Substratos de núcleos metálicos (IMS): el "salvador de calor" para los LED

CONTENIDO​

• Puntos clave​
• La necesidad crítica de una disipación de calor eficiente en los LED​
• ¿Qué son los sustratos de núcleo metálico (IMS)?​
• Características técnicas y mecanismos de transferencia de calor de los IMS​
• IMS vs. PCB tradicionales: un análisis comparativo​
• Aplicaciones reales de los IMS en LED y módulos de potencia​
• Fabricantes líderes y adopción en la industria​
• Desafíos y desarrollos futuros​
• Preguntas frecuentes​

Puntos clave​

   1. Los sustratos de núcleo metálico (IMS) son esenciales para aplicaciones LED de alta potencia, ya que proporcionan una eficiencia de disipación de calor de 5 a 10 veces mayor en comparación con las PCB FR4 tradicionales.​
   2. Los IMS a base de aluminio y a base de cobre son los tipos más comunes, que aprovechan las capas aislantes con rellenos cerámicos para transferir el calor de manera efectiva.​
   3. Los IMS juegan un papel crucial en aplicaciones como faros LED y módulos de potencia de carga de vehículos eléctricos, lo que garantiza la fiabilidad y la longevidad de los componentes.​

La necesidad crítica de una disipación de calor eficiente en los LED​

En el ámbito de la iluminación moderna y la electrónica de potencia, los diodos emisores de luz (LED) han revolucionado la industria con su eficiencia energética y larga vida útil. Sin embargo, a medida que la tecnología LED avanza hacia mayores potencias de salida para aplicaciones como faros de automóviles e iluminación industrial, la gestión térmica se convierte en un desafío crítico. El calor excesivo puede reducir significativamente el rendimiento de los LED, disminuir la eficacia luminosa y acortar su vida útil operativa. De manera similar, en dispositivos electrónicos de alta potencia, como los módulos de potencia de carga de vehículos eléctricos (VE), la disipación de calor eficiente es vital para evitar fallas en los componentes y garantizar un funcionamiento seguro. Aquí es donde los sustratos de núcleo metálico (IMS) entran en juego como el último "salvador del calor".​

¿Qué son los sustratos de núcleo metálico (IMS)?​

Los sustratos de núcleo metálico son materiales de placa de circuito impreso especializados diseñados para mejorar la disipación de calor. Los dos tipos principales son los IMS a base de aluminio y a base de cobre. Estos sustratos constan de tres capas principales: una base metálica (aluminio o cobre), una capa aislante y una capa superior de cobre para las trazas del circuito. La base metálica sirve como disipador de calor, mientras que la capa aislante, a menudo rellena con materiales cerámicos, proporciona aislamiento eléctrico entre la base metálica y las trazas del circuito. Esta estructura única permite una transferencia de calor eficiente de los componentes que generan calor, como los LED o los semiconductores de potencia, al entorno circundante.​

Características técnicas y mecanismos de transferencia de calor de los IMS​

Composición del material​
     1. Base metálica: El aluminio es el metal más utilizado debido a su buena conductividad térmica (alrededor de 200 - 240 W/m·K), ligereza y rentabilidad. El cobre, por otro lado, ofrece una conductividad térmica aún mayor (400 W/m·K), lo que lo hace adecuado para aplicaciones con cargas de calor extremadamente altas, aunque es más caro y pesado.​
    2. Capa aislante: La capa aislante suele estar hecha de una matriz de polímero rellena de partículas cerámicas, como óxido de aluminio o nitruro de aluminio. Estos rellenos cerámicos mejoran la conductividad térmica de la capa aislante al tiempo que mantienen las propiedades de aislamiento eléctrico.​

Proceso de transferencia de calor​

Cuando los componentes montados en el IMS generan calor, este primero se conduce a través de la capa superior de cobre a la capa aislante. La capa aislante rellena de cerámica luego transfiere el calor a la base metálica. Finalmente, la base metálica disipa el calor en el aire circundante a través de la convección y la radiación. Este mecanismo de transferencia de calor de múltiples capas asegura que el calor se elimine rápidamente de los componentes, manteniendo sus temperaturas de funcionamiento dentro de los límites seguros.​

