Termoprzewodząca powłoka izolacyjna do modułów mocy TSC

Przewodząca ciepło powłoka izolacyjna to funkcjonalny izolacyjny materiał bazowy, który zapewnia ochronę dielektryczną wysokiego napięcia i płaską powierzchnię montażową, a przewodnictwo cieplne jest dodatkową korzyścią. W przeciwieństwie do materiału termoprzewodzącego (TIM), nie jest on w stanie sam wyeliminować szczelin powietrznych międzyfazowych, dlatego nakłada się go razem z warstwą TIM, a nie jako samodzielny zamiennik.

Dlaczego utrzymuje się zamieszanie między powłokami a TIM

Zapotrzebowanie na materiały do interfejsów termicznych gwałtownie wzrosło wraz z boomem obliczeniowym AI, a raporty mówią, że nawet Nvidia ocenia materiały termiczne na bazie diamentu pod kątem swoich chipów o najwyższej mocy. W obliczu tego wzrostu na rynek weszła nowsza kategoria, przewodząca ciepło powłoka izolacyjna, często mylona z zamiennikiem TIM.

Te dwa materiały służą różnym celom. TIM, taki jak podkładka termiczna lub smar, to czysty wypełniacz interfejsu, którego głównym zadaniem jest usunięcie szczeliny powietrznej pomiędzy dwiema współpracującymi powierzchniami. Powłoka izolacyjna termoprzewodząca jest funkcjonalnym podłożem izolacyjnym: jej podstawową wartością jest izolacja wysokonapięciowa i spłaszczona podstawa dla urządzenia lub radiatora. Po utwardzeniu na powierzchni powłoki nadal znajdują się mikroskopijne szczyty i doliny, dlatego nadal wymagana jest na niej warstwa TIM, aby zapewnić efektywne przenikanie ciepła na poziomie systemu.

Etap pierwszy: Naturalne chłodzenie w obudowach przelotowych

Zanim technologia montażu powierzchniowego stała się standardem, w urządzeniach zasilających stosowano zestawy z otworami przelotowymi, takie jak seria TO. Ciepło przepływało z chipa przez metalową ramkę prowadzącą, przez piny, przez płytkę drukowaną i ostatecznie do zewnętrznego radiatora.

Na tym etapie materiały interfejsu termicznego były nadal prymitywne. Inżynierowie polegali na prostym smarze termicznym na bazie silikonu wypełnionym zwykłymi cząsteczkami tlenku cynku lub tlenku glinu, głównie w celu izolacji, a nie rozprowadzania ciepła. Poziomy mocy urządzeń były na tyle niskie, że rezystancja termiczna pakietu TO wynosząca od 50 do 80 stopni Celsjusza na wat była nadal akceptowalna, mimo że cienkie przekroje pinów zapewniały wysoki opór i pozostawiały niewielki zapas mocy w miarę wzrostu prądu.

Etap drugi: dwie dekady chłodzenia od dołu

W miarę jak przełączanie zasilaczy i napędów silników zwiększało gęstość mocy, branża przeszła na chłodzenie od dołu (BSC), wykorzystując samą płytkę drukowaną jako radiator pierwszego stopnia. Architektura ta dominowała w opakowaniach zasilających przez około dwadzieścia lat w trzech pokoleniach.

Technologia TIM dojrzewała wraz z tymi pakietami. Standardowy smar termiczny stał się wszechobecny, materiały o przemianie fazowej weszły do ​​użytku jako opcja w postaci stałej w temperaturze pokojowej, która mięknie w pobliżu 45 do 60 stopni Celsjusza, zapewniając lepszą zgodność powierzchni i przewodność od 5 do 10 W/m·K bez wypompowywania, a podkładki termiczne zbudowane na bazie silikonu lub akrylanu z wypełniaczami z tlenku glinu lub azotku boru osiągnęły 6 do 16 W/m·K w miarę wzrostu zawartości wypełniacza.

Etap trzeci: Chłodzenie od góry dla urządzeń o szerokiej przerwie energetycznej

Rozwój urządzeń z węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN), wraz z ich wyższymi prędkościami przełączania, napięciami znamionowymi i gęstościami mocy, odsłonił ograniczenia chłodzenia od spodu. Odpowiedzią branży było chłodzenie od góry (TSC): odsłonięta metalowa płytka na górze obudowy łączy się bezpośrednio z radiatorem lub płytą chłodzącą, całkowicie omijając płytkę drukowaną.

