TSC Güç Modülleri için Termal İletken Yalıtım Kaplaması

Termal olarak iletken bir yalıtım kaplaması, yüksek voltajlı dielektrik koruma ve düz bir montaj yüzeyi sağlayan, ikincil bir fayda olarak termal iletim sağlayan işlevsel bir yalıtım taban malzemesidir. Termal arayüz malzemesinden (TIM) farklı olarak, arayüzey hava boşluklarını tek başına ortadan kaldıramaz, bu nedenle tek başına bir değişim yerine bir TIM katmanıyla birlikte uygulanır.

Kaplamalar ve TIM'ler Arasındaki Karışıklık Neden Devam Ediyor?

Yapay zeka bilgi işlem patlamasıyla birlikte termal arayüz malzemelerine olan talep de keskin bir şekilde arttı ve Nvidia'nın bile en yüksek güçlü yongaları için elmas bazlı termal malzemeleri değerlendirdiği bildirildi. Bu büyümenin ortasında, daha yeni bir kategori olan termal iletken yalıtım kaplaması pazara girdi ve sıklıkla TIM'in alternatifi olarak algılanıyor.

İki malzeme farklı işlere hizmet ediyor. Termal ped veya gres gibi bir TIM, temel görevi iki eşleşen yüzey arasındaki hava boşluğunu ortadan kaldırmak olan saf bir arayüz dolgusudur. Termal olarak iletken bir yalıtım kaplaması, işlevsel bir yalıtım alt tabakasıdır: temel değeri, yüksek voltaj izolasyonu ve cihaz veya soğutucu için düzleştirilmiş bir tabandır. Sertleştikten sonra kaplama yüzeyi hala mikroskobik tepeler ve çukurlar taşıyor, dolayısıyla sistem düzeyinde verimli ısı transferi sağlamak için bunun üzerinde yine bir TIM katmanına ihtiyaç duyuluyor.

Birinci Aşama: Açık Delikli Paketlerde Doğal Soğutma

Yüzeye montaj teknolojisi standart hale gelmeden önce, güç cihazları TO serisi gibi açık delikli paketler kullanıyordu. Isı, çipten metal bir çerçeve boyunca iletildi, pimler boyunca PCB boyunca ve son olarak harici bir soğutucuya ulaştı.

Termal arayüz malzemeleri bu aşamada hala ilkeldi. Mühendisler, ısı yayılımından ziyade yalıtım amacıyla sıradan çinko oksit veya alüminyum oksit parçacıklarıyla doldurulmuş basit silikon bazlı termal grese güvendiler. Cihaz güç seviyeleri, ince pim kesitlerinin yüksek direnç oluşturmasına ve akımlar arttıkça çok az boşluk payı bırakmasına rağmen, TO paketinin watt başına 50 ila 80 santigrat derecelik termal direncinin hala kabul edilebilir olmasına yetecek kadar düşüktü.

İkinci Aşama: Yirmi Yıllık Alt Taraf Soğutma

Güç kaynaklarının ve motor sürücülerinin değiştirilmesi güç yoğunluğunu artırdıkça endüstri, PCB'nin kendisini birinci aşama soğutucu olarak kullanarak alt taraf soğutmaya (BSC) yöneldi. Bu mimari, üç nesil boyunca yaklaşık yirmi yıl boyunca güç ambalajına hakim oldu.

TIM teknolojisi bu paketlerle birlikte olgunlaştı. Standart termal gres her yerde yaygın hale geldi, faz değişim malzemeleri, daha iyi yüzey uyumu ve pompalama olmadan 5 ila 10 W/m·K iletkenlik için 45 ila 60 santigrat dereceye yakın yumuşayan, oda sıcaklığında katı bir seçenek olarak kullanıma girdi ve alümina veya bor nitrür dolgulu silikon veya akrilat bazlar üzerine inşa edilen termal pedler, dolgu yükü arttıkça 6 ila 16 W/m·K'ye ulaştı.

Üçüncü Aşama: Geniş Bant Aralıklı Cihazlar için Üst Taraf Soğutma

Daha yüksek anahtarlama hızları, voltaj değerleri ve güç yoğunluklarıyla silisyum karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN) cihazlarının yükselişi, alt taraf soğutmasının sınırlarını ortaya çıkardı. Sektörün tepkisi üst taraf soğutma (TSC) oldu: paketin üst kısmındaki açıkta kalan metal plaka, PCB'yi tamamen atlayarak doğrudan bir soğutucuya veya soğuk plakaya bağlanıyor.

