Termisk ledende isolerende belægning til TSC-strømmoduler

En termisk ledende isolerende belægning er et funktionelt isolerende basismateriale, der giver højspændings dielektrisk beskyttelse og en flad monteringsflade, med termisk ledning som en sekundær fordel. I modsætning til et termisk grænseflademateriale (TIM) kan det ikke fjerne luftspalter i grænsefladen alene, så det påføres sammen med et TIM-lag i stedet for som en selvstændig erstatning.

Hvorfor forvirringen mellem belægninger og TIM'er fortsætter

Efterspørgslen efter termiske grænsefladematerialer er steget kraftigt sideløbende med AI-computerboomet, med rapporter om, at selv Nvidia vurderer diamantbaserede termiske materialer for sine chips med højeste effekt. Midt i denne vækst er en nyere kategori, termisk ledende isolerende belægning, kommet på markedet og bliver ofte forvekslet med en drop-in TIM-erstatning.

De to materialer tjener forskellige opgaver. En TIM, såsom en termisk pude eller fedt, er et rent grænsefladefyldstof, hvis kerneopgave er at fjerne luftspalten mellem to sammenpassende overflader. En termisk ledende isolerende belægning er et funktionelt isolerende substrat: dets kerneværdi er højspændingsisolering og en fladtrykt base til enheden eller kølepladen. Når den er hærdet, bærer belægningsoverfladen stadig mikroskopiske toppe og dale, så et TIM-lag er stadig påkrævet oven på det for at opnå effektiv varmeoverførsel på systemniveau.

Etape 1: Naturlig køling i pakker med gennemgående huller

Før overflademonteringsteknologi blev standard, brugte strømenheder gennemhullede pakker såsom TO-serien. Varme rejste fra chippen gennem en metalledningsramme, ud gennem stifterne, hen over PCB'en og til sidst ind i en ekstern heatsink.

Termiske grænsefladematerialer var stadig primitive på dette stadium. Ingeniører stolede på simpelt silikonebaseret termisk fedt fyldt med almindelige zinkoxid- eller aluminiumoxidpartikler, primært til isolering frem for varmespredning. Enhedens effektniveauer var lave nok til, at en TO-pakke termisk modstand på 50 til 80 grader Celsius pr. watt stadig var acceptabel, selvom tynde stifttværsnit skabte høj modstand og efterlod lidt frihøjde, efterhånden som strømmene steg.

Fase to: To årtiers bundkøling

Efterhånden som skift af strømforsyninger og motordrev pressede effekttætheden højere, skiftede industrien til bundsidekøling (BSC) ved at bruge selve printkortet som en første-trins heatsink. Denne arkitektur dominerede kraftemballage i omkring tyve år på tværs af tre generationer.

TIM-teknologien modnes i takt med disse pakker. Standard termisk fedt blev allestedsnærværende, faseændringsmaterialer blev brugt som en fast løsning ved stuetemperatur, der blødgøres tæt på 45 til 60 grader Celsius for bedre overfladekonformitet og ledningsevne på 5 til 10 W/m·K uden udpumpning, og termiske puder bygget på silikone- eller acrylatbaser med boron nitride/6K-fyldstoffer nået med 6-aluminiumoxid eller W. fyldstofbelastningen øget.

Trin tre: Top-Side Køling til Wide-Bandgap-enheder

Stigningen af siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) enheder med deres højere koblingshastigheder, spændingsværdier og effekttætheder afslørede grænserne for bundkøling. Industriens svar var top-side køling (TSC): en blotlagt metalplade på pakkens top forbindes direkte til en heatsink eller kold plade og omgår printkortet helt.

Hvordan en termisk ledende isolerende belægning ændrer stakken

For at forenkle denne sandwich udviklede industrien vandbåren epoxy termisk ledende isolerende belægning som et integreret isolerings-plus-ledningsmateriale. Målet er at erstatte et TIM-lag og en keramisk isoleringsplade med en enkelt belægning, hvilket producerer en ny varmevej: chip, et TIM-lag, termisk ledende isolerende belægning på oversiden, derefter den vandkølede plade eller køleplade.

Sådan ser belægninger i produktionskvalitet ud i dag

Siden 2022, efterhånden som 800V el-køretøjsplatforme er blevet opskaleret, har TSC-emballage nået masseproduktionsmodenhed sammen med vandbåren epoxybelægningsteknologi. MEPCOATs MEP 3700-serie er et repræsentativt produkt, der kombinerer en termisk ledningsevne på 2 W/m·K med 3.000 til 6.000 V højspændingsisolering, stærk grænsefladeadhæsion og pålidelighed i bilindustrien i et enkelt lag.

Ud over validering af automotive-kvalitet på tværs af tusindvis af temperaturcyklusser og 96 timers saltsprøjteeksponering understøtter disse belægninger præcis tykkelseskontrol: et enkelt gennemløb kan lægge ned så lidt som fem mikron, eller på hinanden følgende sprøjte-og-hærdningscyklusser kan bygge op til en måltykkelse, mens de undgår de bobler og hulrum, der ellers ville skade isoleringsudbyttet.

Hvorfor arkitekturen bliver ved med at udvikle sig

Hvert trin i denne historie, fra naturlig køling gennem hullet til to årtiers bundkøling til nutidens topsidekøling med termisk ledende isolerende belægning, følger den samme underliggende logik: forkort varmevejen, skær antallet af grænseflader, afbalancerer isolering mod varmeafledning og tilpas til mindre enheder. Efterhånden som SiC-adoptionen spredes, og køretøjsspændingsplatforme skubber forbi 800V, bliver grænserne for flerlagspuder og keramiske plader sværere at ignorere, og coating-plus-TIM-parring dukker op som den praktiske vej frem for kompakte elektriske drevenheder med høj effekttæthed.

Erstatter en termisk ledende isolerende belægning termisk fedt eller puder helt?

Nej. En belægning efterlader stadig mikroskopiske overfladeuregelmæssigheder efter hærdning, så en TIM, såsom termisk fedt eller en termisk pude, forbliver nødvendig for at udfylde det endelige luftmellemrum i grænsefladen.

Hvorfor blev topsidekøling nødvendig for SiC- og GaN-enheder?

Enheder med bred båndgab skifter hurtigere, kører ved højere spænding og pakker mere strøm ind i et mindre fodaftryk end ældre siliciumdele, og bundkøling gennem printkortet kunne ikke længere holde trit med den varme, disse enheder genererer.

Hvad er den største pålidelighedsfordel ved en belægning frem for en keramisk isoleringsplade?

Belægningen danner en kemisk binding til kølepladens overflade i stedet for at være afhængig af fysisk kontakt, og dens epoxymatrix har ingen risiko for keramisk sprød-revner, så den holder bedre under vibrationer i bilindustrien og termisk cykling.

Kan en termisk ledende isolerende belægning dække uregelmæssige eller buede enhedsoverflader?

Ja. Fordi det påføres med spray snarere end som et forskåret ark, kan det pakke buede overflader, riller og små top-side køleanordnings geometrier i et enkelt procestrin.