Materiales de interfaz térmica
El calor está en auge
Los avances en los vehículos eléctricos están aumentando las exigencias hacia los materiales de interfaz térmica. Peter Donaldson analiza qué es relevante y qué no lo es en este ámbito
Un material de interfaz térmica (TIM) tiene una función aparentemente sencilla: llenar los espacios de aire microscópicos entre una fuente de calor y un disipador para permitir el flujo de energía térmica. Durante décadas, esto se lograba generalmente con un material sencillo seleccionado de un catálogo según un único valor relacionado con la conductividad térmica a gran escala. Ya no es así. Tres avances relacionados con los vehículos eléctricos están provocando cambios fundamentales en estos materiales.
El primero es el cambio hacia arquitecturas de baterías de celda a paquete y de celda a chasis. Esto significa que un TIM ya no puede ser simplemente un conductor térmico entre un módulo y una placa de enfriamiento. En su lugar, debe ser un adhesivo estructural de gran área, un aislante eléctrico de alta tensión y una línea defensiva crucial en caso de un evento de descontrol térmico. También debe aplicarse rápidamente y mantenerse durante toda la vida útil del vehículo.
El segundo es la adopción de semiconductores de banda ancha como SiC y GaN en los inversores de tracción, lo que eleva las temperaturas de unión por encima de los 200 °C, en un rango donde los TIM orgánicos tradicionales fallan e incluso las soldaduras con alto contenido de plomo alcanzan sus límites. Las soluciones incluyen pastas sinterizadas de plata y cobre que transforman la interfaz en un vínculo metálico sólido.
Tercero, la industria ahora piensa más allá del rendimiento inicial y aborda todo el ciclo de vida del producto. Lo que se necesita ahora son materiales aislantes térmicos que aguanten 15 años o más en caminos irregulares y con alta humedad salina, pero que al mismo tiempo se desprendan de forma limpia para permitir la reparación, reconstrucción o reciclaje del paquete de baterías. El simple valor de vatios por metro-kelvin (W/mK) que indica la conductividad térmica en las fichas técnicas ya no es suficiente.
Las iniciativas clave para equilibrar un alto rendimiento térmico y una fiabilidad termomecánica incluyen polímeros diseñados con propiedades semicompresivas, como los rellenos de huecos de próxima generación, o adhesivos conductores térmicos con alta resistencia de unión (TCAs). Dependiendo de la resistencia a la temperatura, se pueden emplear tecnologías de resina como el poliuretano, el epóxido o incluso el silicón para satisfacer las diferentes necesidades de los sistemas de baterías, las aplicaciones de conversión de energía y la electrónica de gestión de baterías.
Compromiso entre dieléctrico térmico y otras características
Un desafío es que el aumento de la conductividad térmica suele ir en detrimento del rendimiento aislante eléctrico de un TIM. En muchos casos, un único material ya no puede optimizar ambas propiedades simultáneamente, lo que hace atractivos los conceptos híbridos. Tal combinación híbrida podría, por ejemplo, integrar capas cerámicas altamente conductivas térmicamente con una capa de interfaz térmica muy delgada, como grasa térmica o un relleno de huecos; este último se utiliza únicamente para compensar las tolerancias y garantizar un buen contacto térmico. La solución exacta dependerá en gran medida de la cadena de tolerancias y del diseño general de las capas, pero los enfoques multicapa podrían convertirse en una tendencia importante para aplicaciones específicas, donde cada capa se optimiza según su función individual.
Otra perspectiva es que la próxima generación de compuestos debería centrarse en redes poliméricas innovadoras diseñadas para crear interfaces más fuertes y eficientes tanto con rellenos como con sustratos. Aunque es tentador concentrarse en una o dos propiedades destacadas, los materiales de alto rendimiento deben satisfacer un conjunto mucho más amplio y a menudo contradictorio de requisitos. El verdadero desafío radica en lograr ese equilibrio de manera que se obtenga un rendimiento fiable al mismo tiempo que se posibilite una fabricación robusta y de alto rendimiento.
En los diseños de baterías de celda a paquete, el TIM debe funcionar al mismo tiempo como puente térmico, adhesivo estructural e aislante eléctrico. Este requisito está impulsando las prioridades de desarrollo hacia los materiales TCAs. La dificultad radica en encontrar el equilibrio óptimo entre la resistencia de unión y la elasticidad cuando se utiliza para conectar diversas superficies con los materiales empleados en las baterías de próxima generación.