Jak termoprzewodząca powłoka izolacyjna zmienia stos

Aby uprościć tę konstrukcję, w branży opracowano wodorozcieńczalną, epoksydową powłokę izolacyjną przewodzącą ciepło jako zintegrowany materiał zapewniający izolację i przewodzenie. Celem jest zastąpienie jednej warstwy TIM i ceramicznego arkusza izolacyjnego pojedynczą powłoką, tworząc nową ścieżkę cieplną: chip, jedną warstwę TIM, wierzchnią powłokę izolacyjną przewodzącą ciepło, a następnie chłodzoną wodą płytę lub radiator.

Jak dziś wyglądają powłoki produkcyjne

Od 2022 r., wraz ze wzrostem skali platform pojazdów elektrycznych o napięciu 800 V, opakowania TSC osiągnęły dojrzałość do produkcji masowej wraz z technologią powlekania wodorozcieńczalnymi żywicami epoksydowymi. Seria MEPCOAT MEP 3700 to reprezentatywny produkt, łączący w jednej warstwie przewodność cieplną 2 W/m·K z izolacją wysokonapięciową od 3000 do 6000 V, silną przyczepność międzyfazową i niezawodność na poziomie motoryzacyjnym.

Oprócz walidacji na poziomie motoryzacyjnym w tysiącach cykli temperaturowych i 96 godzinach ekspozycji na mgłę solną, powłoki te umożliwiają precyzyjną kontrolę grubości: w jednym przejściu można nałożyć zaledwie pięć mikronów, a kolejne cykle natryskiwania i utwardzania mogą osiągnąć docelową grubość, unikając jednocześnie pęcherzyków i pustych przestrzeni, które w przeciwnym razie negatywnie wpływałyby na wydajność izolacji.

Dlaczego architektura ciągle ewoluuje

Każdy etap tej historii, od naturalnego chłodzenia przez otwory, przez dwie dekady chłodzenia od dołu, po dzisiejsze chłodzenie od góry z przewodzącą ciepło powłoką izolacyjną, opiera się na tej samej logice: skrócić ścieżkę cieplną, zmniejszyć liczbę interfejsów, zrównoważyć izolację przed rozpraszaniem ciepła i dostosować się do mniejszych urządzeń. W miarę rozprzestrzeniania się SiC i napięcia platform pojazdów przekraczających 800 V, ograniczenia wielowarstwowych podkładek i arkuszy ceramicznych stają się coraz trudniejsze do ignorowania, a łączenie powłok i TIM staje się praktycznym rozwiązaniem dla kompaktowych elektrycznych jednostek napędowych o dużej gęstości mocy.

Czy termoprzewodząca powłoka izolacyjna całkowicie zastępuje smar termiczny lub podkładki?

Nie. Po utwardzeniu powłoka nadal pozostawia mikroskopijne nieregularności na powierzchni, zatem do wypełnienia końcowej szczeliny powietrznej międzyfazowej niezbędny jest TIM, taki jak pasta termoprzewodząca lub podkładka termiczna.

Dlaczego w przypadku urządzeń SiC i GaN konieczne stało się chłodzenie od góry?

Urządzenia o szerokiej przerwie energetycznej przełączają się szybciej, działają przy wyższym napięciu i pakują więcej mocy na mniejszą powierzchnię niż starsze części krzemowe, a chłodzenie dolnej części przez płytkę drukowaną nie jest już w stanie nadążać za ciepłem wytwarzanym przez te urządzenia.

Jaka jest główna przewaga powłoki w zakresie niezawodności w porównaniu z ceramicznym arkuszem izolacyjnym?

Powłoka tworzy chemiczne wiązanie z powierzchnią radiatora, zamiast opierać się na kontakcie fizycznym, a jej matryca epoksydowa nie stwarza ryzyka kruchego pękania ceramiki, dzięki czemu lepiej wytrzymuje wibracje i cykle termiczne występujące w samochodach.

Czy termoprzewodząca powłoka izolacyjna może pokryć nieregularne lub zakrzywione powierzchnie urządzeń?

Tak. Ponieważ nakłada się go natryskowo, a nie w postaci wstępnie przyciętego arkusza, może całkowicie owinąć zakrzywione powierzchnie, rowki i małe geometrie górnego urządzenia chłodzącego w jednym etapie procesu.