Termisk ledende isolerende belegg for TSC Power Moduler

Et termisk ledende isolerende belegg er et funksjonelt isolerende grunnmateriale som gir høyspent dielektrisk beskyttelse og en flat monteringsoverflate, med termisk ledning som en sekundær fordel. I motsetning til et termisk grensesnittmateriale (TIM), kan det ikke eliminere luftgap i grensesnittet alene, så det påføres sammen med et TIM-lag i stedet for som en frittstående erstatning.

Hvorfor forvirringen mellom belegg og TIM-er vedvarer

Etterspørselen etter termiske grensesnittmaterialer har klatret kraftig sammen med AI-databehandlingsboomen, med rapporter om at selv Nvidia vurderer diamantbaserte termiske materialer for sine chips med høyest effekt. Midt i denne veksten har en nyere kategori, termisk ledende isolerende belegg, kommet inn på markedet og blir ofte forvekslet med en drop-in TIM-erstatning.

De to materialene tjener forskjellige jobber. En TIM, for eksempel en termisk pute eller fett, er et rent grensesnittfyllstoff hvis kjerneoppgave er å fjerne luftspalten mellom to sammenfallende overflater. Et termisk ledende isolerende belegg er et funksjonelt isolerende underlag: kjerneverdien er høyspenningsisolasjon og en flat base for enheten eller kjøleribben. Når den er herdet, bærer beleggsoverflaten fortsatt mikroskopiske topper og daler, så det kreves fortsatt et TIM-lag på toppen for å oppnå effektiv varmeoverføring på systemnivå.

Trinn én: Naturlig kjøling i pakker med gjennomgående hull

Før overflatemonteringsteknologi ble standard, brukte strømenheter gjennomhullspakker som TO-serien. Varme gikk fra brikken gjennom en metallramme, ut gjennom pinnene, over PCB-en og til slutt inn i en ekstern kjøleribbe.

Termiske grensesnittmaterialer var fortsatt primitive på dette stadiet. Ingeniører stolte på enkelt silikonbasert termisk fett fylt med vanlige sinkoksid- eller aluminiumoksidpartikler, hovedsakelig for isolasjon i stedet for varmespredning. Enhetens strømnivåer var lave nok til at en TO-pakke termisk motstand på 50 til 80 grader Celsius per watt fortsatt var akseptabel, selv om tynne pinn-tverrsnitt skapte høy motstand og ga liten takhøyde ettersom strømmene økte.

Trinn to: To tiår med bunnkjøling

Ettersom bytte av strømforsyninger og motordrev presset effekttettheten høyere, gikk industrien over til bunnsidekjøling (BSC), ved å bruke selve PCB som en første-trinns kjøleribbe. Denne arkitekturen dominerte kraftemballasje i omtrent tjue år over tre generasjoner.

TIM-teknologien modnet i takt med disse pakkene. Standard termisk fett ble allestedsnærværende, faseendringsmaterialer ble brukt som et fast ved romtemperatur-alternativ som myker opp nær 45 til 60 grader Celsius for bedre overflatekonformitet og ledningsevne på 5 til 10 W/m·K uten utpumping, og termiske puter bygget på silikon- eller akrylatbaser med boron nitride/6-aluminiumoksyd/6K-fyllstoffer. fyllstoffbelastningen økte.

Trinn tre: Topp-sidekjøling for enheter med brede bånd

Økningen av silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) enheter, med deres høyere koblingshastigheter, spenningsklassifiseringer og effekttettheter, eksponerte grensene for kjøling på bunnen. Bransjens svar var toppsidekjøling (TSC): en synlig metallplate på pakkens topp kobles direkte til en kjøleribbe eller kaldplate, og omgår PCB-en helt.

Hvordan et termisk ledende isolerende belegg endrer stabelen

For å forenkle denne sandwichen utviklet industrien vannbåren epoksy termisk ledende isolerende belegg som et integrert isolasjons-pluss-ledningsmateriale. Målet er å erstatte ett TIM-lag og en keramisk isolasjonsplate med et enkelt belegg, og produsere en ny varmebane: brikke, ett TIM-lag, termisk ledende isolasjonsbelegg på oversiden, deretter den vannkjølte platen eller kjøleribben.

Hvordan produksjonsbelegg ser ut i dag

Siden 2022, ettersom 800V elektriske kjøretøyplattformer ble oppskalert, har TSC-emballasje nådd masseproduksjonsmodenhet sammen med vannbåren epoksybeleggteknologi. MEPCOATs MEP 3700-serie er ett representativt produkt, som kombinerer en termisk ledningsevne på 2 W/m·K med 3000 til 6000V høyspenningsisolasjon, sterk grensesnittadhesjon og pålitelighet i bilindustrien i ett enkelt lag.

Utover validering av bilkvalitet over tusenvis av temperatursykluser og 96 timers saltsprayeksponering, støtter disse beleggene presis tykkelseskontroll: en enkelt passering kan legge ned så lite som fem mikron, eller påfølgende spray-og-herdesykluser kan bygge seg opp til en måltykkelse mens de unngår boblene og hulrommene som ellers ville skade isolasjonsytelsen.

Hvorfor arkitekturen fortsetter å utvikle seg

Hvert trinn i denne historien, fra naturlig kjøling gjennom hull til to tiår med kjøling på bunnen til dagens toppsidekjøling med termisk ledende isolerende belegg, følger den samme underliggende logikken: forkort varmebanen, kutt antall grensesnitt, balanser isolasjon mot varmespredning og tilpass til mindre enheter. Ettersom SiC-adopsjon sprer seg og kjøretøyspenningsplattformer går forbi 800V, blir grensene for flerlagsputer og keramiske ark vanskeligere å ignorere, og belegg-pluss-TIM-paring dukker opp som den praktiske veien videre for kompakte elektriske drivenheter med høy effekttetthet.

Erstatter et termisk ledende isolerende belegg termisk fett eller puter helt?

Nei. Et belegg etterlater fortsatt mikroskopiske overflateuregelmessigheter etter herding, så en TIM som termisk fett eller en termisk pute er fortsatt nødvendig for å fylle den endelige luftspalten i grensesnittet.

Hvorfor ble toppkjøling nødvendig for SiC- og GaN-enheter?

Enheter med bred båndgap bytter raskere, kjører på høyere spenning og pakker mer kraft inn i et mindre fotavtrykk enn eldre silisiumdeler, og kjøling på bunnen gjennom PCB kunne ikke lenger holde tritt med varmen disse enhetene genererer.

Hva er den viktigste pålitelighetsfordelen med et belegg fremfor et keramisk isolasjonsark?

Belegget danner en kjemisk binding til kjøleribbeoverflaten i stedet for å stole på fysisk kontakt, og epoksymatrisen har ingen risiko for keramisk sprø sprekkdannelse, så det holder seg bedre under vibrasjoner og termisk sykling i bilindustrien.

Kan et termisk ledende isolerende belegg dekke uregelmessige eller buede enhetsoverflater?

Ja. Fordi det påføres med spray i stedet for som et forhåndskuttet ark, kan det pakke inn buede overflater, spor og små kjøleenhetsgeometrier på oversiden i ett enkelt prosesstrinn.