Теплопроводящее изолирующее покрытие для силовых модулей TSC

Теплопроводящее изоляционное покрытие представляет собой функциональный изолирующий базовый материал, который обеспечивает диэлектрическую защиту высокого напряжения и плоскую монтажную поверхность, а теплопроводность является второстепенным преимуществом. В отличие от термоинтерфейсного материала (ТИМ), он не может самостоятельно устранить межфазные воздушные зазоры, поэтому его применяют вместе со слоем ТИМ, а не в качестве отдельной замены.

Почему путаница между покрытиями и TIM сохраняется

Спрос на материалы для термоинтерфейсов резко вырос вместе с бумом вычислений в области искусственного интеллекта: появились сообщения о том, что даже Nvidia оценивает тепловые материалы на основе алмазов для своих самых мощных чипов. На фоне этого роста на рынок вышла новая категория — теплопроводное изоляционное покрытие, которую часто ошибочно принимают за замену ТИМ.

Эти два материала служат разным задачам. TIM, такой как термопрокладка или смазка, представляет собой чистый наполнитель интерфейса, основной задачей которого является удаление воздушного зазора между двумя сопрягаемыми поверхностями. Теплопроводящее изоляционное покрытие представляет собой функциональную изолирующую подложку: его основное значение — высоковольтная изоляция и уплощенное основание для устройства или радиатора. После отверждения поверхность покрытия по-прежнему имеет микроскопические выступы и впадины, поэтому для достижения эффективной теплопередачи на уровне системы поверх нее по-прежнему требуется слой TIM.

Этап первый: естественное охлаждение в корпусах со сквозными отверстиями

До того, как технология поверхностного монтажа стала стандартной, в силовых устройствах использовались корпуса со сквозными отверстиями, такие как серия TO. Тепло распространялось от чипа через металлический выводной каркас, через контакты, через печатную плату и, наконец, во внешний радиатор.

На этом этапе материалы термоинтерфейса все еще были примитивными. Инженеры полагались на простую термопасту на основе силикона, наполненную обычными частицами оксида цинка или оксида алюминия, в основном для изоляции, а не для распространения тепла. Уровни мощности устройства были достаточно низкими, поэтому тепловое сопротивление корпуса TO от 50 до 80 градусов Цельсия на ватт все еще было приемлемым, даже несмотря на то, что тонкие поперечные сечения выводов создавали высокое сопротивление и оставляли мало запаса по мере увеличения тока.

Этап второй: два десятилетия охлаждения снизу

Поскольку импульсные источники питания и приводы двигателей увеличили удельную мощность, отрасль перешла на охлаждение нижней стороны (BSC), используя саму печатную плату в качестве радиатора первой ступени. Эта архитектура доминировала в силовых агрегатах в течение примерно двадцати лет в трех поколениях.

Технология TIM развивалась вместе с этими пакетами. Стандартная термопаста стала повсеместной, материалы с фазовым переходом стали использоваться в качестве твердого варианта при комнатной температуре, который размягчается при температуре от 45 до 60 градусов по Цельсию для лучшего соответствия поверхности и проводимости от 5 до 10 Вт/м·К без откачки, а термопрокладки на силиконовой или акриловой основе с наполнителями из оксида алюминия или нитрида бора достигали 6–16 Вт/м·К по мере увеличения нагрузки наполнителя.

Этап третий: верхнее охлаждение широкозонных устройств

Появление устройств из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) с их более высокими скоростями переключения, номинальными напряжениями и плотностью мощности выявило ограничения охлаждения нижней стороны. Ответом отрасли стало охлаждение сверху (TSC): открытая металлическая пластина в верхней части корпуса соединяется непосредственно с радиатором или охлаждающей пластиной, полностью минуя печатную плату.

Как теплопроводящее изоляционное покрытие меняет стопку

Чтобы упростить этот сэндвич, промышленность разработала водоразбавляемое эпоксидное теплопроводящее изоляционное покрытие в качестве интегрированного изоляционно-проводящего материала. Цель состоит в том, чтобы заменить один слой TIM и керамический изолирующий лист одним покрытием, создав новый тепловой путь: чип, один слой TIM, теплопроводное изолирующее покрытие верхней стороны, затем пластину с водяным охлаждением или радиатор.

Как сегодня выглядят промышленные покрытия

С 2022 года, по мере расширения платформ электромобилей с напряжением 800 В, упаковка TSC достигла зрелости массового производства наряду с технологией эпоксидного покрытия на водной основе. Серия MEP 3700 компании MEPCOAT представляет собой представительный продукт, сочетающий в себе теплопроводность 2 Вт/м·К с высоковольтной изоляцией от 3000 до 6000 В, сильную межфазную адгезию и надежность автомобильного уровня в одном слое.

Помимо проверки автомобильного уровня в тысячах температурных циклов и 96-часовом воздействии солевого тумана, эти покрытия поддерживают точный контроль толщины: за один проход можно уложить всего пять микрон, а последовательные циклы распыления и отверждения могут нарастить целевую толщину, избегая при этом пузырьков и пустот, которые в противном случае могли бы ухудшить качество изоляции.

Почему архитектура продолжает развиваться

Каждый этап этой истории, от естественного охлаждения через сквозные отверстия до двух десятилетий охлаждения нижней стороны и сегодняшнего охлаждения верхней стороны с теплопроводящим изолирующим покрытием, следует одной и той же базовой логике: сократить путь прохождения тепла, сократить количество интерфейсов, сбалансировать изоляцию и рассеивание тепла и адаптироваться к устройствам меньшего размера. По мере того, как распространение SiC распространяется, а напряжение платформ транспортных средств превышает 800 В, ограничения многослойных колодок и керамических листов становится все труднее игнорировать, а сочетание покрытия и TIM становится практическим путем вперед для компактных электроприводов с высокой плотностью мощности.

Заменяет ли теплопроводящее изоляционное покрытие полностью термопасту или прокладки?

Нет. После отверждения покрытие по-прежнему оставляет микроскопические неровности на поверхности, поэтому для заполнения окончательного межфазного воздушного зазора остается необходимым применение термопасты или термопрокладки.

Почему охлаждение верхней части стало необходимым для устройств на основе SiC и GaN?

Устройства с широкой полосой пропускания переключаются быстрее, работают при более высоком напряжении и вмещают больше энергии, занимая меньшую площадь, чем устаревшие кремниевые детали, а охлаждение нижней стороны печатной платы больше не может идти в ногу с теплом, генерируемым этими устройствами.

В чем основное преимущество покрытия по надежности перед керамическим изоляционным листом?

Покрытие образует химическую связь с поверхностью радиатора, а не основано на физическом контакте, а его эпоксидная матрица не подвержена риску хрупкого растрескивания керамики, поэтому оно лучше выдерживает автомобильную вибрацию и термоциклирование.

Может ли теплопроводящее изолирующее покрытие покрывать неровные или изогнутые поверхности устройства?

Да. Поскольку он наносится распылением, а не предварительно нарезанным листом, он может полностью обертывать изогнутые поверхности, канавки и небольшие геометрические конструкции верхних охлаждающих устройств за один технологический этап.