Capa dieléctrica como material de interfaz térmica (TIM) en aplicaciones de electrónica de potencia


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La tendencia omnipresente en la electrónica es hacia diseños más pequeños con requisitos de rendimiento cada vez mayores.

Como consecuencia, existe la necesidad de disipar el calor generado por la electrónica de forma rápida, eficaz y económica.

En este artículo presentamos un dieléctrico conductor de calor eléctricamente aislante como TIM. El objetivo es ofrecer una solución eficiente para los crecientes desafíos de la gestión térmica.

Table of Contents:

Película dieléctrica como TIM

Sobre todo, un sistema de gestión térmica bien diseñado garantiza una vida útil más larga de los componentes electrónicos utilizados. De esta forma, se garantiza un mayor rendimiento y calidad de toda la aplicación electrónica.

Es decir, ya no basta con transferir el calor generado por los componentes al aire ambiente.

En cambio, es importante disponer de una refrigeración adicional de los componentes electrónicos. Un método para lograr este enfriamiento adicional es mediante el uso de un disipador de calor externo, activo o pasivo.

Por ello, Aismalibar propone la implementación de una película dieléctrica como TIM. Para aclarar, es una película dieléctrica conductora de calor eléctricamente aislante que se utilizará como material de interfaz térmica de placas de circuito impreso.

Actualmente, es muy común utilizar la carcasa de la aplicación como elemento refrigerador de la electrónica.

Además, la protección contra contactos accidentales por rotura dieléctrica tiene una importancia adicional desde el punto de vista de la seguridad. El objetivo es garantizar la protección personal contra una descarga eléctrica.

Algunos ejemplos son los dispositivos conectados a energía para iluminación y medicina o futuros entornos de baterías de 800 V en automóviles eléctricos.

Schematic representation of a cooling situation in power electronics using the example of an IMS circuit board with LEDs, which is coupled to an aluminum heat sink via a TIM
Figura 1: Refrigeración en electrónica de potencia utilizando el ejemplo de una placa de circuito IMS con LED acoplados a un disipador de calor de aluminio a través de un TIM.

Beneficios de la película dieléctrica

La película dieléctrica como TIM previene o minimiza las inclusiones de aire para permitir una transferencia de calor eficiente desde la fuente de calor al disipador de calor.

Bondsheet Cured es una solución técnica y económica para los desafíos térmicos y de aislamiento en la electrónica de potencia. Una película dieléctrica conductora de calor eléctricamente aislante de Aismalibar.

Bondsheet Cured consiste en una base de tejido de vidrio con la adición de cargas minerales.

Este preimpregnado de interfaz térmica con una temperatura de transición vítrea de 120 °C alcanza una conductividad térmica de 2,2 W/mK. Sus rigidez dieléctrica alcanzan los 4 kV (dieléctrico de 70 µm) o los 6 kV (dieléctrico de 100 µm).

Esto significa que, utilizando un espesor de película fino (70 o 100 µm), es posible lograr una baja resistencia térmica Rth de 0,315 o 0,45 K cm2/W.

Esto disipa eficientemente el calor generado por la electrónica de potencia al elemento de enfriamiento para su distribución y disipación al aire ambiente.

Áreas de aplicación

Las principales áreas de aplicación de la película dieléctrica termoconductora como TIM son la electrónica de potencia.

Para aclarar, es donde existe la necesidad de optimizar la transferencia de calor entre dos superficies metálicas planas. Una optimización en términos de conducción de calor y aislamiento eléctrico.

Actualmente, las láminas curadas en etapa dieléctrica C encuentran aplicaciones exitosas en:

  • Inversores solares
  • Turbinas de viento
  • Controles de transmisión de vehículos comerciales
  • Industria de iluminación LED

Los proyectos futuros incluyen:

  • Coches eléctricos, especialmente en propulsión
  • Gestión de la batería, incluida la electrónica de carga de a bordo.

En la electrónica de potencia industrial, como en las máquinas de soldar y en los accionamientos de robots, también se utilizan películas dieléctricas conductoras de calor. Esto es para disipar eficientemente el calor de la electrónica de control.

Application example of a liquid-cooled, highly compact MOSFET assembly for power electronics.
Figura 2: Ejemplo de aplicación de un conjunto MOSFET altamente compacto y refrigerado por líquido para electrónica de potencia. (Imagen: evolución del coeficiente intelectual)

También en este caso la tarea de la película es disipar eficientemente el calor con la máxima rigidez dieléctrica de aislamiento. El objetivo es conectar de forma óptima los PowerMOSFET a los microrefrigeradores refrigerados por líquido de IQ-evolution.

