Toplinski vodljivi izolacijski premaz za TSC energetske module

Toplinski vodljivi izolacijski premaz je funkcionalni izolacijski osnovni materijal koji pruža visokonaponsku dielektričnu zaštitu i ravnu montažnu površinu, uz toplinsku vodljivost kao sekundarnu korist. Za razliku od materijala za toplinsko sučelje (TIM), on ne može sam ukloniti međupovršinske zračne raspore, pa se nanosi zajedno s TIM slojem, a ne kao samostalna zamjena.

Zašto i dalje postoji zabuna između premaza i TIM-ova

Potražnja za materijalima toplinskog sučelja naglo je porasla usporedo s bumom AI računalstva, s izvješćima da čak i Nvidia procjenjuje toplinske materijale temeljene na dijamantu za svoje čipove najveće snage. Usred tog rasta, novija kategorija, toplinski vodljivi izolacijski premaz, ušla je na tržište i često se pogrešno smatra zamjenom za TIM.

Ova dva materijala služe različitim poslovima. TIM, kao što je termalni jastučić ili mast, čisti je ispuna sučelja čija je temeljna zadaća uklanjanje zračnog raspora između dviju spojenih površina. Toplinski vodljivi izolacijski premaz je funkcionalna izolacijska podloga: njegova temeljna vrijednost je visokonaponska izolacija i spljoštena baza za uređaj ili hladnjak. Nakon stvrdnjavanja, površina premaza još uvijek ima mikroskopske vrhove i udoline, tako da je TIM sloj i dalje potreban na vrhu kako bi se postigao učinkovit prijenos topline na razini sustava.

Prva faza: prirodno hlađenje u paketima s otvorom

Prije nego što je tehnologija površinske montaže postala standardna, uređaji za napajanje koristili su pakete s otvorom kao što je serija TO. Toplina je putovala od čipa kroz metalni okvir, van kroz igle, preko PCB-a i konačno u vanjski hladnjak.

Materijali toplinskog sučelja bili su još primitivni u ovoj fazi. Inženjeri su se oslonili na jednostavnu termopast na bazi silikona ispunjenu običnim česticama cinkovog oksida ili aluminijevog oksida, uglavnom za izolaciju, a ne za širenje topline. Razine snage uređaja bile su dovoljno niske da je toplinska otpornost paketa TO od 50 do 80 stupnjeva Celzijevih po vatu još uvijek prihvatljiva, iako su tanki poprečni presjeci pinova stvarali visok otpor i ostavljali malo prostora kako su se struje povećavale.

Druga faza: Dva desetljeća hlađenja s donje strane

Kako su prekidački izvori napajanja i motorni pogoni povećavali gustoću snage, industrija se prebacila na hlađenje s donje strane (BSC), koristeći sam PCB kao hladnjak prvog stupnja. Ova je arhitektura dominirala energetskim pakiranjem otprilike dvadeset godina kroz tri generacije.

TIM tehnologija sazrijevala je u korak s ovim paketima. Standardna termalna pasta postala je sveprisutna, materijali s faznom promjenom počeli su se koristiti kao opcija čvrste tvari na sobnoj temperaturi koja omekšava blizu 45 do 60 stupnjeva Celzijevih za bolju usklađenost površine i vodljivost od 5 do 10 W/m·K bez ispumpavanja, a toplinski jastučići izrađeni na silikonskim ili akrilatnim osnovama s punilima od glinice ili bor nitrida dosegli su 6 do 16 W/m·K kao opterećenje punila. povećana.

Treća faza: Hlađenje s gornje strane za uređaje sa širokim pojasom

Porast uređaja na bazi silicij karbida (SiC) i galij nitrida (GaN), s njihovim većim brzinama prebacivanja, naponima i gustoćom snage, razotkrio je granice hlađenja s donje strane. Odgovor industrije bio je hlađenje s gornje strane (TSC): izložena metalna ploča na vrhu pakiranja povezuje se izravno s hladnjakom ili hladnom pločom, u potpunosti zaobilazeći PCB.

