Tepelně vodivý izolační povlak pro napájecí moduly TSC

Tepelně vodivý izolační povlak je funkční izolační základní materiál, který poskytuje vysokonapěťovou dielektrickou ochranu a plochý montážní povrch, přičemž sekundární výhodou je vedení tepla. Na rozdíl od materiálu tepelného rozhraní (TIM) nedokáže sám o sobě eliminovat mezifázové vzduchové mezery, takže se nanáší spíše společně s vrstvou TIM než jako samostatná náhrada.

Proč zmatek mezi nátěry a TIM přetrvává

Poptávka po materiálech tepelného rozhraní prudce vzrostla spolu s rozmachem výpočetní techniky AI, se zprávami, že i Nvidia vyhodnocuje tepelné materiály na bázi diamantů pro své čipy s nejvyšším výkonem. Uprostřed tohoto růstu vstoupila na trh novější kategorie, tepelně vodivý izolační povlak, který je často mylně považován za náhražku TIM.

Tyto dva materiály slouží různým účelům. TIM, jako je tepelná podložka nebo mazivo, je čistým plnivem rozhraní, jehož hlavním úkolem je odstranit vzduchovou mezeru mezi dvěma protilehlými povrchy. Tepelně vodivý izolační povlak je funkční izolační substrát: jeho hlavní hodnotou je vysokonapěťová izolace a zploštělá základna pro zařízení nebo chladič. Po vytvrzení povrch povlaku stále nese mikroskopické vrcholy a prohlubně, takže je na něm stále potřeba vrstva TIM, aby se dosáhlo účinného přenosu tepla na úrovni systému.

První fáze: Přirozené chlazení v balíčcích s průchozími otvory

Předtím, než se technologie povrchové montáže stala standardem, využívala napájecí zařízení pouzdra s průchozími otvory, jako je řada TO. Teplo putovalo z čipu přes kovový vodicí rám, ven přes kolíky, přes PCB a nakonec do externího chladiče.

Materiály tepelného rozhraní byly v této fázi stále primitivní. Inženýři se spoléhali na jednoduchou tepelnou pastu na bázi silikonu plněnou běžnými částicemi oxidu zinečnatého nebo oxidu hlinitého, a to hlavně kvůli izolaci, nikoli šíření tepla. Úrovně výkonu zařízení byly dostatečně nízké, aby tepelný odpor pouzdra TO 50 až 80 stupňů Celsia na watt byl stále přijatelný, i když tenké průřezy kolíků vytvářely vysoký odpor a ponechávaly malou rezervu, když se proudy zvyšovaly.

Druhá fáze: Dvě desetiletí chlazení na spodní straně

Vzhledem k tomu, že spínané zdroje napájení a motorové pohony zvýšily hustotu výkonu, průmysl přešel na chlazení spodní stranou (BSC) s použitím samotné desky plošných spojů jako chladiče prvního stupně. Tato architektura dominovala energetickému balení zhruba dvacet let napříč třemi generacemi.

Technologie TIM dozrála v souladu s těmito balíčky. Standardní teplovodivá pasta se stala všudypřítomnou, materiály s fázovou změnou se začaly používat jako pevná látka při pokojové teplotě, která změkne v blízkosti 45 až 60 stupňů Celsia pro lepší přizpůsobení povrchu a vodivost 5 až 10 W/m·K bez odčerpávání, a tepelné podložky postavené na silikonových nebo akrylátových základech s plnivem z oxidu hlinitého nebo nitridu bóru · se zvýšením W16/plniva.

Třetí fáze: Chlazení na horní straně pro zařízení s širokým pásmem

Vzestup zařízení z karbidu křemíku (SiC) a nitridu galia (GaN) s jejich vyššími rychlostmi přepínání, jmenovitým napětím a hustotou výkonu odhalil limity chlazení na spodní straně. Reakcí průmyslu bylo chlazení na horní straně (TSC): odkrytá kovová deska na horní straně obalu se připojuje přímo k chladiči nebo studené desce a zcela obchází PCB.

Jak tepelně vodivý izolační povlak změní stoh

Aby se tento sendvič zjednodušil, průmysl vyvinul vodou ředitelný epoxidový tepelně vodivý izolační povlak jako integrovaný izolační a vodivý materiál. Cílem je nahradit jednu vrstvu TIM a keramickou izolační desku jediným povlakem, čímž vznikne nová tepelná cesta: čip, jedna vrstva TIM, vrchní tepelně vodivý izolační povlak a poté vodou chlazená deska nebo chladič.

Jak vypadají produkční nátěry dnes

Od roku 2022, kdy se platformy elektrických vozidel 800 V zvětšovaly, dosáhly obaly TSC vyspělosti hromadné výroby spolu s technologií vodního epoxidového nátěru. Řada MEP 3700 společnosti MEPCOAT je jedním z reprezentativních produktů, který kombinuje tepelnou vodivost 2 W/m·K s 3 000 až 6 000 V vysokonapěťové izolace, silnou mezifázovou adhezi a spolehlivost na automobilové úrovni v jedné vrstvě.

Kromě ověření automobilové kvality v rámci tisíců teplotních cyklů a 96 hodin vystavení solné mlze podporují tyto povlaky přesnou kontrolu tloušťky: jeden průchod může nanést pouhých pět mikronů nebo po sobě jdoucí cykly stříkání a vytvrzování mohou dosáhnout cílové tloušťky a přitom se vyhnout bublinám a dutinám, které by jinak poškodily výtěžnost izolace.

Proč se architektura neustále vyvíjí

Každá etapa této historie, od přirozeného chlazení skrz otvory přes dvě desetiletí chlazení na spodní straně až po dnešní chlazení na horní straně s tepelně vodivým izolačním povlakem, se řídí stejnou základní logikou: zkrátit tepelnou cestu, snížit počet rozhraní, vyvážit izolaci proti rozptylu tepla a přizpůsobit se menším zařízením. S tím, jak se rozšiřuje přijetí SiC a platformy napětí ve vozidlech překračují 800 V, je stále těžší ignorovat limity vícevrstvých podložek a keramických desek a párování povlak-plus-TIM se objevuje jako praktická cesta vpřed pro kompaktní elektrické pohonné jednotky s vysokou hustotou výkonu.

Nahrazuje tepelně vodivý izolační povlak úplně tepelnou pastu nebo podložky?

Ne. Povlak po vytvrzení stále zanechává mikroskopické povrchové nerovnosti, takže TIM, jako je tepelné mazivo nebo tepelná podložka, zůstává nezbytným k vyplnění konečné vzduchové mezery na rozhraní.

Proč bylo pro zařízení SiC a GaN nutné chlazení na horní straně?

Zařízení se širokým pásmem se přepínají rychleji, běží při vyšším napětí a zabírají více energie na menší půdorys než starší křemíkové díly a chlazení na spodní straně prostřednictvím PCB již nemohlo držet krok s teplem, které tato zařízení vytvářejí.

Jaká je hlavní výhoda spolehlivosti povlaku oproti keramické izolační desce?

Povlak vytváří chemickou vazbu k povrchu chladiče, místo aby se spoléhal na fyzický kontakt, a jeho epoxidová matrice nemá žádné riziko křehkého praskání keramiky, takže lépe odolává vibracím a tepelným cyklům automobilového průmyslu.

Může tepelně vodivý izolační povlak pokrýt nepravidelné nebo zakřivené povrchy zařízení?

Ano. Vzhledem k tomu, že se nanáší stříkáním spíše než jako předem nařezaný list, může zcela obalit zakřivené povrchy, drážky a malé geometrie horního chladicího zařízení v jediném kroku procesu.