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Definición científica
En los dispositivos electrónicos, la gestión térmica es un factor de rendimiento crucial, ya que el sobrecalentamiento de los componentes puede provocar fallos. La tarea consiste en transferir el calor generado por los componentes electrónicos a dispositivos de refrigeración, es decir, disipadores o disipadores de calor. Sin embargo, ni siquiera el disipador de calor más eficiente puede disipar el calor de forma óptima si las superficies de contacto no consiguen la transferencia de calor necesaria. A pesar de los modernos procesos de fabricación, sigue existiendo cierta rugosidad superficial en la que se producen inclusiones microscópicas de aire.
Los materiales de interfaz térmica, en breve TIM, están diseñados para rellenar esos huecos entre componentes, de modo que la transferencia de calor mejore significativamente. Esto significa también que la resistencia de contacto entre el componente generador de calor y el disipador térmico debe reducirse utilizando el TIM.
Propiedades térmicas de los TIM
El rendimiento de un TIM depende, por tanto, de sus propiedades térmicas; las propiedades más comunes utilizadas en la industria y que figuran en las hojas de datos son la conductividad térmica y la impedancia térmica.
La ventaja de echar un vistazo a la impedancia térmica de un TIM es que también refleja las condiciones de una aplicación, ya que también tiene en cuenta, por ejemplo, el grosor del material y la presión de apriete.
La conductividad térmica es una propiedad específica del material y describe la capacidad de un material para conducir el calor.
Esto significa que para la gestión térmica es ventajoso utilizar un TIM con una conductividad térmica elevada para mejorar el efecto de refrigeración.
En relación con esto está la resistencia térmica, que es la capacidad de resistir un flujo de calor.
A diferencia de la conductividad térmica, la resistencia térmica depende del grosor del material.
Así, para una conductividad térmica constante significa que cuanto más grueso sea el material, mayor será la resistencia térmica.
A la hora de gestionar el calor y seleccionar un TIM, no sólo hay que tener en cuenta la conductividad térmica del material, sino también la resistencia de contacto entre el componente generador de calor, el TIM y el disipador.
Aquí entra en juego la impedancia térmica: describe la suma de la resistencia térmica y la resistencia de contacto, es decir, es la resistencia total del un conjunto, que es el material y las interfaces de material, presenta al flujo de calor.
Esto significa que, idealmente, el material TIM tiene una alta conductividad térmica y, al mismo tiempo, posee una baja impedancia térmica.
Propiedades resumidas:
- Conductividad térmica
- Espesor del material
- Presión de contacto
- Resistencia térmica
- Resistencia de contacto
Método de medición
Las mediciones de la impedancia térmica suelen realizarse con un TIM Tester que cumpla la norma ASTM D5470.
Utiliza un método de estado estacionario en el que se sujeta una probeta entre una barra de medición calentada y otra enfriada.
El gradiente de temperatura sobre la probeta, el flujo de calor resultante y la superficie de ensayo, que tiene el mismo tamaño que el material, se utilizan para calcular la impedancia térmica.
De este modo, la impedancia térmica mide la resistencia térmica de la probeta más la resistencia térmica interfacial entre el material y las superficies de prueba y se denota por θ y se da en la unidad de m2∙K/W.
Como la resistencia de contacto varía en función de la superficie de la probeta y de la presión aplicada por las superficies de prueba sobre el material ensayado, el TIM-Tester registra la presión. También se mide el grosor de la probeta
Con el TIM-Tester se puede determinar también la conductividad térmica aparente, es decir, la conductividad térmica específica de las condiciones de ensayo. Para ello es necesario excluir la resistencia térmica interfacial. Esto puede hacerse midiendo y trazando primero la impedancia térmica en función de los diferentes grosores de las muestras. Así se obtiene una línea recta cuya inversa de la pendiente es la conductividad térmica aparente y la intercepción en el espesor cero corresponde a la resistencia de contacto en las dos superficies de prueba.
