Înveliș izolator conductiv termic pentru modulele de putere TSC

Un strat izolator conductiv termic este un material de bază izolator funcțional care oferă protecție dielectrică de înaltă tensiune și o suprafață de montare plană, cu conducția termică ca beneficiu secundar. Spre deosebire de materialul de interfață termică (TIM), acesta nu poate elimina singur golurile de aer interfacial, așa că este aplicat împreună cu un strat TIM, mai degrabă decât ca înlocuitor independent.

De ce persistă confuzia dintre acoperiri și TIM

Cererea de materiale de interfață termică a crescut brusc odată cu boom-ul de calcul AI, cu rapoarte că chiar și Nvidia evaluează materiale termice pe bază de diamant pentru cipurile sale de cea mai mare putere. Pe fondul acestei creșteri, o categorie mai nouă, acoperirea izolatoare termic conductoare, a intrat pe piață și este adesea confundată cu un înlocuitor TIM.

Cele două materiale servesc locuri de muncă diferite. Un TIM, cum ar fi un tampon termic sau unsoare, este un material de umplutură pur de interfață a cărui sarcină principală este îndepărtarea spațiului de aer dintre două suprafețe de îmbinare. Un strat izolator conductiv termic este un substrat izolator funcțional: valoarea sa de bază este izolarea de înaltă tensiune și o bază aplatizată pentru dispozitiv sau radiator. Odată întărită, suprafața de acoperire încă poartă vârfuri și văi microscopice, așa că este încă necesar un strat TIM deasupra ei pentru a obține un transfer eficient de căldură la nivel de sistem.

Etapa 1: Răcire naturală în pachete cu orificii

Înainte ca tehnologia de montare la suprafață să devină standard, dispozitivele de alimentare foloseau pachete cu orificii traversante, cum ar fi seria TO. Căldura a călătorit de la cip printr-un cadru metalic, prin pini, peste PCB și, în final, într-un radiator extern.

Materialele de interfață termică erau încă primitive în această etapă. Inginerii s-au bazat pe unsoare termică simplă pe bază de silicon, umplută cu particule obișnuite de oxid de zinc sau de oxid de aluminiu, în principal pentru izolație, mai degrabă decât pentru împrăștierea căldurii. Nivelurile de putere ale dispozitivului au fost suficient de scăzute încât o rezistență termică a pachetului TO de 50 până la 80 de grade Celsius pe watt să fie încă acceptabilă, chiar dacă secțiunile transversale subțiri ale pinii au creat rezistență mare și au lăsat puțin spațiu pe măsură ce curenții creșteau.

Etapa a doua: Două decenii de răcire pe partea inferioară

Pe măsură ce comutarea surselor de alimentare și a motorului a dus la creșterea densității de putere, industria a trecut la răcirea pe partea inferioară (BSC), folosind PCB-ul în sine ca un radiator de primă etapă. Această arhitectură a dominat ambalarea energiei timp de aproximativ douăzeci de ani de-a lungul a trei generații.

Tehnologia TIM s-a maturizat în pas cu aceste pachete. Unsoarea termică standard a devenit omniprezentă, materialele cu schimbare de fază au intrat în utilizare ca opțiune solidă la temperatura camerei, care se înmoaie aproape de 45 până la 60 de grade Celsius pentru o mai bună conformitate a suprafeței și o conductivitate mai bună de 5 până la 10 W/m·K fără pompare, iar plăcuțe termice construite pe baze de silicon sau acrilat cu umplutură de alumină sau acril16, sub formă de filtru de alumină sau de bor16. sarcina a crescut.

Etapa a treia: Răcire în partea superioară pentru dispozitive cu bandă largă

Creșterea dispozitivelor cu carbură de siliciu (SiC) și nitrură de galiu (GaN), cu viteze mai mari de comutare, tensiuni nominale și densități de putere, au expus limitele răcirii pe partea inferioară. Răspunsul industriei a fost răcirea în partea superioară (TSC): o placă metalică expusă pe partea superioară a pachetului se conectează direct la un radiator sau o placă rece, ocolind complet PCB-ul.