El cambio en el desarrollo de las baterías TIM, provocado por las arquitecturas celda-a-pack, implica pasar de maximizar la conductividad térmica a equilibrar la fiabilidad térmica, mecánica y dieléctrica a lo largo de la vida útil de la batería. El material debe mojar superficies extensas, compensar las tolerancias, unir o soportar las celdas, resistir la vibración y el envejecimiento, y mantener al mismo tiempo el aislamiento eléctrico bajo compresión, humedad y ciclos térmicos.
El atributo más difícil de lograr sin compromisos suele ser el rendimiento mecánico/estructural. Cuando un aislante térmico se vuelve más adhesivo o capaz de soportar cargas, tiende a volverse más rígido, más difícil de modificar, a generar más estrés y, a veces, a ser menos tolerante al hinchamiento de las celdas. Aumentar el contenido de relleno mejora la conductividad térmica, pero puede perjudicar el alargamiento, la procesabilidad y la resistencia dieléctrica. Elegir el polímero adecuado puede marcar una diferencia significativa, y hay una empresa que se centra en materiales bicomponentes a base de silicona que ofrecen una muy buena resistencia al hinchamiento y a las vibraciones.
Otro enfoque se basa en una silicona altamente adhesiva desarrollada con tecnología estándar de líquidos rellenos de huecos, lo que da como resultado un aislante térmico ligeramente menos resistente que un adhesivo estructural especializado, pero lo suficientemente fuerte para muchas aplicaciones estructurales siempre y cuando el sistema sea en general mecánicamente robusto.
Propiedades interdependientes
También resulta difícil lograr una alta conductividad térmica en un material que debe contar con todas las ventajas de un adhesivo estructural tradicional. El desafío de equilibrar la conductividad térmica con la adhesión, la resistencia dieléctrica, la compliancia mecánica, la durabilidad y la fabricabilidad es especialmente agudo, ya que estas propiedades están profundamente interdependientes. Mejorar una a menudo afecta negativamente a otra, por lo que es crucial que los ingenieros de diseño y los científicos discutan las compensaciones y prioridades desde las primeras etapas del ciclo de desarrollo.
Al abordar este tipo de complejidad, los métodos computacionales como el aprendizaje automático son cada vez más valiosos en la descubierta de materiales. Dichas herramientas digitales no solo ayudan a optimizar los ciclos de diseño y desarrollo para los principales creadores de materiales, sino que también brindan a los clientes acceso a “cubos de datos” para utilizar gemelos digitales en la simulación de sus futuros sistemas de baterías. El uso de la IA ya está ayudando a crear fórmulas predictivas, eliminando efectivamente la necesidad de pruebas físicas iterativas mediante el método de ensayo y error.
No obstante, la IA necesita recibir suficientes datos y experiencia para funcionar de manera eficaz. El desafío al formular nuevos materiales aislantes térmicos radica en que los valores de las fichas técnicas por sí solos no proporcionan información suficiente. Entre los muchos factores adicionales que deben considerarse se encuentran la calidad y estructura de la superficie, la resistencia al contacto térmico, el comportamiento bajo compresión y las interacciones dentro del sistema completo. Sin embargo, a medida que haya más datos disponibles, debería resultar mucho más fácil predecir el rendimiento de estos materiales e adaptarlos a una aplicación específica. El objetivo no es necesariamente que la IA genere directamente la fórmula de un material, sino que sería más práctico que defina y optimice los requisitos necesarios. Una vez descritos con claridad los parámetros de rendimiento deseados, el fabricante del material aislante térmico puede utilizar modelos de IA como herramientas para apoyar la investigación y desarrollo de nuevos materiales.
Aun así, la industria está lejos de alcanzar un mundo en el que un ingeniero pueda ingresar un conjunto de requisitos y recibir una formulación completamente optimizada y lista para su uso, sin necesidad de iteraciones físicas. El aprendizaje automático, la dinámica molecular y métodos relacionados se están volviendo muy eficaces para reducir el espacio de diseño, identificar químicas prometedoras y ayudar a los investigadores a comprender las trade-offs mucho antes en el ciclo de desarrollo.
Donde la visión se vuelve más difícil es en la brecha entre el rendimiento del material predicho y su comportamiento en aplicaciones reales. El futuro probablemente no involucrará un diseño sin iteraciones físicas, sino más bien un flujo de trabajo de desarrollo altamente acelerado en el que los cálculos se encarguen de la mayor parte del análisis y optimización, mientras que pruebas dirigidas confirman el rendimiento en el sistema real.
