Impedancia térmica

Definición científica

En dispositivos electrónicos, la gestión térmica es un factor crucial de rendimiento ya que el sobrecalentamiento de los componentes puede provocar fallos. Aquí, la tarea es transferir el calor generado por la electrónica a dispositivos de enfriamiento, como disipadores de calor. Sin embargo, incluso el disipador más eficiente no puede disipar óptimamente el calor si las superficies de contacto no gestionan la transferencia de calor necesaria. A pesar de los procesos modernos de fabricación, queda cierta rugosidad superficial donde ocurren inclusiones microscópicas de aire.

Los materiales de interfaz térmica, conocidos como TIMs, están diseñados para llenar esos vacíos entre componentes y mejorar significativamente la transferencia de calor. Esto también significa que la resistencia de contacto entre el componente que genera calor y el disipador debe reducirse utilizando el TIM.

Propiedades térmicas de los TIM

El rendimiento de un TIM depende así de sus propiedades térmicas, las más comunes en la industria y que se enumeran en las hojas de datos son la conductividad térmica y la impedancia térmica. Es ventajoso examinar la impedancia térmica de un TIM ya que también refleja las condiciones de una aplicación, teniendo en cuenta, por ejemplo, el grosor del material y la presión de sujeción.
La conductividad térmica es una propiedad específica del material y describe la capacidad de un material para conducir calor. Esto significa que para la gestión térmica es ventajoso usar un TIM con una alta conductividad térmica para mejorar el efecto de enfriamiento.

Relacionado 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. Por lo tanto, para una conductividad térmica constante significa que cuanto más grueso es el material, mayor es la resistencia térmica.

El diseño térmico y la elección de un TIM deben considerar no solo la conductividad térmica del material sino también la resistencia de contacto entre el componente generador de calor, el TIM y el disipador de calor. Aquí entra en juego la impedancia térmica: describe la suma de la resistencia térmica y la resistencia de contacto, es decir, es la oposición total que un ensamblaje, que es el material y las interfaces del 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.

Measurement method

Thermal impedance measurements are typically performed using a TIM-Tester which confirm the norm ASTM D5470. It uses a steady-state method where a specimen is clamped between a heated and a cooled meter bar. The temperature gradient over the specimen, the resulting heat flux together with the test surface area, which has the same size as the material, are then used for the thermal impedance calculation. The thermal impedance thus measures the specimen thermal resistance plus the interfacial thermal resistance between the material and the test surfaces and is denoted by θ and given in the unit of m2∙K/W.

La resistencia de contacto varía según la superficie de la muestra y la presión aplicada por las superficies de prueba sobre el material probado, por lo que el TIM-Tester registra la presión. También se mide el grosor de la muestra.

Con el TIM-Tester también se puede determinar la conductividad térmica aparente, es decir, la conductividad térmica específica a las condiciones de prueba. Para ello, se debe excluir la resistencia térmica interfacial. Esto se logra midiendo y graficando la impedancia térmica en función de diferentes espesores de la muestra. Esto resulta en una línea recta cuya inversa de la pendiente es la conductividad térmica aparente y la intersección a espesor cero corresponde a la resistencia de contacto en las dos superficies de prueba.