Cum o înveliș izolator conductiv termic modifică stiva

Pentru a simplifica acest sandwich, industria a dezvoltat un strat izolator epoxidic conductiv termic pe bază de apă ca material integrat de izolație plus conducție. Scopul este de a înlocui un strat TIM și o foaie izolatoare ceramică cu un singur strat, producând o nouă cale de căldură: cip, un strat TIM, strat izolator termic conductiv de sus, apoi placa sau radiatorul răcit cu apă.

Cum arată astăzi acoperirile de calitate pentru producție

Din 2022, pe măsură ce platformele de vehicule electrice de 800 V s-au extins, ambalajele TSC au atins maturitatea producției de masă alături de tehnologia de acoperire cu epoxidice pe bază de apă. Seria MEP 3700 de la MEPCOAT este un produs reprezentativ, care combină o conductivitate termică de 2 W/m·K cu 3.000 până la 6.000 V de izolație de înaltă tensiune, aderență puternică la interfață și fiabilitate de calitate auto într-un singur strat.

Dincolo de validarea de calitate auto în mii de cicluri de temperatură și 96 de ore de expunere la pulverizare cu sare, aceste acoperiri susțin un control precis al grosimii: o singură trecere poate lăsa până la cinci microni, sau ciclurile succesive de pulverizare și întărire se pot construi până la o grosime țintă evitând în același timp bulele și golurile care altfel ar afecta randamentul izolației.

De ce arhitectura continuă să evolueze

Fiecare etapă a acestei istorii, de la răcirea naturală prin orificiu prin găuri până la două decenii de răcire pe partea inferioară până la răcirea superioară de astăzi cu acoperire izolatoare termic conductoare, urmează aceeași logică subiacentă: scurtarea traseului căldurii, reducerea numărului de interfețe, echilibrarea izolației împotriva disipării căldurii și adaptarea la dispozitive mai mici. Pe măsură ce adoptarea SiC se extinde, iar platformele de tensiune ale vehiculelor trec peste 800 V, limitele plăcilor multistrat și foilor ceramice devin din ce în ce mai greu de ignorat, iar împerecherea acoperire-plus-TIM devine calea practică de urmat pentru unitățile electrice compacte, de mare densitate de putere.

Un strat izolator conductiv termic înlocuiește în întregime grăsimea termică sau tampoanele?

Nu. O acoperire lasă încă neregularități microscopice ale suprafeței după întărire, așa că un TIM, cum ar fi grăsimea termică sau un tampon termic, rămâne necesar pentru a umple golul final de aer interfacial.

De ce a devenit necesară răcirea superioară pentru dispozitivele SiC și GaN?

Dispozitivele cu bandă interzisă comută mai repede, funcționează la o tensiune mai mare și oferă mai multă putere într-o amprentă mai mică decât piesele vechi din silicon, iar răcirea pe partea inferioară prin PCB nu a mai putut ține pasul cu căldura generată de aceste dispozitive.

Care este principalul avantaj de fiabilitate al unei acoperiri față de o folie izolatoare ceramică?

Acoperirea formează o legătură chimică cu suprafața radiatorului, mai degrabă decât să se bazeze pe contactul fizic, iar matricea sa epoxidică nu are riscul de fisurare a ceramicii fragile, astfel încât rezistă mai bine la vibrațiile de calitate auto și ciclurile termice.

Poate un strat izolator conductiv termic să acopere suprafețele neregulate sau curbate ale dispozitivului?

Da. Deoarece este aplicat prin pulverizare, mai degrabă decât ca foaie pre-tăiată, poate înveli complet suprafețe curbate, caneluri și geometrii mici ale dispozitivelor de răcire din partea superioară într-o singură etapă de proces.