Desafíos de escalamiento
Una fábrica que produce baterías o componentes electrónicos a gran escala es muy diferente de un laboratorio que prueba materiales de interfaz térmica en pequeños espécimen. La producción real de vehículos eléctricos plantea desafíos adicionales como áreas extensas, tolerancias de producción elevadas, tiempos de ciclo largos, tasas rápidas de suministro, condiciones variables de separación entre componentes, variaciones de temperatura en las instalaciones según la estación del año y pasos de ensamblaje con plazos estrictos.
Esto ha cambiado la forma en que algunos prueban sus productos: por ejemplo, construyen sus propios sistemas de baterías únicamente para poder implementar nuevos materiales de interfaz térmica y otros componentes a gran escala durante el desarrollo, así como para poner el sistema en condiciones reales de conducción y someterlo a eventos rápidos de carga y descarga. Esto proporciona retroalimentación muy temprana.
Una idea clave es que las interfaces y los procesos dominan el rendimiento a gran escala. Un TIM, por ejemplo en forma de cinta, rara vez falla debido a su conductividad intrínseca, sino porque la producción real introduce ondulaciones en la superficie, acumulación de tolerancias, presiones no uniformes y limitaciones en el montaje a alta velocidad. Por lo tanto, es crucial diseñar los TIMs desde un principio para garantizar su robustez en la fabricación, lo que incluye asegurar una rápida humectación a baja presión, tolerancia a las variaciones y un rendimiento estable durante todo el período de producción, incluyendo su aplicación mediante robots en el montaje final.
Un enfoque para escalar la producción consiste en realizar pruebas tempranas con cupones, dirigidas a las propiedades de compresión, la conductividad térmica en relación con la relación de compresión y el comportamiento de deformación bajo compresión; al mismo tiempo, se proporcionan muestras para su evaluación en ensamblaje junto con los componentes del cliente, lo que permite validarlas en condiciones reales de ensamblaje. Durante todo el proceso, es importante evaluar el rendimiento en todos los parámetros para identificar problemas, tanto previstos como imprevistos, en consonancia con estándares como IATF 16949, y además ofrecer al cliente explicaciones detalladas para que pueda realizar sus propias evaluaciones.
Los centros regionales de aplicación para baterías representan una innovación en el procesamiento de materiales para la producción. Dichos centros también brindan apoyo en pruebas, proporcionando principalmente información temprana sobre los parámetros de producción a los clientes antes de que soliciten equipos de fabricación.
Por lo tanto, es cada vez más importante centrarse en el sistema completo desde el primer día. La alineación temprana entre el TIM y el equipo de proceso, por ejemplo involucrando al proveedor del sistema de dosificación en una etapa inicial, se considera cada vez más crucial. Si las combinaciones de materiales y equipos ya han sido probadas en proyectos anteriores, se pueden evitar muchos problemas potenciales. Si el material es nuevo, se pueden proporcionar “muestras de límite” para los parámetros críticos a fin de ayudar a definir un rango de proceso estable.
El objetivo no es simplemente crear un TIM que funcione bien en condiciones ideales, sino uno que siga siendo predecible, escalable y fiable en el entorno no ideal y de alta velocidad donde se utilizará.
Reparación, reutilización, reciclaje
La fabricabilidad y el rendimiento en servicio se han sumado a la reparabilidad y la reciclabilidad en la lista de requisitos clave que los desarrolladores de materiales deben cumplir, tanto para baterías como para muchas otras aplicaciones. Están surgiendo varios enfoques para satisfacer estos requisitos de circularidad. Uno de ellos es el desprendimiento bajo demanda, que aprovecha una variedad de mecanismos de activación. Por ejemplo, existen adhesivos conductores térmicos o estructurales activados eléctricamente que permiten las reparaciones, así como recubrimientos funcionales activados térmicamente en desarrollo para favorecer la reciclabilidad.
En lugar de necesitar un mecanismo de activación, algunos materiales aislantes térmicos permiten inherentemente el desmontaje. Algunos líquidos para rellenar huecos, por ejemplo, tienen una adhesión muy buena pero aún pueden separarse cuando es necesario.
Otro enfoque que se está desarrollando actualmente es un compuesto de moldeo por inyección con propiedades conductoras térmicas. Al tratarse de un termoplástico, este material promete no solo permitir la reparación de los módulos, sino también hacer que el propio TIM sea reciclable; se trata de un avance importante, ya que los TIM convencionales, ya sean rellenos de juntas, adhesivos o almohadillas para juntas, generalmente no son reciclables ni pueden reutilizarse.