De hecho, numerosas pruebas demuestran que para esta aplicación el dieléctrico conductor de calor mostrado logra la mejor combinación técnico-comercial de disipación de calor y rigidez dieléctrica en comparación con técnicas TIM alternativas.

BONDSHEET Cured: Película dieléctrica como TIM de Aismalibar

La base de BONDSHEET Cured, una película dieléctrica como TIM, es utilizar un refuerzo de tela de vidrio único con la adición de rellenos cerámicos en un proceso patentado.

Además de las propiedades materiales puras de estos rellenos (Al2O3, AlN y BN, entre otros), Aismalibar mejoró el tamaño y la forma de las partículas, así como la distribución. De esta manera se garantiza que el tejido de vidrio de partida tenga propiedades conductoras de calor homogéneas.

Image 3: The thermal conductive film BONDSHEET CURED for further processing is cut, sawed, punched or routed to accomplish the customer required shape.
Imagen 3: La película termoconductora BONDSHEET CURED para su posterior procesamiento se corta, se corta, se perfora o se fresa. Para lograr la forma requerida por el cliente.

Además, la película termoconductora es totalmente personalizable según las diferentes necesidades y requisitos. Una vez adaptado a las especificaciones del cliente, Aismalibar lo entrega como producto final.

BONDSHEET Cured Película dieléctrica en cualquier formato.

De hecho, a petición del cliente, el productor puede cortar internamente la película BONDSHEET CURED en cualquier formato rectangular o cuadrado. Luego entrega el producto en pilas de varios cientos de películas individuales para su posterior procesamiento manual o automatizado en las instalaciones del cliente.

BONDSHEET CURED también es un material de alta interfaz térmica ideal para su uso con máquinas automáticas de recogida y colocación. Es perfecto para la inserción automatizada.

Figure 4: Example of the electrically insulating heat-conducting C stage sheet, contoured according to customer specifications, in order to achieve an optimal mechanical adaptation of the circuit board to the heat sink.
Figura 4: Ejemplo de lámina de etapa C conductora de calor eléctricamente aislante, contorneada según las especificaciones del cliente. Para conseguir una adaptación mecánica óptima de la placa de circuito al disipador de calor.

Para muestras y prototipos, el fabricante contornea la lámina según las especificaciones del cliente con esquinas redondeadas y agujeros (como se muestra en la Figura 4).

De esta manera, la película se puede insertar directamente entre el disipador de calor y la placa de circuito durante el ensamblaje del producto final por parte del cliente en una unidad.
El uso de la película termo-conductora no implica el uso de aceites, pastas o siliconas.

Por lo tanto, el montaje/desmontaje del módulo electrónico se realiza de forma sencilla y ordenada (por ejemplo, durante el mantenimiento).
En el caso de una producción en serie de gran volumen, perforar la película con una herramienta de perforación específica del cliente es el proceso de fabricación más rentable.
A través del almacén de Barcelona están disponibles en 70 o 100 µm de espesor.

Perspectivas sobre desarrollos futuros:

Aismalibar desarrolla dieléctricos térmicamente conductores que cumplen o aumentan los altos requisitos técnicos de conductividad térmica y rigidez dieléctrica.

Además, la procesabilidad optimizada es esencial para producciones en serie de gran volumen, como en el sector del automóvil.

Un ejemplo es el proceso de “recubrimiento térmico dual” (DTC). Este consta de dos capas directamente sobre un soporte metálico (cobre o aluminio) sin vidrio.

Al aplicar la capa termo-conductora o aislante directamente sobre un soporte metálico, se obtiene un producto muy fino.

Se aplica una capa adicional de etapa B a la capa dieléctrica curada. Esto permite un procesamiento posterior por parte del usuario.

Capa inferior:

La capa inferior del dieléctrico se endurece durante el proceso de fabricación. Esto es para obtener las propiedades eléctricas y térmicas deseadas como se especifica en la hoja de datos.

Image 5: Copper substrate coated with two thermally conductive polymer resins, supplied as a B-stage over a polymerized C stage layer
Imagen 5: Sustrato de cobre recubierto con dos resinas poliméricas térmicamente conductoras, suministradas como etapa B sobre una capa de etapa C polimerizada

En resumen, el resultado es un módulo de potencia muy compacto con propiedades eléctricas y térmicas optimizadas. Posteriormente, esto conduce a una larga vida útil antes de procesos de producción posteriores, cumpliendo con los altos requisitos de la industria electrónica.

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