Pasta térmica vs grafeno

La disipación térmica es un componente crítico en el rendimiento de cualquier CPU o GPU, entre otros chips, y la elección del material adecuado puede marcar la diferencia entre estabilidad y throttling. Mientras la pasta térmica tradicional ofrece una conductividad suficiente para la mayoría de equipos, los compuestos basados en grafeno prometen una transferencia de calor superior gracias a sus propiedades estructurales. Por ello, vamos a ver una comparativa entre ambas…

Última actualización el 2026-06-08

Fundamentos físicos de la interfaz térmica (TIM)

Como ya hemos comentado en otras ocasiones, los chips con mayor TDP, necesitan de sistemas de refrigeración eficientes. Pero la disipación de calor depende críticamente de la calidad de la interfaz térmica entre el chip (IHS o “heat spreader”) y el disipador.

Aunque ambas superficies parezcan pulidas, microscópicamente presentan rugosidades y cavidades que atrapan aire. Dado que el aire tiene una conductividad térmica muy baja (~0,026 W/m·K), estas microcavidades se convierten en barreras térmicas significativas, es decir, en un aislante térmico que evita que el calor pase desde el IHS hasta el disipador…

Por este motivo, se necesita una Thermal Interface Material (TIM) , es decir, una capa intermedia entre ambas que pueda eliminar ese aire intermedio y mejore el contacto entre ambas superficies. Esta TIM debe ser viscosa y poder adaptarse a las imperfecciones de estas superficies, actuando como un relleno con una alta conductividad térmica.  Dicho de otro modo, la TIM es la pasta térmica…

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¿Qué es la pasta térmica convencional?

Como ya sabrás si nos lees frecuentemente, la pasta térmica convencional es una especie de pasta húmeda y viscosa compuesta por una matriz base que se compone de aceites sintéticos, siliconas (PDMS), ésteres orgánicos y polímeros termostables para conservar las propiedades de esta pasta. Esta matriz polimérica, desgraciadamente, puede tener conductividades de entre ~0,2 W/m·K que limitan el rendimiento.

Por otro lado, necesitan de rellenos térmicamente conductivos, ya que las anteriores sustancias no son conductivas. En este aspecto, según el tipo de pasta térmica, puede contener materiales cerámicos como el óxido de zinc, el óxico de aluminio, o el nitruro de aluminio, o también metales como la plata micronizada o el cobre micronizado para las pastas de mayor calidad.

La conductividad térmica típica varía entre 1 y 12 W/m·K, dependiendo de la fracción volumétrica y del tipo de relleno. Gracias a las propiedades de estos materiales de rellenos, se puede rellenar esos espacios entre las superficies de disipación y las partículas conductoras harían de transferencia puente.

Ventajas

La pasta térmica basada en cerámica o en metal suele tener una serie de ventajas, como:

• Facilidad de aplicación por su alta viscosidad y buena adaptabilidad.
• Bajo coste, ya que suelen ser materias primas abundantes y fáciles de fabricar.
• Estable eléctricamente en el caso de las cerámicas, ya que son aislantes y no generan cortocircuitos si se vierte sobre contactos.
• Compatibilidad universal, tanto con CPUs, GPUs, ASICs, etc., y con superficies de disipadores de diferentes composiciones como el aluminio o el cobre.

Desventajas

No obstante, como sabes, también tienen sus desventajas:

• Se degradan por la evaporación de los aceites o siliconas, lo que las endurece con los años y forma grietas que merman su capacidad de disipación. Por tanto, hay que sustituirlas entre 1-3 años, dependiendo del uso.
• Efectos pump-out. Esto sucede con ciclos térmicos repetidos, que hacen que los materiales del IHS y el disipador produzcan dilatación y contracción, haciendo que la película de pasta térmica se expanda lateralmente.
• Tienen sus limitaciones en cuanto a propiedades técnicas, ya que raramente superan 15 W/m·K, muy lejos de materiales avanzados, incluso las mejores y más caras del mercado.

Soluciones basadas en grafeno

El grafeno es una lámina bidimensional de átomos de carbono dispuestos en estructura hexagonal, y que como habrás comprobado, ahora está «de moda», ya que la están estudiando tanto para medicina, como para transistores en el sector de la electrónica, etc. Además, está compuesta de carbono, abundante y barato, aunque en la práctica fabricar estas láminas no sea muy fácil. No obstante, poco a poco la producción en masa avanza, permitiendo abaratar los costes del grafeno en el mercado.

¿Qué tiene que ver el grafeno con la pasta térmica? Pues bien, existen algunos compuestos que se basan en el grafeno en vez de en la cerámica o los metales. Esto hace que la pasta térmica basada en grafeno tenga interesantes propiedades térmicas. Por ejemplo, una enorme conductividad térmica y alta estabilidad mecánica, lo que la hace perfecta como TIM.

Hay que destacar que en TIM basadas en grafeno, no se usa éste de forma pura e ideal, sino que se usa carbono multicapa, o el óxido de grafeno reduciod (rGO), e incluso como pads sólidos o láminas compresibles, así como híbridos grafeno-metal. Estos materiales tienen una conductividad térmica típica de entre 10–30 W/m·K. Es decir, superior a las pastas térmicas convencionales vistas anteriormente.

Además, son interesantes porque la conductividad en el plano es muy alta, más uniforme que las partículas de relleno de la pasta convencional.

Ventajas

Para destacar las ventajas de estas TIMs, hay que hablar de:

• Conductividad significativamente mayor. En algunos casos es incluso el doble que la de la pasta térmica convencional.
• Es más estable debido a la arquitectura de las capas de grafeno, aguantando incluso a temperaturas muy altas sin alterarse.
• Menos propensas a degradarse por evaporación, ya que no es tan volátil.
• Efecto pump-out reducido. Esto las hace menos susceptibles a la necesidad de reemplazo.

Actualmente, en HPC e IA, donde la disipación de energía es muy elevada, este tipo de soluciones pueden suponer la bajada de varios grados de temperatura, lo que se puede traducir en mejoras de refrigeración muy importantes, abaratando costes energéticos en los centros de datos.

Limitaciones y desafíos

Sin embargo, el grafeno tampoco es la panacea absoluta. Nos encontramos con algunos retos y limites actuales:

• Uno de los mayores problemas son su conductividad anisotrópica, es decir, como sabrás el carbono conduce mejor en un plano que de forma transversal. Por tanto, si la orientación no es óptima, podría disminuir su disipación considerablemente.
• Su precio es mayor, ya que el grafeno de alta calidad sigue siendo complicado de fabricar en grandes cantidades. Además, requieren de técnicas avanzadas para la mezcla y surfactantes específicos más caros.
• Desgracidadamente es conductor eléctrico, por lo que si entra en contacto con pines, puede generar cortocircuitos como en el caso de las pastas basadas en metal…

Afortunadamente, se está investigando para buscar soluciones mejores, usando el grafeno en forma alineada verticalmente, implementación de nanotubos plegando las hojas de grafeno, etc.

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