Lämpöä johtava eristävä pinnoite TSC-tehomoduuleille

Lämpöä johtava eristävä pinnoite on toimiva eristävä pohjamateriaali, joka tarjoaa korkeajännitteisen dielektrisen suojan ja tasaisen asennuspinnan, jonka toissijaisena etuna on lämmönjohtavuus. Toisin kuin lämpörajapintamateriaali (TIM), se ei pysty poistamaan rajapintojen ilmarakoja yksinään, joten se levitetään yhdessä TIM-kerroksen kanssa eikä itsenäisenä korvaavana.

Miksi pinnoitteiden ja TIM:ien välinen sekaannus jatkuu?

Lämpöliitäntämateriaalien kysyntä on noussut jyrkästi tekoälyn laskentabuumin ohella, ja jopa Nvidia arvioi timanttipohjaisia lämpömateriaaleja tehokkaimmille siruilleen. Tämän kasvun keskellä uudempi kategoria, lämpöä johtava eristävä pinnoite, on tullut markkinoille, ja sitä pidetään usein erehtyvänä TIM-korvikkeena.

Nämä kaksi materiaalia palvelevat eri tehtäviä. TIM, kuten lämpötyyny tai rasva, on puhdas rajapinnan täyteaine, jonka ydintehtävä on poistaa ilmarako kahden yhteensopivan pinnan välillä. Lämpöä johtava eristävä pinnoite on toimiva eristävä substraatti: sen ydinarvo on korkeajänniteeristys ja litistetty pohja laitteelle tai jäähdytyselementille. Kun pinnoitteen pinta on kovettunut, siinä on edelleen mikroskooppisia huippuja ja laaksoja, joten sen päälle tarvitaan edelleen TIM-kerros tehokkaan järjestelmätason lämmönsiirron saavuttamiseksi.

Vaihe yksi: Luonnollinen jäähdytys läpireikäpakkauksissa

Ennen kuin pinta-asennustekniikasta tuli standardi, teholaitteet käyttivät läpirei'itä paketteja, kuten TO-sarjaa. Lämpö kulki sirusta metallisen johtokehyksen läpi, ulos nastojen kautta piirilevyn läpi ja lopulta ulkoiseen jäähdytyselementtiin.

Lämpörajapintamateriaalit olivat vielä alkukantaisia ​​tässä vaiheessa. Insinöörit luottivat yksinkertaiseen silikonipohjaiseen lämpörasvaan, joka oli täytetty tavallisilla sinkkioksidi- tai alumiinioksidihiukkasilla, pääasiassa eristykseen lämmön levittämisen sijaan. Laitteen tehotasot olivat riittävän alhaiset, jotta TO-paketin lämpövastus 50-80 astetta wattia kohden oli edelleen hyväksyttävä, vaikka ohuet pintojen poikkileikkaukset loivat suuren vastuksen ja jättivät vähän tilaa virtojen kasvaessa.

Toinen vaihe: Kaksi vuosikymmentä pohjapuolen jäähdytystä

Kun hakkuriteholähteet ja moottorikäytöt nostivat tehotiheyttä, teollisuus siirtyi alapuolen jäähdytykseen (BSC) käyttämällä itse piirilevyä ensimmäisen vaiheen jäähdytyselementtinä. Tämä arkkitehtuuri hallitsi tehopakkauksia noin kahdenkymmenen vuoden ajan kolmen sukupolven ajan.

TIM-tekniikka kehittyi näiden pakettien mukana. Vakiolämpörasva yleistyi, faasinmuutosmateriaaleja otettiin käyttöön kiinteänä huoneenlämmössä vaihtoehtona, joka pehmenee lähes 45-60 celsiusastetta parantaakseen pinnan mukautumista ja johtavuutta 5-10 W/m·K ilman pumppausta, ja lämpötyynyjä, jotka rakennettiin silikoni- tai akrylaattipohjalle ja täyteaineena alumiinioksidia tai boori-6 mm täyteainetta 6 mm nitridi. kuormitus lisääntynyt.

