¿Por qué los disipadores térmicos aislantes son tan raros? ¿Es solo un costo?

Editar: Parece que mi pregunta inicial (¿Por qué no hay disipadores de calor aislantes?) Se basó en una premisa falsa, y de hecho hay disipadores de calor aislantes: simplemente no pude encontrarlos con una búsqueda superficial. Entonces, en cambio, estoy cambiando esto para preguntar sobre su rareza.

Los disipadores de calor parecen estar hechos casi universalmente de aluminio, cobre o alguna combinación de los mismos. Esto tiene sentido; El aluminio y el cobre son fáciles de trabajar y tienen una alta conductividad térmica. Pero el diamante tiene una de las conductividades térmicas más altas de cualquier sustancia conocida: es obvio, por supuesto, que el diamante del tipo adecuado para usar como disipador térmico sería excesivamente caro, por decir lo menos, ya que probablemente tendría que ser un solo cristal de calidad de gema, pero ¿no sería posible usar, por ejemplo, nitruro de boro cúbico, que tiene una conductividad térmica similar?

Y sí, las dificultades de fabricación con la fabricación de un solo cristal grande de c-BN probablemente sería lo mismo que hacer un gran cristal único de diamante, pero espero que el precio final no sea tanto porque no hay un grupo de De Beers ir tras de ti por el nitruro de boro. Y seguramente hay otros compuestos no metálicos que tienen buena conductividad térmica, y algunos de ellos presumiblemente serían más adecuados para la fabricación. Dudo que sean capaces de acercarse al precio del aluminio extruido, pero a veces se necesita un mayor rendimiento.

Entonces, en resumen, mi pregunta es: ¿es solo el costo lo que hace que los disipadores de calor no metálicos sean tan raros, o hay otros inconvenientes que los hacen menos deseables fuera de las aplicaciones más esotéricas?

Una cosa que otras respuestas no parecen haber cubierto es que solo necesita una capa muy delgada de aislante eléctrico (con voltajes moderados) mientras que la parte del disipador de calor de un disipador de calor funciona mejor si es gruesa. Por lo tanto, es más eficiente usar una delgada barrera aislante eléctrica seguida de un disipador de metal grueso, barato y fácil de fabricar que usar una sola pieza de un material que sea térmicamente conductor y eléctricamente aislante. Los pocos materiales que existen (como el diamante) no se pueden extruir ni formar fácilmente en forma de disipador térmico. Algunos pueden sinterizarse, pero la sinterización generalmente no puede alcanzar la conductividad térmica del material a granel. El efecto de ingeniería de toda esta ciencia de materiales es que terminamos haciendo lo que siempre hemos hecho.

Otro factor son las políticas de existencias: al almacenar disipadores térmicos voluminosos y robustos y una cantidad menor (como no siempre se requiere) de pequeñas almohadillas aislantes delicadas, su stock ocupa menos espacio de almacenamiento y capital que si almacenara dos tipos de disipador térmico voluminoso. El costo y el rendimiento son mejores sin el aislante cuando no es necesario.

Este no es un problema nuevo; aquellos de nosotros de cierta edad recordamos los disipadores térmicos con aisladores de mica para los paquetes TO-220 y TO-3.

El problema (en ese momento) era tanto el costo como la disponibilidad de material y la ciencia de los materiales. Hemos recorrido un largo camino en nuestra comprensión de la conductividad térmica de varios compuestos a lo largo de los años, pero todavía es una tecnología relativamente nueva (hay cosas como almohadillas térmicamente conductoras que han existido durante décadas pero que en realidad no son disipadores de calor en sí mismas). Derecha).

El TO-220 tiene el difusor de calor en el colector / drenaje del dispositivo, que generalmente está a un voltaje elevado, por lo que la disposición típica utiliza esta técnica:

Fuente .

No era inusual usar un poco de pasta térmica también para maximizar la transferencia de calor.