Es posible lograr materiales aislantes térmicos de alto rendimiento y realmente reutilizables, pero solo si se aborda desde el principio como un desafío de diseño compartido. Esto requiere una estrecha colaboración entre los ingenieros de diseño de empaques y los desarrolladores de materiales, ya que la posibilidad de reutilización no es algo que se pueda añadir posteriormente sin consecuencias. Habrá compromisos en el rendimiento del material, y lo clave es comprenderlos desde temprano para que el diseño final logre el equilibrio adecuado entre rendimiento térmico, fabricabilidad y mantenibilidad. Actualmente existen varios materiales de este tipo disponibles para aplicaciones en baterías de vehículos eléctricos.
La reutilizabilidad es un desafío de diseño a nivel sistémico. En lugar de una eliminación sencilla en todas las condiciones, el objetivo es un desprendimiento controlado y predecible sin dañar los componentes.
En busca de longevidad
Al buscar un uso eficiente de los recursos materiales, la longevidad es tan importante como la reparabilidad y la reciclabilidad. Se exige a los desarrolladores que garanticen un rendimiento durante un período mucho más largo del que pueden probar físicamente, a menudo 15 años; por eso se emplean diversos métodos predictivos. Combinar décadas de experiencia con datos de pruebas acumulados, pruebas aceleradas de estrés y envejecimiento, además de simulaciones digitales inteligentes, es una forma eficaz de confirmar el rendimiento a largo plazo.
Con las pruebas aceleradas, es importante señalar que solo son significativas cuando reflejan modos reales de fallo, como la pérdida de presión de contacto o la degradación interfacial. Al combinar esto con formulaciones estables y márgenes de diseño conservadores, se puede generar una confianza fiable y basada en la física respecto al rendimiento a largo plazo.
Además, al ofrecer orientación sobre los factores clave que pueden influir en el rendimiento bajo condiciones de montaje —como la relación de contacto superficial y los niveles máximos recomendados de compresión del material—, se ayuda a los clientes a diseñar sus condiciones de montaje y se facilita una validación más sólida de la fiabilidad a largo plazo a nivel del sistema.
La experiencia en electrónica de potencia es especialmente útil para garantizar la longevidad, ya que los materiales de interfaz térmica utilizados en estas aplicaciones están expuestos a temperaturas operativas significativamente más altas que las de las baterías, a menudo por encima de 150 °C.
Las propiedades mecánicas como la adhesión pueden seguir dependiendo de condiciones específicas de carga, pero aquí también los materiales suelen diseñarse teniendo en cuenta requisitos más elevados. Seguir realizando pruebas de envejecimiento acelerado junto con los clientes sigue siendo importante, pero, en particular para los materiales a base de silicona, la tensión térmica a la que están sometidos en los sistemas de baterías generalmente no es el factor limitante. A menudo, la discusión se centra menos en si el material puede resistir 15 años y más en qué pruebas deben realizarse, cuánto tiempo deben durar y cuál debería ser la estrategia de validación.
En aplicaciones de segunda vida, como el almacenamiento de energía, los módulos de baterías a menudo se reconstruyen o se integran en diferentes sistemas donde están sometidos a condiciones de funcionamiento menos exigentes que en su uso automotriz, por ejemplo, con menores vibraciones, y donde su vida útil puede ser aún mayor.
Electrónica refrigerada por líquido
La refrigeración líquida se ha convertido en la norma en casi todas las baterías de vehículos eléctricos, excepto en las más pequeñas, mientras que en las aplicaciones de centros de datos está pasando de los racks que albergan sistemas de procesamiento a los propios chips. También comienza a utilizarse en inversores de vehículos eléctricos de muy alta potencia, aunque no de la misma manera que en los centros de datos. La refrigeración directa en el chip se basa en los mismos principios fundamentales de los materiales aislantes térmicos que otros métodos avanzados de refrigeración, pero sus requisitos son mucho más estrictos. Dado que estos sistemas operan con un flujo de calor local extremadamente alto, requieren un espesor de las conexiones controlado con precisión, una gran planitud en las placas frías y una carga mecánica exacta. Incluso pequeñas variaciones pueden agravar la intensidad de los puntos calientes, aumentar la tensión termomecánica y poner a prueba la fiabilidad del encapsulado. Por lo tanto, la refrigeración directa en el chip eleva la importancia del rendimiento de los materiales aislantes térmicos, convirtiendo lo que a menudo es una simple elección de material en un problema de diseño de todo el sistema.
