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Uso de termoplasticos en productos LED

La invasión de los termoplásticos en el diseño LED

Muy a menudo nos estamos encontrando con ciertas dudas razonables de algunos de nuestros clientes que se interesan por alguna lámpara LED, especialmente en bombillas LED GU10 y tubos LED. Nos dicen que echan de menos los antiguos diseños con aluminio, que ese material les da más confianza, ya que como por todos es sabido es un muy buen conductor térmico y es usado masivamente en las aplicaciones de disipación térmica. Les choca enormemente que muchas de las bombillas sean de cerámica y otros tantos tubos sean de plástico, ya que esos materiales de alguna manera están relacionados con la baja calidad y la baja fiabilidad. Y bueno, reconozco que un buen disipador de aluminio da muy buena imagen, pero como sabe todo el mundo, la imagen no lo es todo. Por ello, a continuación vamos a analizar lo que rodea a esta tendencia de sustituir el eterno aluminio por el termoplástico.

Hay quien piensa que un termoplástico es un polímero que conduce el calor, pero eso no tiene porque ser así. La propiedad que le da el nombre a esta familia de compuestos sintéticos es que según qué temperatura empiezan a deformarse y se pueden manipular. Según qué compuesto, pueden incluso volver a su estado inicial, o como les pasa a la mayoría, van perdiendo propiedades (color, dureza, elasticidad…) cada vez que se funden. Todo lo contrario a los termoestables, como la celebérrima baquelita, que ante una fuente de calor superior a los 150ºC empieza con un proceso de carbonización que la destruirá.

Concepto previo: La conductividad térmica

Es la capacidad que tiene una sustancia de trasportar el calor. Hay tres formas de trasmitir calor: radiación, convección y conducción, siendo esta última la que nos ocupa, ya que es una forma de intercambio de energía cinética entre moléculas adyacentes. Los disipadores térmicos sólidos que no utilicen flujos de aire forzados o líquidos utilizan el principio de conducción para trasportar el calor. Todo el mundo sabe que en el Cobre la conductividad es muy alta y que, por el contrario, en la madera es muy baja.

El cuello de botella

A estas alturas, la mayoría de los lectores de este Blog están más o menos familiarizados con la estructura de una fuente luminosa LED; esta imagen seguro que le suena a todos:

Esquema de un LED COB

Efectivamente, es un LED COB, diseñado específicamente para poder deshacerse rápidamente del calor que se genera y así salvaguardar la integridad del dispositivo. Para ello, los núcleos están incrustados en una lámina de aluminio que como todos sabemos conduce muy bien el calor. Al otro lado, tenemos nuestro buen disipador de aluminio, con sus rejillas y su intrincado diseño para aumentar la superficie de intercambio térmico, etcétera. Pero, ¿qué hay en medio?; Por lo general, hay un momento en el que hay que unir la PCB de los LED con el disipador térmico. Efectivamente, la PCB puede ser también de aluminio, pero si juntamos aluminio con aluminio, en medio nos va a quedar una capa de aire por más que lo forcemos. En la tabla que mostramos a continuación, vemos la conductividad térmica de algunos elementos y compuestos, y vemos como nuestros flamantes 209.3 del aluminio se nos caen a 0.02 del aire: el aluminio conduce 10.500 veces mejor que el aire.

MATERIAL CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (W/(K*m))
Aluminio 209,3
Aire 0,02
Agua 0,58
Pasta térmica disipadora 4,35
Plomo 35

Bueno, pues esto es un problema. No podemos poner directamente los LED sobre el mismo aluminio de disipador, ya que si lo hacemos la lámpara no nos pasará los test de aislamiento y compatibilidad electromagnética, así que hay que pasar por el aro y poner un compuesto que a la vez que ayude a fijar las partes, estreche el contacto entre las superficies metálicas. Eso prácticamente desecha cualquier metal, ya que debe ser un compuesto maleable que se adapte estrechamente a las diminutas aristas de las superficies metálicas; por ese motivo se utilizan las pastas térmicas, de las cuales todo el mundo ha oído hablar. Las hay de distintos precios y características, pero las usadas en electrónica se sitúan entre los 1.35 y los 9 W/(K*m), lo que en el mejor de los casos sigue contrastando con las propiedades del aluminio. No sé si podéis ver por dónde voy: tenéis una formidable autopista de 4 carriles para salir de la ciudad, pero cuando llegáis al peaje, solo hay un operador en cabina, así que los 4 carriles se convierten en uno estrecho. Tras el peaje, retomamos de nuevo la autopista de 4 carriles, pero eso ya da igual: hay un cuello de botella más atrás, que impide que el flujo de vehículos del segundo tramo, sea igual que el del primero. Así que sale a flote una cuestión: ¿Es necesario que la conductividad térmica del disipador sea tan elevada teniendo en cuenta que el flujo de calor está limitado por las características de la pasta disipadora?