Ahora, eso no explica realmente la relativa rareza de los disipadores térmicos aislados integrados; eso realmente se reduce a 'es necesario' o simplemente puedo usar el método bien conocido de un disipador de calor y un material de barrera eléctricamente aislante que es menos costoso (al menos, lo es hoy).

El antiguo método probado y verdadero ha funcionado bien durante muchas décadas, pero para algunas aplicaciones (particularmente aquellas en dispositivos pequeños), tal solución puede no encajar.

Hay bastantes unas cuantas ofertas disponibles , pero tienden a ser un poco más caro (sobre una base por vatio). También hay mucha investigación sobre otros materiales .

Por supuesto, para el factor de brillo, podría usar estos .

Por lo tanto, se reduce a una serie de cosas y el costo es un factor importante. También señalaré que un gran mercado para los disipadores de calor es para CPU y GPU donde el caso del IC está aislado eléctricamente de todos modos.

Disipadores térmicos de polímero merecen una mención. Los disipadores térmicos de polímero no son tan infrecuentes. Me encuentro de vez en cuando con disipadores térmicos de polímeros industriales, automotrices y de prosumidores. A menudo son difíciles de reconocer como disipadores de calor, ya que pueden tener un segundo propósito mecánico (una carcasa, un soporte, un reflector de una lámpara). Estos disipadores de calor son siempre piezas personalizadas moldeadas por inyección.

$\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$$\mathrm{200 \frac {W} {m\cdot K} }$

E2 es el plástico ( fuente )

Alguna discusión adicional en esta vieja respuesta .

Lo que pasa con un disipador de calor es que solo hay realmente dos formas de eliminar el calor, la conducción y la radiación.

Así que, en última instancia, suponiendo que su emisividad es razonablemente cercana a 1 (solo importa si puede funcionar CALIENTE, la pérdida de energía por radiación es la cuarta potencia de temperatura absoluta), y puede hacer que la cosa tenga un buen contacto térmico con los medios de enfriamiento circundantes (Aire , agua, lo que sea), de lo que lo hagas solo importa un poco (esa interfaz es el asesino para el rendimiento, no la conductividad térmica a granel del disipador térmico).

Ahora claramente necesita diseñar el disipador térmico para que el calor pase a través de él de manera razonablemente eficiente y en el área donde hay mucha densidad de flujo de energía que podría argumentar por algo más que aliado, para la mayor parte de la cosa donde tiene mucho metal para mantener baja la Delta T, lo más barato es lo mejor.

Por supuesto, para un difusor de calor o arandela aislante es diferente, los difusores de calor, por definición, se usan donde la densidad de flujo de potencia es muy alta y la resistencia térmica mínima es algo muy bueno, de ahí el uso habitual de cobre en este papel.

Para el aislante, sí se ven materiales exóticos, porque un buen conductor térmico que también es un aislante eléctrico no es tan común, por lo que nitruro de boro, alúmina, óxido de berilio (!) Y similares, todos ven el servicio aquí, y no estaría conmocionado por alguien que usa diamantes (probablemente en algún dispositivo de RF extraño).

Desde un punto de vista técnico, es ciertamente posible fabricar disipadores térmicos con almohadillas aislantes incorporadas. La razón por la que no lo hacen es la economía.

Entre las diferentes opciones mecánicas, eléctricas y térmicas hay muchas combinaciones diferentes. Si el aislador y el disipador térmico fueran una parte, entonces los vendedores tendrían que almacenar muchos más números de parte únicos.

Al descomponer el aislador y el disipador de calor en productos únicos, el usuario tiene muchas más opciones.

Estas son algunas de las cosas a tener en cuenta.

1) En muchos casos, el usuario utilizará almohadillas de separación entre los disipadores de calor y los componentes calientes para eliminar la holgura en las tolerancias mecánicas. Esto significa que cada usuario querrá que la almohadilla tenga un grosor diferente.

2) Los materiales de la almohadilla aislante térmica varían en qué tan bien pueden adaptarse a superficies rugosas. A menudo hay un intercambio entre cuán blando es el material y qué tan bien conduce el calor.