Kako toplinski vodljivi izolacijski premaz mijenja hrpu

Kako bi se pojednostavio ovaj sendvič, industrija je razvila epoksidni toplinski vodljivi izolacijski premaz na bazi vode kao integrirani materijal za izolaciju i vodljivost. Cilj je zamijeniti jedan TIM sloj i keramičku izolacijsku ploču jednim premazom, stvarajući novi toplinski put: čip, jedan TIM sloj, gornju toplinski vodljivu izolacijsku prevlaku, zatim vodeno hlađenu ploču ili hladnjak.

Kako danas izgledaju premazi proizvodne kvalitete

Od 2022., kako su se platforme za električna vozila od 800 V povećavale, TSC ambalaža je dosegla zrelost masovne proizvodnje zajedno s tehnologijom epoksidnog premaza na bazi vode. MEPCOAT-ova serija MEP 3700 jedan je reprezentativni proizvod, koji kombinira toplinsku vodljivost od 2 W/m·K s visokonaponskom izolacijom od 3.000 do 6.000 V, jaku međufaznu adheziju i pouzdanost automobilske razine u jednom sloju.

Osim potvrde automobilske kvalitete tijekom tisuća temperaturnih ciklusa i 96 sati izlaganja slanom spreju, ovi premazi podržavaju preciznu kontrolu debljine: jedan prolaz može položiti samo pet mikrona ili uzastopni ciklusi raspršivanja i stvrdnjavanja mogu postići ciljnu debljinu izbjegavajući mjehuriće i praznine koje bi inače ugrozile učinak izolacije.

Zašto se arhitektura stalno razvija

Svaka faza ove povijesti, od prirodnog hlađenja kroz rupu do dva desetljeća hlađenja s donje strane do današnjeg hlađenja s gornje strane s toplinski vodljivim izolacijskim premazom, slijedi istu temeljnu logiku: skratite toplinski put, smanjite broj sučelja, uravnotežite izolaciju protiv rasipanja topline i prilagodite se manjim uređajima. Kako se usvajanje SiC-a širi i platforme napona vozila prelaze 800 V, ograničenja višeslojnih jastučića i keramičkih ploča postaje sve teže zanemariti, a uparivanje premaza i TIM-a pojavljuje se kao praktičan put naprijed za kompaktne električne pogonske jedinice velike gustoće.

Zamjenjuje li toplinski vodljivi izolacijski premaz u potpunosti termalnu mast ili jastučiće?

Ne. Premaz još uvijek ostavlja mikroskopske nepravilnosti na površini nakon stvrdnjavanja, tako da je TIM kao što je termalna mast ili termalni jastučić i dalje neophodan za popunjavanje konačnog međufaznog zračnog raspora.

Zašto je gornje hlađenje postalo neophodno za SiC i GaN uređaje?

Uređaji sa širokim pojasom brže se prebacuju, rade na višem naponu i spakiraju više snage u manji otisak nego stari silikonski dijelovi, a hlađenje s donje strane putem PCB-a više nije moglo držati korak s toplinom koju ti uređaji stvaraju.

Koja je glavna prednost pouzdanosti premaza u odnosu na keramičke izolacijske ploče?

Premaz stvara kemijsku vezu s površinom hladnjaka umjesto da se oslanja na fizički kontakt, a njegova epoksidna matrica nema opasnosti od krhkog pucanja keramike, tako da bolje podnosi vibracije i toplinske cikluse automobilske razine.

Može li toplinski vodljivi izolacijski premaz prekriti nepravilne ili zakrivljene površine uređaja?

Da. Budući da se nanosi raspršivanjem, a ne kao prethodno izrezan list, može u potpunosti omotati zaobljene površine, utore i male gornje geometrije uređaja za hlađenje u jednom koraku procesa.