Termal İletken Yalıtım Kaplaması Yığını Nasıl Değiştirir?

Bu sandviçi basitleştirmek için endüstri, entegre bir yalıtım artı iletken malzeme olarak su bazlı epoksi termal iletken yalıtım kaplaması geliştirdi. Amaç, bir TIM katmanını ve seramik yalıtım levhasını tek bir kaplamayla değiştirerek yeni bir ısı yolu oluşturmaktır: çip, bir TIM katmanı, üst tarafta termal olarak iletken yalıtım kaplaması, ardından su soğutmalı plaka veya soğutucu.

Üretim Sınıfı Kaplamalar Bugün Nasıl Görünüyor?

2022 yılından bu yana 800V elektrikli araç platformlarının artmasıyla birlikte TSC ambalajları da su bazlı epoksi kaplama teknolojisinin yanı sıra seri üretim olgunluğuna ulaştı. MEPCOAT'ın MEP 3700 serisi, 2 W/m·K termal iletkenliğini 3.000 ila 6.000 V yüksek voltaj yalıtımı, güçlü arayüzey yapışması ve otomotiv sınıfı güvenilirliği tek bir katmanla birleştiren temsili bir üründür.

Binlerce sıcaklık döngüsü ve 96 saatlik tuz spreyine maruz kalma boyunca otomotiv sınıfı doğrulamanın ötesinde, bu kaplamalar hassas kalınlık kontrolünü destekler: tek bir geçişte beş mikron kadar küçük bir kalınlık oluşabilir veya ardışık püskürtme ve kürleme döngüleri, izolasyon verimine zarar verecek kabarcıkları ve boşlukları önlerken hedef kalınlığa kadar birikebilir.

Mimarlık Neden Gelişmeye Devam Ediyor?

Delik içinden doğal soğutmadan yirmi yıllık alt taraf soğutmaya ve günümüzün termal iletken yalıtım kaplamalı üst taraf soğutmasına kadar bu geçmişin her aşaması, aynı temel mantığı izler: ısı yolunu kısaltın, arayüz sayısını azaltın, ısı dağıtımına karşı yalıtımı dengeleyin ve daha küçük cihazlara uyum sağlayın. SiC'nin benimsenmesi yaygınlaştıkça ve araç voltaj platformları 800V'u aştıkça, çok katmanlı pedlerin ve seramik levhaların sınırlarının göz ardı edilmesi zorlaşıyor ve kompakt, yüksek güç yoğunluklu elektrikli tahrik üniteleri için pratik yol olarak kaplama artı TIM eşleştirmesi ortaya çıkıyor.

Termal olarak iletken bir yalıtım kaplaması, termal yağın veya pedlerin yerini tamamen alır mı?

Hayır. Kaplama kürlendikten sonra da mikroskobik yüzey düzensizlikleri bırakır, dolayısıyla termal gres veya termal ped gibi bir TIM, son arayüzey hava boşluğunu doldurmak için gerekli kalır.

SiC ve GaN cihazları için neden üst taraftan soğutma gerekli hale geldi?

Geniş bant aralıklı cihazlar daha hızlı geçiş yapar, daha yüksek voltajda çalışır ve eski silikon parçalara göre daha küçük bir alana daha fazla güç sığdırır ve PCB aracılığıyla alt taraftaki soğutma, artık bu cihazların ürettiği ısıya ayak uyduramaz.

Kaplamanın seramik yalıtım levhasına göre temel güvenilirlik avantajı nedir?

Kaplama, fiziksel temasa dayanmak yerine soğutucu yüzeyinde kimyasal bir bağ oluşturur ve epoksi matrisinin seramik gevrek çatlama riski yoktur, bu nedenle otomotiv sınıfı titreşim ve termal döngü altında daha iyi dayanır.

Termal olarak iletken bir yalıtım kaplaması düzensiz veya kavisli cihaz yüzeylerini kaplayabilir mi?

Evet. Önceden kesilmiş bir tabaka yerine spreyle uygulandığı için kavisli yüzeyleri, oyukları ve üst taraftaki küçük soğutma cihazı geometrilerini tek bir işlem adımında tamamen sarabilir.