Disipadores de grafito ¿Por qué se prefiere al disipador de aluminio?

Los disipadores de calor son imprescindibles para los equipos fanless, y también para los que cuentan con refrigeración por aire activa o líquida. Cada vez se buscan nuevas geometrías de aletas y nuevos materiales que consigan disipar mejor el calor. Ahora los disipadores de grafito podrían abrir una nueva era por sus ventajas…

¿Qué es el grafito?

El grafito es un material alotrópico del carbono caracterizado por su estructura cristalina única, formada por capas de átomos de carbono organizadas en un patrón hexagonal bidimensional (el famoso grafeno). Estas capas están débilmente unidas entre sí por fuerzas de Van der Waals, lo que le confiere propiedades anisotrópicas tanto mecánicas como térmicas.

Su combinación de alta conductividad térmica, bajo peso y flexibilidad lo posiciona como un material clave en aplicaciones avanzadas, incluyendo disipadores de calor y gestión térmica en dispositivos electrónicos.

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Propiedades térmicas del grafito

El grafito es un material al que últimamente se le están sacando gran cantidad de propiedades, no solo para la mina de los lápices o los portaminas, sino que cada vez se le atribuyen usos más peculiares. Para los disipadores de grafito, las propiedades térmicas más interesantes son:

• Conductividad térmica anisotrópica: destaca por su excepcional conductividad térmica en el plano basal (dirección in-plane), que puede alcanzar valores de hasta 1500 W/m·K. Esto lo sitúa por encima de materiales convencionales como el cobre (aprox. 400 W/m·K) y el aluminio (aprox. 237 W/m·K). Sin embargo, en la dirección perpendicular a las capas (out-of-plane), la conductividad es significativamente menor, generalmente en el rango de 5-10 W/m·K. Por esto, el diseño y colocación del disipador es vital. Si se usa el plano basal para la dispersión, puede disipar el calor de forma muy rápida, alejando este calor de los componentes electrónicos en los que está en contacto.
• Estabilidad térmica: el grafito es estable a altas temperaturas, con un rango de operación que puede superar los 3000 °C en atmósferas inertes. Además, su resistencia a la oxidación puede mejorarse mediante recubrimientos o tratamientos químicos, algo que no es así en los metales.
• Bajo coeficiente de expansión térmica (CTE): desgraciadamente, los metales son muy buenos conductores térmicos, pero también se dilatan más. En el caso del grafito, en el plano basal, el tiene un coeficiente de expansión térmica cercano a cero, lo que minimiza las deformaciones debidas a cambios de temperatura, disminuyendo el estrés térmico.

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Plano basal (in-plane) se refiere a la conducción por una de las sucesivas capas de grafeno que componen el grafito. En cambio, el plano perpendicular (out-of-plane) es la conducción saltando de una capa a otra. La conducción eléctrica y térmica es mejor in-plane que out-of-plane. Esto es debido a que los electrones pueden moverse libremente dentro de cada capa, lo mismo que se propaga la vibración de los átomos (calor). De hecho, si coges el electrodo del interior de una pila o una mina de lápiz, a la que le aplicas corriente, verás que en un sentido la conduce y en el otro se comenzará a calentar rápidamente debido a la resistencia que opone dicha electricidad a través de las capas…

Ventajas de los disipadores de grafito frente a los de cobre o aluminio

Los disipadores de grafito han ganado terreno frente a los de cobre o aluminio, especialmente en dispositivos electrónicos compactos como smartphones, algunas unidades SSD, etc., aunque aún no son mayoría ni se están usando para procesadores.

Poco a poco se van creando nuevas estructuras y diseños no solo con grafito, sino combinando distintos materiales para optimizar la disipación de calor, como por ejemplo grafito-cobre.

Además de lo dicho anteriormente, vamos a ver las ventajas de este tipo de disipadores de grafito:

• Mayor eficiencia térmica: la conductividad térmica del grafito en el plano basal es significativamente superior a la del cobre o el aluminio, como hemos visto anteriormente. Esto permite una disipación más eficiente del calor, incluso si no existe demasiado espacio, como en dispositivos móviles.
• Aplicaciones para los empaquetados 3D: el grafito puede actuar como un «spread layer» (capa de dispersión), extendiendo el calor de manera uniforme sobre una amplia superficie antes de transferirlo a disipadores secundarios. Es decir, puede servir como un IHS en los chips o para disipar calor entre capas. Y es que, el grafito puede fabricarse en formas ultrafinas, de tan solo micrómetros de espesor, manteniendo su capacidad de conducción térmica.
• Reducción de peso: tiene una densidad de 2.2 g/cm³, mucho menor que el cobre (8.96 g/cm³) y el aluminio (2.7 g/cm³). Esta característica es muy positiva para aligerar equipos portátiles o dispositivos móviles donde agregar componentes metálicos puede agregar unos gramos extra que marcarían la diferencia en la experiencia de usuario.
• Resistencia a la corrosión: mientras que el cobre y el aluminio son susceptibles a la corrosión en ambientes húmedos o salinos, el grafito es químicamente más inerte. Esto se traduce en una mayor durabilidad sin necesidad de tratamientos protectores complejos. Además, se podrían usar pastas térmicas o materiales TIM que con el metal podrían resultar reactivos.
• Compatibilidad electromagnética: el grafito tiene propiedades de apantallamiento electromagnético (EMI), lo que puede servir como escudo para sistemas sensibles a interferencias de este tipo.

Desventajas de los disipadores de grafitos y por qué se prefieren los disipadores de aluminio

No obstante, como comprenderás, los disipadores de grafito también tienen sus desventajas, como por ejemplo que es un material más frágil que puede quebrarse bajo tensión mecánica, algo que no sucede en el aluminio y el cobre, mucho más resistentes y flexibles. Aunque, combinando con estructuras internas metálicas, como mencioné antes, se puede mejorar esto.

Otro punto débil es su baja conductividad en una de las direcciones, esa anisotropía térmica también puede limitar su disipación en algunos casos…