El aluminosilicato, casi como su nombre lo indica, contiene Aluminio y Silicio. En realidad es un mineral derivado del sílice, donde algunos iones de aluminio han sustituido algunos iones de Silicio. Se encuentra en la naturaleza, como por ejemplo en las arcillas, pero sus numerosas aplicaciones industriales requirieron hace tiempo la invención de procesos para su obtención a escala industrial, mejorando de paso algunas de sus propiedades más interesantes, como lo es la disipación térmica. Las lámparas cuyo disipador no es de aluminio por lo general lo es de cerámica o termoplástico, materiales que contienen aluminosilicatos y otros materiales de origen sintético que se utilizan como aditivos para mejorar la conductividad térmica.

Termoplásticos con aditivos sintéticos ¿qué ventajas tienen?

Precio

El aluminio, a pesar de ser muy abundante en la naturaleza, es un material caro, sobretodo en términos energéticos. El proceso para separarlo de la alúmina (mineral del que se extrae) se llama electrólisis, y consume mucha energía eléctrica, elevando el precio de obtención del material a unos 1800 USD por tonelada. Cabe subrayar que este es el precio del material en bruto, antes de cualquier proceso de fundición o mecanizado necesarios para dar forma a los intrincados diseños que se requieren, procesos que elevan el coste sensiblemente. Por otra parte, el precio de los termoplásticos listos para su proceso de inyección, resultan mucho más bajos.

Consumo eléctrico kwh tonelada
Consumo eléctrico kWh/Tonelada
Precio termoplasticos LED
Precio termoplasticos

Conductividad térmica

Experimento Aluminio vs termoplasticoA pesar de que la conductividad en el aluminio es mejor, en lo que compete a las aplicaciones LED, en las que no se alcanzan temperaturas tan críticas y en las que los disipadores suelen trabajar por libre convección de aire, los termoplásticos presentan una alternativa igual de efectiva que el aluminio. La siguiente imagen es el resultado de un experimento en el que se utilizaron dos disipadores con idéntica geometría, uno de aluminio y otro de termoplástico con aluminosilicatos al 62%. Las masas de los dos materiales son distintas: Aluminio 88g y termoplástico 62g. Se dispusieron los disipadores sobre una plancha metálica que a su vez estaba sobre una fuente de calor que le trasmitía 100ºC.

En el gráfico se ve como las superficies bajo sendos disipadores, mantienen una temperatura muy aproximada.

Aluminio vs Termoplasticos

Aislamiento

El termoplástico, al contrario del aluminio, es un formidable aislante eléctrico, lo que tiene implicaciones en la seguridad y en los costes de producción de los drivers, ya que estos últimos no tendrán la necesidad de ser aislados.

Manejabilidad

Más ligero y más manejable ya que solo requiere procesos de inyección para generar las geometrías que queramos. En ese aspecto el aluminio es más limitado, ya que los procesos de mecanizado que demanden formas complejas requieren unir partes y hacer soldaduras.

En resumen: para las aplicaciones de baja potencia, apostamos por los termoplásticos, más si tenemos en cuenta que se adelantan líneas de investigación relacionadas con el Boro nitrito hexagonal, que según pruebas preliminares, aumenta sustancialmente la conductividad térmica, con modestas alteraciones en las propiedades económicas y mecánicas del termoplástico.

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Sobre Michel Silva

Responsable del Dpto. Técnico e I+D en LED Y SPA S.L. Dirección del área de proyectos y ensayos luminotécnicos, desarrollo electrónico y laboratorio fotométrico.

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4 Coment.

  1. interesante la nueva tecnologia led, esta pagina es muy buena ya que aprende uno bastante acerca de estas nuevas tendencias. en esta pagina http://www.********.com.mx se ofrecen nuevos productos.
    saludos

  2. domingo duque

    como podría comunicarme contigo ya que soy un redactor colaborador de artículos originales y me gustaría colaborarte en tu blog te deje mi correo

  3. Gracias Albert, el artículo se publicó automáticamente antes de la última revisión de contenidos y de ahí los errores, especialmente en las imágenes. Ya ha sido solucionado. Saludos.

  4. Gracias por divulgar Ciencia y Tecnología, muy interesante, aunque:
    1. Hay un gazapo tipográfico las dos veces que aparece la unidad de Conductividad Térmica, primero en la Tabla de Materiales y después 7 líneas debajo de la tabla, ambas veces dice W/(k*m) cuando debería decir W/(K*m), la K debe ser mayúscula pues es la abreviatura de Kelvin 🙂
    2. El gráfico de la comparativa de un disipador de aluminio con uno de plástico-alúmina es tan pequeño y borroso que no se aprecia bien. Y teniendo en cuenta que según entiendo es el núcleo de la argumentación del post, poder ver bien ese gráfico me parece fundamental.
    Saludos cordiales Michel.

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