Hővezető szigetelő bevonat TSC teljesítménymodulokhoz

A hővezető szigetelő bevonat funkcionális szigetelő alapanyag, amely nagyfeszültségű dielektromos védelmet és sík szerelési felületet biztosít, a hővezetés másodlagos előnye. A termikus interfész anyaggal (TIM) ellentétben önmagában nem tudja megszüntetni a határfelületi légréseket, ezért a TIM réteggel együtt alkalmazzák, nem pedig önálló csereként.

Miért marad fenn a zavar a bevonatok és a TIM-ek között?

A termikus interfész anyagok iránti kereslet meredeken emelkedett az AI számítástechnikai fellendülés mellett, és a jelentések szerint még az Nvidia is értékeli a gyémánt alapú hőanyagokat a legnagyobb teljesítményű chipekhez. E növekedés közepette egy újabb kategóriájú, hővezető szigetelő bevonat jelent meg a piacon, és gyakran összetévesztik a bedobható TIM helyettesítővel.

A két anyag különböző feladatokat lát el. A TIM, mint például a hőpárna vagy zsír, egy tiszta interfész töltőanyag, amelynek fő feladata a két illeszkedő felület közötti légrés eltávolítása. A hővezető szigetelőbevonat funkcionális szigetelő hordozó: alapértéke a nagyfeszültségű szigetelés és a készülék vagy hűtőborda lapított alapja. Kikeményedés után a bevonat felülete még mindig mikroszkopikus csúcsokat és völgyeket hordoz, így a hatékony rendszerszintű hőátadás érdekében még mindig szükség van rá egy TIM rétegre.

Első szakasz: Természetes hűtés átmenő lyukkal ellátott csomagokban

Mielőtt a felületre szerelhető technológia szabványossá vált volna, a tápegységek átmenő furatokat használtak, mint például a TO sorozat. A hő a chipből egy fém ólomvázon, a csapokon keresztül, a PCB-n keresztül, végül egy külső hűtőbordába áramlott.

A termikus interfész anyagok ebben a szakaszban még primitívek voltak. A mérnökök az egyszerű, szilikon alapú, közönséges cink-oxid- vagy alumínium-oxid-részecskékkel töltött hőzsírra támaszkodtak, elsősorban szigetelésre, nem pedig hőterjesztésre. Az eszköz teljesítményszintje elég alacsony volt ahhoz, hogy a TO csomag 50-80 Celsius fokos hőellenállása wattonként még elfogadható legyen, bár a vékony tűkeresztmetszetek nagy ellenállást eredményeztek, és kevés mozgásteret hagytak az áramok növekedésével.

Második szakasz: Két évtizedes alsó oldali hűtés

Ahogy a kapcsolóüzemű tápegységek és a motorhajtások megnövelték a teljesítménysűrűséget, az iparág áttért az alsó oldali hűtésre (BSC), magát a PCB-t használva első fokozatú hűtőbordaként. Ez az architektúra uralta az energiacsomagolást nagyjából húsz éven át, három generáción keresztül.

A TIM technológia ezekkel a csomagokkal együtt fejlődött. A szabványos hőzsír mindenütt elterjedt, a fázisváltó anyagok szilárd, szobahőmérsékleten történő megoldásként kerültek felhasználásra, amely közel 45-60 Celsius-fokig lágyul a jobb felületi konformitás és 5-10 W/m·K közötti vezetőképesség érdekében kiszivattyúzás nélkül, valamint szilikon vagy akrilát alapra épített hőpárnák, amelyek alumínium-oxidot vagy bór-6 mm töltőanyagot 1/6 mm-ig nitrid-6 mm-ig érnek el. a terhelés megnőtt.

Harmadik szakasz: felső oldali hűtés a szélessávú eszközökhöz

A szilícium-karbid (SiC) és gallium-nitrid (GaN) eszközök térnyerése magasabb kapcsolási sebességükkel, névleges feszültségükkel és teljesítménysűrűségükkel feltárta az alsó oldali hűtés korlátait. Az iparág válasza a felső oldali hűtés (TSC) volt: a csomagolás tetején lévő szabadon lévő fémlemez közvetlenül csatlakozik a hűtőbordához vagy a hűtőlemezhez, teljesen megkerülve a PCB-t.