A medida que el enfriamiento se acerca al die de SiC, el papel del TIM pasa de la conducción térmica a gran escala a una ingeniería interfacial precisa. En este contexto, las líneas de unión ultradelgadas, el contacto libre de vacíos, la mitigación de esfuerzos y la fiabilidad ante transitorios térmicos rápidos se vuelven cruciales.
Problemas relacionados con los materiales sólidos
Las baterías de estado sólido emergentes prometen una mayor densidad energética, pero generan nuevos esfuerzos termomecánicos en las interfaces con los elementos de enfriamiento. En las celdas de iones de litio actuales, los TIM suelen diseñarse para adaptarse a la hinchazón y al movimiento a lo largo de la vida útil de la batería; sin embargo, los requisitos cambiarán debido a celdas que se hinchan de maneras diferentes a las celdas tipo bolsa y prismáticas actuales.
En los sistemas de estado sólido, el requisito pasa a ser mantener un contacto preciso y uniforme en un entorno mecánico mucho menos tolerante. Por ejemplo, una menor hinchazón implica menos compensación natural de las tolerancias, lo que aumenta la importancia de un contacto estable bajo presión controlada.
Eso significa que la próxima generación de materiales aislantes térmicos tendrá que hacer más que simplemente absorber los movimientos y ofrecer un equilibrio estrictamente controlado entre flexibilidad, estabilidad dimensional, rendimiento térmico y fiabilidad a largo plazo de la interfaz. El desafío deja de ser gestionar la expansión y pasa a ser preservar el contacto, ya que incluso pequeños cambios en la interfaz pueden tener un impacto mucho mayor que antes. Los materiales aislantes térmicos serán valorados menos por su conductividad máxima y más por su estabilidad interfacial a largo plazo, flexibilidad y comportamiento mecánico predecible durante toda la vida útil de la celda.
También es importante distinguir entre la expansión de las celdas en dirección horizontal, es decir, la expansión entre ellas, y la carga en dirección vertical, donde el material de interfaz térmica se encuentra típicamente debajo de las celdas. La expansión suele ser más limitada verticalmente, por lo que los requisitos impuestos por las baterías de estado sólido probablemente no representarán un desafío fundamental para los desarrolladores de este tipo de materiales.
Desde la perspectiva de la gestión térmica, este efecto podría considerarse más bien una evolución que una interrupción. Por ejemplo, los diseños futuros de las celdas podrían orientar la expansión hacia áreas específicas mientras la limitan en otras. Si solo se puede utilizar una parte de la superficie de la celda para la disipación de calor, el área disponible podría reducirse, pero esto se puede compensar con materiales térmicos de mayor rendimiento.
Por el momento, las necesidades de las baterías de estado sólido parecen impulsar el desarrollo de materiales aislantes térmicos sólidos y altamente flexibles con conductividad térmica que oscila entre 1,3 y 2,0 W/mK. En el momento de redactar este texto, esto no difiere significativamente del rendimiento de los materiales aislantes térmicos para baterías que ya están siendo desarrollados por los principales fabricantes.
Una mayor densidad energética probablemente aumentará la demanda de una mejor conductividad térmica, pero esto ya es alcanzable. En la electrónica de potencia, ya se están utilizando materiales con una conductividad térmica significativamente mayor que la de las soluciones actuales de materiales aislantes térmicos para baterías.
Al igual que en muchos otros campos de la tecnología relacionada con la movilidad eléctrica, las exigencias en cuanto al rendimiento, la fabricabilidad, la vida útil prolongada y la reducción del impacto ambiental de los materiales de interfaz térmica están haciendo que productos que antes eran sencillos se vuelvan mucho más complejos en términos de la ingeniería que se invierte en ellos.
Agradecimientos
El autor desea agradecer a Holger Schuh, gerente senior de tecnologías térmicas y de procesamiento en Henkel; Wolfgang Hoefer, líder de unidad comercial en Kerafol; Eric Wyman, gerente de desarrollo comercial en Parker, y Shane Thompson, gerente de ingeniería en tecnología de materiales electrónicos, también en Parker; así como a los expertos de Saint-Gobain.
Algunos proveedores de materiales de interfaz térmica
C-Therm
Dow
Gravic Group
HB Fuller
Henkel
KERAFOL
Laird
Parker
Saint-Gobain
Sika