse mediante conducción, convección y, ocasionalmente, radiación. Para transferir el calor de los componentes delicados se emplean materiales adecuados. Los ingenieros eligen estos materiales cuidadosamente en función de las necesidades del dispositivo y de las cargas térmicas previstas.

Metales: Alta resistencia y conductividad térmica

Los metales suelen ser el material elegido para la gestión térmica. Poseen una alta conductividad térmica. El cobre es excepcional entre los metales. El cobre tiene una conductividad térmica de casi 400 vatios por metro Kelvin. Le sigue el aluminio, con unos 205 vatios por metro Kelvin. Los metales también son muy resistentes y duraderos. En los envases electrónicos, los disipadores de calor y las placas base de cobre o aluminio disipan el calor con eficacia. Su eficaz conducción se utiliza para que los componentes funcionen con seguridad a temperaturas incluso en condiciones exigentes.

Cerámica: Conductividad con aislamiento

La cerámica también es útil en el sentido de que no sólo conduce el calor, sino que también aísla eléctricamente. El nitruro de aluminio, por ejemplo, posee una conducción térmica de casi 170 vatios por metro Kelvin. Esta cerámica es habitual en sustratos empleados en electrónica de potencia. El carburo de silicio también es una cerámica que se utiliza cuando se necesita aislamiento y conducción. El carácter de la cerámica permite utilizarla allí donde deben producirse simultáneamente el aislamiento eléctrico y la transferencia continua de calor. Son muy frecuentes en aplicaciones de alta tensión.

Polímeros y compuestos conductores térmicos

Los polímeros son ligeros y flexibles. Se utilizan sobre todo cuando el peso es un problema. Los polímeros puros rara vez conducen bien el calor, pero los rellenos les confieren un gran rendimiento. Por ejemplo, los polímeros mezclados con nitruro de boro o grafeno pueden tener conductividades térmicas de hasta 10 vatios por metro Kelvin. Tienen aplicación en dispositivos portátiles en los que el peso extra es una desventaja. Su flexibilidad permite moldearlos en múltiples diseños y dimensiones para adaptarlos a las distintas demandas de refrigeración.

Materiales de interfaz térmica (TIM)

Con buenos disipadores de calor, los puntos de contacto entre elementos pueden ser menos que ideales. Las pequeñas aberturas dificultan la transferencia de calor. Los materiales de interfaz térmica rellenan estas aberturas. Los TIM suelen presentarse en forma de pasta o almohadilla. Las pastas a base de silicona son habituales. Permiten que el calor fluya eficazmente de un elemento a otro. Este tipo de materiales son esenciales en los equipos con alta densidad de potencia. Su función es reducir la resistencia térmica y mantener bajo control las temperaturas de funcionamiento.

Cambio de fase y nanomateriales avanzados

Algunas de las soluciones de gestión térmica se basan en propiedades de cambio de fase. Absorben el calor en una transición de estado de sólido a líquido. El proceso reduce los picos de temperatura en caso de ciclos de alta potencia. Los materiales de cambio de fase se utilizan en aplicaciones de temperatura variable. También se están estudiando nanomateriales avanzados. Los nanotubos de carbono y los nanorrellenos, por ejemplo, pueden mejorar notablemente la conductividad térmica. En algunos compuestos avanzados, la conductividad térmica aumenta hasta unos 20 vatios por metro Kelvin. Se utilizan en la informática de alto rendimiento y en la iluminación LED. Ofrecen nuevas oportunidades para el control del calor en dispositivos sometidos a la presión de un alto rendimiento.

Conclusión

La gestión térmica de los envases electrónicos es muy importante, ya que evita que los dispositivos sufran daños y aumenta su vida útil. Los metales, las cerámicas y los polímeros tienen diferentes propiedades para ayudar al movimiento o la disipación del calor. Los materiales de interfaz térmica ayudan a liberar el flujo de calor entre espacios. Los materiales de cambio de fase y los nanomateriales ofrecen nuevas soluciones para problemas de calor difíciles de resolver.

Preguntas más frecuentes

F: ¿Qué material tiene una conductividad térmica extremadamente alta en electrónica?

P: El cobre es un metal de alta gama, famoso por su conductividad de casi 400 vatios por metro Kelvin.

F: ¿Qué papel desempeña la cerámica en los envases electrónicos?

P: La cerámica proporciona una transferencia de calor y un aislamiento eléctrico eficaces para aplicaciones de alto voltaje.

F: ¿Por qué los dispositivos necesitan materiales de interfaz térmica?

P: Rellenan espacios diminutos y reducen la resistencia entre las piezas para permitir una transferencia de calor eficaz.

Referencia:

[1] Gestión térmica (electrónica). (2025, 12 de mayo). En Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_management_(electronics)