3) Los diferentes usuarios tendrán diferentes requisitos de aislamiento en términos de voltaje. Existe una compensación entre el voltaje de aislamiento, el grosor del material y la resistencia térmica.

3) Agregar un aislante entre un disipador de calor y una parte tiene una penalización en términos de resistencia térmica. Si es posible no usar una capa aislante, obtendrá el mejor rendimiento térmico en ese caso.

El mejor compromiso es hacer una capa de área de superficie grande extremadamente delgada con un alto voltaje nominal [kV / mm] con dureza suficiente para no ser cortada o perforada, pero también debe ser de bajo costo.

Las características del aislante térmicamente conductor incluyen;

Cost-effective
Resistant to tears and cut-through
High dielectric strength
UL94 VO rated options available
Low ageing rate: Pads do not dry out, ooze out or crack  
Gap Filling, if burrs, roughness or planarity is a problem
Compatibility (gas sensors must be non-silicone and LED interfaces must be non-organic)
Low dielectric constant for capacitance load on collector/drain tabs on high dV/dt high voltage drivers

Todos los aislantes eléctricos son "dieléctricos". Todos los disipadores de calor son buenos conductores térmicos.
Sin embargo, en los sólidos, puede ser costoso tener ambas características como buenas.
Materiales de cambio de fase que hacen girar el fluido bajo presión para hacer una posible solución.

Las CPU tienden a usar vidrio cerámico como parte superior térmica del disipador térmico debido a sus propiedades extremadamente planas.

Para voltaje de línea Triacs, Mica fue el mejor material para protección de pulso de 5kV y conducción térmica con grasa térmica.

Los fluidos dieléctricos como el aceite para transformadores también son buenos aislantes térmicos con flujo de calor.

Figuras de mérito para comparar materiales Uso de aislantes térmicamente conductores;

Conductividad térmica [W / mK] ,
espesor [um] , dureza Shore [00] ,
resistencia dieléctrica [kV / mm] e
impedancia térmica [˚C-cm² / W]

$\frac{V}{mm} \cdot \frac{°C\cdot mm}{W}$ o dividir por conducción térmica en $\frac{kV}{mm} /\frac{W}{m-K}$.

Soluciones tradicionales; han sido Mica, cinta 3M y algunas cintas de polímeros.

La mejor solución económica de Aavid Thermalloy es:

Thermalsil III

  uses finely woven glass cloth with a silicone elastomer binder 0.152mm thick
  Dielectric Strength :  26 kV/mm     
  Thermal Conductivity: 0.92 W/m'C   
  UL 94V-0

Para la eliminación de calor por aire forzado, no es el CFM lo que cuenta, sino que a menudo se informa, sino que es la velocidad del aire de la superficie turbulenta la que controla el enfriamiento en la media [m / s].

El producto de estos dos parámetros conduce a las mejores propiedades del material pero no al más barato.

En realidad, hay una buena solución: aluminio. Aluminio anodizado. La anodización convierte la superficie en óxido de aluminio, que es un aislante. Buenas noticias: se aumenta el área de la superficie para ayudar a conducir el calor al aire ambiente; Malas noticias no es una superficie plana y lisa para contactar con el dispositivo de alimentación que genera el calor. Solución: Compuesto térmico (también conocido como "Grasa"). Notas importantes: hay varios procesos para anodizar aluminio. La mayoría de las cosas bonitas es "Clase I", que es suave o "Clase II", que es moderadamente difícil. Puede usar la Clase II Si no hay un movimiento relativo del dispositivo a enfriar y está firmemente sujeto al disipador de calor y no hay rebabas ni rasguños, esto funciona bien. Demasiados " si " y ""¿Es para usted? Entonces, la anodización" Clase III "es lo que desea. Tiende a ser de colores desiguales y el negro tiene un tono parduzco o violáceo. Es casi tan duro como los diamantes y casi a prueba de arañazos. Todavía necesita grasa, pero ningún aislante a voltajes razonables. Los militares y aeroespaciales lo han usado durante más de 50 años, ya sea como arandelas anodizadas delgadas (~ 0.025 ") (similar a los aisladores de mica TO-3 perforados) o en todo el recinto (piense en misiles). Es difícil de encontrar hoy en día y cuesta más que otras soluciones, pero funciona bien.

