Tepelne vodivý izolačný náter pre napájacie moduly TSC

Tepelne vodivý izolačný povlak je funkčný izolačný základný materiál, ktorý poskytuje vysokonapäťovú dielektrickú ochranu a plochý montážny povrch, s tepelnou vodivosťou ako sekundárnou výhodou. Na rozdiel od materiálu tepelného rozhrania (TIM) nedokáže sám o sebe eliminovať medzifázové vzduchové medzery, preto sa nanáša spolu s vrstvou TIM a nie ako samostatná náhrada.

Prečo zmätok medzi nátermi a TIM pretrváva

Dopyt po materiáloch s tepelným rozhraním prudko stúpol popri rozmachu výpočtovej techniky AI, pričom sa uvádza, že aj Nvidia hodnotí tepelné materiály na báze diamantov pre svoje čipy s najvyšším výkonom. Uprostred tohto rastu vstúpila na trh novšia kategória, tepelne vodivý izolačný náter, ktorý je často mylne považovaný za náhradu TIM.

Tieto dva materiály slúžia na rôzne úlohy. TIM, ako je tepelná podložka alebo mazivo, je čistým plnivom rozhrania, ktorého hlavnou úlohou je odstrániť vzduchovú medzeru medzi dvoma protiľahlými povrchmi. Tepelne vodivý izolačný povlak je funkčný izolačný substrát: jeho hlavnou hodnotou je izolácia vysokého napätia a plochá základňa pre zariadenie alebo chladič. Po vytvrdnutí povrch povlaku stále nesie mikroskopické vrcholy a priehlbiny, takže je na ňom stále potrebná vrstva TIM, aby sa dosiahol účinný prenos tepla na úrovni systému.

Prvá fáza: Prirodzené chladenie v obaloch s priechodnými otvormi

Predtým, ako sa technológia povrchovej montáže stala štandardom, napájacie zariadenia používali balíčky s priechodnými otvormi, ako napríklad séria TO. Teplo putovalo z čipu cez kovový vodiaci rám, von cez kolíky, cez PCB a nakoniec do externého chladiča.

Materiály tepelného rozhrania boli v tomto štádiu stále primitívne. Inžinieri sa spoliehali na jednoduchú tepelnú pastu na báze silikónu naplnenú obyčajnými časticami oxidu zinočnatého alebo oxidu hlinitého, a to hlavne na izoláciu, nie na šírenie tepla. Úrovne výkonu zariadenia boli dostatočne nízke na to, aby tepelný odpor balíka TO 50 až 80 stupňov Celzia na watt bol stále prijateľný, aj keď tenké prierezy kolíkov vytvárali vysoký odpor a nechávali malú rezervu pri zvyšovaní prúdov.

Druhá fáza: Dve desaťročia chladenia zdola

Keďže spínané zdroje napájania a motorové pohony zvýšili hustotu výkonu, priemysel sa posunul na spodné chladenie (BSC), pričom sa ako chladič prvého stupňa použila samotná doska plošných spojov. Táto architektúra dominovala baleniu energie približne dvadsať rokov v troch generáciách.

Technológia TIM dozrela v súlade s týmito balíkmi. Štandardné teplovodivé mazivo sa stalo všadeprítomným, materiály s fázovou zmenou sa začali používať ako pevná látka pri izbovej teplote, ktorá zmäkne pri 45 až 60 stupňoch Celzia pre lepšiu priľnavosť povrchu a vodivosť 5 až 10 W/m·K bez odčerpania, a tepelné podložky postavené na silikónových alebo akrylátových základoch s obsahom oxidu hlinitého alebo nitridu bóru/plniva so zvýšeným W16.

Tretia fáza: Chladenie na hornej strane pre zariadenia so širokým pásmom

Nárast zariadení z karbidu kremíka (SiC) a nitridu gália (GaN) s ich vyššími rýchlosťami spínania, menovitým napätím a hustotou výkonu odhalil limity chladenia na spodnej strane. Reakciou priemyslu bolo chladenie na vrchnej strane (TSC): odkrytá kovová doska na vrchnej strane obalu sa pripája priamo k chladiču alebo studenej doske, čím úplne obchádza PCB.

