Uno de los principales obstáculos para el desarrollo de dispositivos electrónicos de nueva generación, es que su rendimiento y fiabilidad pueden verse afectados como consecuencia del calor. Esto es especialmente importante en el caso de los dispositivos y antenas 5G, los cuales poseen una elevada densidad de componentes de alta potencia que, a su vez, requiere de un gran consumo de energía y, por lo tanto, genera una gran cantidad de calor que puede causar problemas en la red, como cortes y tiempos de inactividad. En este sentido, los sistemas de gestión térmica se están convirtiendo en el cuello de botella del desarrollo de componentes electrónicos cada vez más pequeños y ligeros, que exigen cada vez más potencia, mayor frecuencia y ciclos de trabajo más largos, y cuyos flujos de calor se acercan a los niveles de los reactores nucleares (Nikolaenko et al., 2018).
A este respecto, se está trabajando en el desarrollo de soluciones para la gestión de estos flujos térmicos tan elevados. Como es sabido, la capacidad de propagación del calor de un material depende directamente de su conductividad térmica, por lo que este será un factor crítico a la hora de seleccionar el material empleado como sustrato para albergar los componentes electrónicos. A temperatura ambiente, las conductividades térmicas de los materiales más utilizados en electrónica oscilan entre 0,2 W m-1 K-1 para los polímeros y ∼2000 W m-1 K-1 para el diamante sintético (Wang et al., 2018). Recientemente, los materiales bidimensionales, es decir, con estructura laminar o en capas, como el grafeno o el nitruro de boro (BN) han generado mucha atención debido a su notable conductividad térmica, lo que los hace prometedores como materiales de gestión del calor.
La conductividad térmica del grafeno a temperatura ambiente está en un rango de 2000-5000 W m-1 K-1, siendo uno de los más altos entre los materiales conocidos. Sin embargo, el grafeno es conductor de la electricidad y no puede utilizarse como material de gestión térmica directamente debajo de los componentes electrónicos. El BN por su parte, en su forma hexagonal, h-BN, puede alcanzar los 2000 W m-1 K-1. Todo esto unido a su carácter aislante, su alta estabilidad térmica (1000 °C en aire y 1400 °C en vacío) y su resistencia a la oxidación, hacen del h-BN uno de los materiales de gestión térmica con más potencial para el desarrollo de la electrónica de nueva generación.
Los materiales compuestos de matriz cerámica (CMCs), tal y como su nombre indica, son un tipo de material compuesto en el que la matriz de naturaleza cerámica se refuerza con un segundo material también cerámico, generalmente en forma de fibras. En general, estos materiales compuestos ofrecen una excelente resistencia al desgaste, una tenacidad a la fractura elevada, estabilidad a altas temperaturas y resistencia al choque térmico. Un conjunto de propiedades físicas que los hacen especialmente atractivos en áreas como la industria aeroespacial, la automoción, la ingeniería biomédica o la electrónica (Sun et al., 2023).
Con respecto a esto, la incorporación de cristales de h-BN en matrices de óxido de boro (B2O3) da lugar a una nueva tipología de CMCs para la gestión térmica que, por un lado, combina el aislamiento eléctrico, al tiempo que mantienen una excelente conductividad térmica y una gran resistencia mecánica y dureza. Sin embargo, uno de los principales inconvenientes que presentan estos materiales es la enorme dificultad para fabricarlos y mecanizarlos en geometrías complejas, delgadas y ligeras que maximicen la transferencia de calor.
En el caso que nos ocupa, nos apartamos de los métodos tradicionales de fabricación de materiales cerámicos y nos dirigimos a una técnica de procesado que, hasta ahora, se había reservado para materiales poliméricos y metálicos: el termoformado (ó termoconformado), un proceso industrial utilizado para generar estructuras complejas a partir del moldeo por compresión de finas láminas de material caliente. Y es que, como sabemos, la fragilidad es una propiedad inherente a las cerámicas, lo que impide que puedan deformarse plásticamente como metales y polímeros, tendiendo fácilmente a la fractura frente a un estrés térmico o mecánico.
Sin embargo, tal y como se ha publicado recientemente en la prestigiosa revista Advanced Materials, científicos de la Universidad de Northeastern (EE. UU.) han demostrado que, a partir del control de la microestructura del material, es posible obtener un CMC, compuesto por cristales de h-BN debidamente alineados en una matriz de B2O3, que se comporta como un pseudoplástico durante el moldeo por compresión. De esta manera, láminas pre-sinterizadas de este material se termoforman en piezas finas y complejas de hasta 200 µm. Esto permite fabricar disipadores de calor cerámicos a medida que pueden montarse a presión en placas de circuitos impresos, reemplazando así a los disipadores de calor metálicos. Este trabajo ofrece una ruta para otras cerámicas que pueden ser termoformadas a través de la fabricación de preformas con microestructuras anisotrópicas altamente ordenadas.
Imagen: Termoformado de láminas de h-BN en B2O3
Fuente: Advanced Materials