Para la "grasa", use silicona (no a base de petróleo), óxido de aluminio (no óxido de zinc) de Dow, Shin-Etsu, Fuji-Poly o Saint-Gobain. El material boutique basado en plata y cobre para el uso de los jugadores de overclocking de PC es costoso y conductivo. Esto está bien con la anodización de clase III, siempre que no migre, se caiga, se seque, se pulverice o se forme escamas, etc., sobre el material de transporte actual (simplemente no lo use). Si realmente necesita unir mucho calor con grasa, el óxido de berilio es varias veces mejor que el óxido de aluminio. Simplemente trátelo como asbesto: no lo lame, no lo coma, no lo inhale. Es irritante para la piel, así que use guantes y prepárese para el ataque de una "caza de brujas tóxica". Estas grasas solo necesitan tener un espesor de 0.0001 "a 0.0005" debajo del dispositivo (tipo de translúcido). Aplicar con una pequeña escobilla de goma de plástico o metal; para volúmenes de producción, use una plantilla (el mismo tipo de material de plantilla que se usó para la pasta de soldadura ~ 0.005 "SS) y una escobilla de goma.

He visto disipadores de calor con un revestimiento de cerámica delgada en el área de montaje, pero la diferencia de Cte ​​es un problema y puede agrietar la cerámica delgada.

Espero que esto ayude, lo obtuve de> 40 años de deambular entre electrones y agujeros de electrones.

En general, sospecho que evitar el "desgaste" en el campo y el consiguiente reemplazo costoso es una razón clave para las aplicaciones generales que evitan los disipadores térmicos cristalinos. No digo que los disipadores térmicos de metal nunca fallan en el campo. Pero, en términos generales, el reemplazo de los disipadores de calor metálicos en el campo sería mucho más barato y requeriría un equipo mucho menos especializado en comparación con los disipadores de calor cristalinos.

Es decir, al principio, los disipadores térmicos cristalinos serían generalmente caros de mecanizar y se produciría una rotura adecuada debido al estrés térmico y mecánico. Aún puede permanecer dentro de los costos totales aceptables si todo eso sucedió en una fábrica especial de disipadores de calor. Pero no es raro que los fabricantes de aplicaciones finales necesiten recortar el disipador térmico para adaptarlo, etc.

La segunda vez en una aplicación en campo, muchos disipadores de calor experimentan choques térmicos y mecánicos y vibraciones que pueden estar fuera de la tasa de supervivencia del 100% para los disipadores de calor cristalinos. Los buenos disipadores de calor de metal viejos, por otro lado, pueden soportar bastante abuso y flexión. Algunos incluso sirven secundariamente como un punto de fijación mecánica al chasis exterior de un conjunto más grande.

También en el caso de disipadores térmicos cristalinos, los sujetadores pueden convertirse en puntos de falla en lugar del disipador térmico. Un sujetador más suave amortiguaría el daño por vibración en el disipador de calor, pero en su lugar sería aserrado gradualmente por esas mismas vibraciones y flexiones.

Por lo tanto, los disipadores de calor cristalinos probablemente se convertirían en un elemento de reparación ocasional en el campo ... suponiendo un apagado térmico inteligente y alertas. Ahora piense qué herramientas especiales se necesitan en el campo y qué tipo de tasas de rotura podrían aplicarse cuando su tecnología promedio trata de lidiar con el reemplazo. Apuesto a que los disipadores de calor serían algo que muchos cuerpos, gobiernos y clientes privados esperarían que manejen los técnicos locales, incluso si no son circuitos. Solo un trabajo de llave inglesa ¿verdad?