Ako tepelne vodivý izolačný náter zmení hromadu

Aby sa tento sendvič zjednodušil, priemysel vyvinul vodný epoxidový tepelne vodivý izolačný náter ako integrovaný izolačný a vodivý materiál. Cieľom je nahradiť jednu vrstvu TIM a keramickú izolačnú dosku jediným povlakom, čím sa vytvorí nová tepelná cesta: čip, jedna vrstva TIM, horný tepelne vodivý izolačný povlak, potom vodou chladená doska alebo chladič.

Ako dnes vyzerajú produkčné nátery

Od roku 2022, keď sa platformy elektrických vozidiel s napätím 800 V zväčšovali, obaly TSC dosiahli zrelosť hromadnej výroby spolu s technológiou vodnej epoxidovej povrchovej úpravy. Séria MEPCOAT MEP 3700 je jeden reprezentatívny produkt, ktorý kombinuje tepelnú vodivosť 2 W/m·K s 3 000 až 6 000 V vysokonapäťovej izolácie, silnú medzifázovú priľnavosť a spoľahlivosť na úrovni automobilov v jednej vrstve.

Okrem overenia na automobilovej úrovni v rámci tisícok teplotných cyklov a 96-hodinovej expozície soľným sprejom tieto nátery podporujú precíznu kontrolu hrúbky: jeden prechod môže naliať len päť mikrónov alebo následné cykly striekania a vytvrdzovania môžu dosiahnuť cieľovú hrúbku, pričom sa vyhnú bublinám a dutinám, ktoré by inak poškodili výťažnosť izolácie.

Prečo sa architektúra neustále vyvíja

Každá etapa tejto histórie, od prirodzeného chladenia cez otvory cez dve desaťročia chladenia na spodnej strane až po dnešné chladenie na hornej strane s tepelne vodivým izolačným povlakom, sleduje rovnakú základnú logiku: skrátiť tepelnú cestu, znížiť počet rozhraní, vyvážiť izoláciu proti rozptylu tepla a prispôsobiť sa menším zariadeniam. S rozširovaním SiC a napäťovými platformami vozidiel presahujúcimi 800 V je čoraz ťažšie ignorovať limity viacvrstvových podložiek a keramických dosiek a párovanie povlak-plus-TIM sa ukazuje ako praktická cesta vpred pre kompaktné elektrické pohonné jednotky s vysokou hustotou výkonu.

Nahrádza tepelne vodivý izolačný povlak úplne tepelnú pastu alebo podložky?

Nie. Náter aj po vytvrdnutí zanecháva mikroskopické povrchové nerovnosti, takže TIM, ako je tepelná pasta alebo tepelná podložka, zostáva nevyhnutná na vyplnenie konečnej vzduchovej medzery na rozhraní.

Prečo bolo pre zariadenia SiC a GaN potrebné chladenie na hornej strane?

Zariadenia so širokým pásmovým odstupom sa prepínajú rýchlejšie, bežia pri vyššom napätí a zaberajú viac energie na menšiu plochu ako staršie kremíkové diely a chladenie na spodnej strane cez PCB už nedokázalo držať krok s teplom, ktoré tieto zariadenia vytvárajú.

Aká je hlavná výhoda spoľahlivosti povlaku oproti keramickej izolačnej doske?

Povlak vytvára skôr chemickú väzbu na povrch chladiča, než by sa spoliehal na fyzický kontakt, a jeho epoxidová matrica nemá riziko praskania keramiky, takže lepšie odoláva vibráciám a tepelným cyklom automobilovej triedy.

Môže tepelne vodivý izolačný povlak pokryť nepravidelné alebo zakrivené povrchy zariadenia?

áno. Pretože sa nanáša striekaním a nie ako vopred narezaný list, dokáže úplne obaliť zakrivené povrchy, drážky a malé geometrie horného chladiaceho zariadenia v jedinom kroku procesu.