Hogyan változtatja meg a köteget a hővezető szigetelő bevonat

Ennek a szendvicsnek az egyszerűsítésére az ipar vízbázisú, epoxi hővezető szigetelő bevonatot fejlesztett ki integrált szigetelő plusz vezetőanyagként. A cél egy TIM réteg és egy kerámia szigetelőlemez cseréje egyetlen bevonattal, új hőút kialakítása: forgács, egy TIM réteg, felső oldali hővezető szigetelő bevonat, majd a vízhűtéses lemez vagy hűtőborda.

Hogyan néznek ki ma a gyártási minőségű bevonatok

2022 óta, a 800 V-os elektromos járművek platformjainak növekedésével a TSC csomagolás elérte a tömeggyártás érettségét a vízbázisú epoxi bevonat technológia mellett. A MEPCOAT MEP 3700 sorozata egy reprezentatív termék, amely egyetlen rétegben ötvözi a 2 W/m·K hővezető képességet 3000–6000 V-os nagyfeszültségű szigeteléssel, erős felületi tapadást és autóipari szintű megbízhatóságot.

A több ezer hőmérsékleti cikluson és a 96 órás sópermetezésen átívelő gépjármű-minőségű hitelesítésen túl ezek a bevonatok támogatják a pontos vastagságszabályozást: egyetlen lépéssel akár öt mikron is lerakható, vagy az egymást követő permetezési és kikeményítési ciklusok elérhetik a kívánt vastagságot, miközben elkerülik a buborékok és üregek kialakulását, amelyek egyébként rontanák a szigetelési teljesítményt.

Miért fejlődik folyamatosan az építészet?

Ennek a történelemnek minden szakasza, az átmenő lyukú természetes hűtéstől a két évtizedes alsó oldali hűtésen át a mai, hővezető szigetelő bevonattal ellátott felső oldali hűtésig ugyanazt a mögöttes logikát követi: lerövidíti a hőutat, csökkenti az interfészek számát, kiegyensúlyozza a hőelvezetés elleni szigetelést, és alkalmazkodik a kisebb eszközökhöz. A SiC elterjedésével és a járművek feszültségplatformjainak 800 V feletti túllépésével a többrétegű párnák és kerámialapok korlátait egyre nehezebb figyelmen kívül hagyni, és a bevonat-plusz-TIM párosítás a kompakt, nagy teljesítménysűrűségű elektromos meghajtóegységek gyakorlati útjaként jelenik meg.

A hővezető szigetelő bevonat teljesen helyettesíti a hőzsírt vagy a párnákat?

Nem. A bevonat a kikeményedés után is mikroszkopikus felületi egyenetlenségeket hagy maga után, így egy TIM, például hőzsír vagy hőpárna továbbra is szükséges a végső határfelületi légrés kitöltéséhez.

Miért vált szükségessé a felső oldali hűtés a SiC és GaN eszközöknél?

A szélessávú eszközök gyorsabban kapcsolnak, nagyobb feszültséggel működnek, és több energiát adnak kisebb helyig, mint a régi szilícium alkatrészek, és a PCB-n keresztüli alsó hűtés már nem tud lépést tartani az eszközök által keltett hővel.

Mi a bevonat fő megbízhatósági előnye a kerámia szigetelőlappal szemben?

A bevonat kémiai kötést képez a hűtőborda felületével, nem pedig fizikai érintkezésre támaszkodik, és epoximátrixának nincs kerámia-repedési kockázata, így jobban bírja az autóipari minőségű vibrációt és a hőciklusokat.

A hővezető szigetelő bevonat lefedheti a szabálytalan vagy ívelt készülékfelületeket?

Igen. Mivel nem előre vágott lemezként, hanem szórással hordják fel, az ívelt felületeket, barázdákat és a kis felső oldali hűtőberendezés geometriáit egyetlen eljárási lépésben teljesen be tudja burkolni.