IMS vs. PCB tradicionales: un análisis comparativo

Aplicaciones reales de los IMS en LED y módulos de potencia​

Faros LED​
    En los faros LED automotrices, los IMS se utilizan ampliamente para gestionar el calor generado por los conjuntos de LED de alta potencia. Por ejemplo, en los coches de lujo modernos, los faros LED requieren una disipación de calor eficiente para mantener un brillo constante y evitar fallos prematuros. Los IMS a base de aluminio proporcionan una solución eficaz, lo que garantiza que los LED puedan funcionar continuamente durante largas horas sin sobrecalentamiento.​

Módulos de potencia de carga de vehículos eléctricos​
    Las estaciones de carga de vehículos eléctricos, especialmente los cargadores de alta potencia, dependen de los IMS para sus módulos de potencia. Los módulos de potencia del cargador integrado (OBC) de Tesla utilizan IMS para disipar el calor generado durante el proceso de carga. La alta conductividad térmica de los IMS ayuda a mantener la fiabilidad de los semiconductores de potencia, como los IGBT (transistores bipolares de puerta aislada), que son cruciales para una conversión de potencia eficiente en los cargadores de VE.​

Fabricantes líderes y adopción en la industria​

    Varios fabricantes están a la vanguardia de la producción de IMS de alta calidad. Empresas como Isola, TUC y Shengyi Technology ofrecen una gama de productos IMS con diferentes especificaciones para satisfacer diversos requisitos de aplicación. A medida que la demanda de iluminación de eficiencia energética y electrónica de alta potencia continúa creciendo, la adopción de IMS está aumentando rápidamente en todas las industrias.​

Desafíos y desarrollos futuros​
   1. Costo: El costo relativamente alto de los IMS en comparación con las PCB tradicionales sigue siendo un desafío, especialmente para aplicaciones sensibles al costo. Sin embargo, a medida que aumentan los volúmenes de producción y mejoran los procesos de fabricación, se espera que los costos disminuyan.​
   2. Complejidad del diseño: El diseño con IMS requiere una cuidadosa consideración de la gestión térmica y el aislamiento eléctrico. Los ingenieros deben optimizar el diseño para garantizar la máxima disipación de calor y evitar interferencias eléctricas.​
   3. Tendencias futuras: Se está investigando para desarrollar IMS con una conductividad térmica aún mayor y mejores propiedades de aislamiento eléctrico. Además, la integración de IMS con otras tecnologías de refrigeración avanzadas, como la refrigeración líquida, puede mejorar aún más las capacidades de disipación de calor.​

Preguntas frecuentes​
¿Por qué los IMS son mejores que las PCB tradicionales para aplicaciones LED?​
Los IMS ofrecen una eficiencia de disipación de calor significativamente mayor, lo cual es esencial para los LED de alta potencia. Las PCB tradicionales no pueden eliminar eficazmente el calor generado por los LED de alta potencia, lo que provoca una degradación del rendimiento y una reducción de la vida útil.​
¿Se pueden utilizar los IMS en aplicaciones de baja potencia?​
Si bien los IMS están diseñados principalmente para aplicaciones de alta potencia, también se pueden utilizar en aplicaciones de baja potencia donde se desea una mejor gestión del calor. Sin embargo, la rentabilidad puede ser un factor a considerar para escenarios de baja potencia.​
¿Cómo depende la elección entre IMS de aluminio y cobre de la aplicación?​
Los IMS de aluminio son adecuados para la mayoría de las aplicaciones generales de alta potencia debido a su buena conductividad térmica, ligereza y rentabilidad. Los IMS de cobre son preferidos para aplicaciones con cargas de calor extremadamente altas, como fuentes de alimentación de servidores de gama alta o electrónica aeroespacial, donde su conductividad térmica superior puede marcar una diferencia significativa.​

Los sustratos de núcleo metálico (IMS) han demostrado ser indispensables en el mundo de los LED de alta potencia y la electrónica de potencia. Su capacidad para disipar el calor de manera eficiente los convierte en el "salvador del calor" para aplicaciones donde el rendimiento fiable y la longevidad de los componentes son cruciales. A medida que la tecnología continúa evolucionando, es probable que los IMS desempeñen un papel aún más importante en la innovación en iluminación y gestión de la energía.