Kolmas vaihe: yläpuolen jäähdytys laajakaistalaitteille

Piikarbidi- (SiC) ja galliumnitridi (GaN) -laitteiden nousu niiden korkeampien kytkentänopeuksien, jännitearvojen ja tehotiheyksien kanssa paljasti pohjapuolen jäähdytyksen rajat. Alan vastaus oli yläpuolen jäähdytys (TSC): pakkauksen päällä oleva paljas metallilevy liitetään suoraan jäähdytyselementtiin tai kylmälevyyn ohittaen piirilevyn kokonaan.

Kuinka lämpöä johtava eristävä pinnoite muuttaa pinon

Yksinkertaistaakseen tätä kerrosta teollisuus kehitti vesiohenteisen lämpöä johtavan epoksipinnoitteen integroiduksi eristys-plus-johtavaksi materiaaliksi. Tavoitteena on korvata yksi TIM-kerros ja keraaminen eristelevy yhdellä pinnoitteella, jolloin syntyy uusi lämpötie: lastu, yksi TIM-kerros, yläpuolen lämpöä johtava eristepinnoite, sitten vesijäähdytteinen levy tai jäähdytyselementti.

Miltä tuotantolaatuiset pinnoitteet näyttävät nykyään

Vuodesta 2022 lähtien, kun 800 V sähköajoneuvojen alustat laajenivat, TSC-pakkaukset saavuttivat massatuotannon kypsyyden vesiohenteisen epoksipinnoitustekniikan rinnalla. MEPCOATin MEP 3700 -sarja on yksi edustava tuote, jossa yhdistyvät 2 W/m·K lämmönjohtavuus 3 000–6 000 V suurjänniteeristykseen, vahva pintojen tarttuvuus ja autoluokan luotettavuus yhdessä kerroksessa.

Autoteollisuuden tuhansien lämpötilasyklejen ja 96 tunnin suolasuihkualtistuksen lisäksi nämä pinnoitteet tukevat tarkkaa paksuuden hallintaa: yhdellä kierrolla voi olla jopa viisi mikronia tai peräkkäiset ruiskutus- ja kovetusjaksot voivat muodostua tavoitepaksuudeksi välttäen samalla kuplia ja onteloita, jotka muutoin heikentäisivät eristystehoa.

Miksi arkkitehtuuri kehittyy jatkuvasti

Tämän historian jokainen vaihe, läpireiän luonnollisesta jäähdytyksestä kahden vuosikymmenen pohjapuolen jäähdytykseen nykypäivän yläpuolen jäähdytykseen lämpöä johtavalla eristävällä pinnoitteella, noudattaa samaa taustalla olevaa logiikkaa: lyhennä lämpöpolkua, leikkaa liitäntöjen määrää, tasapainottaa eristystä lämmön haihtumista vastaan ja mukautuu pienempiin laitteisiin. Kun piikarbidin käyttöönotto yleistyy ja ajoneuvojen jännitealustat ylittävät 800 V:n, monikerroksisten tyynyjen ja keraamisten levyjen rajoja on vaikeampi jättää huomiotta, ja pinnoite-plus-TIM-pariliitos on nousemassa käytännölliseksi tieksi kompakteille, suuritehotiheyksisille sähkökäyttöyksiköille.

Korvaako lämpöä johtava eristävä pinnoite lämpörasvan tai -tyynyt kokonaan?

Ei. Pinnoite jättää edelleen mikroskooppisia pinnan epätasaisuuksia kovettumisen jälkeen, joten TIM, kuten lämpörasva tai lämpötyyny, on edelleen tarpeen viimeisen rajapinnan ilmaraon täyttämiseksi.

Miksi yläpuolen jäähdytys tuli tarpeelliseksi SiC- ja GaN-laitteille?

Laajakaistaiset laitteet kytkeytyvät nopeammin, toimivat korkeammalla jännitteellä ja pakkaavat enemmän tehoa pienemmälle jalanjäljelle kuin vanhat piiosat, ja alapuolen jäähdytys piirilevyn kautta ei enää pystyisi pysymään näiden laitteiden tuottaman lämmön tahdissa.

Mikä on pinnoitteen tärkein luotettavuusetu keraamiseen eristelevyyn verrattuna?

Pinnoite muodostaa kemiallisen sidoksen jäähdytyselementin pintaan fyysisen kosketuksen sijasta, eikä sen epoksimatriisilla ole keraamisen haurastumisriskiä, ​​joten se kestää paremmin autojen tärinää ja lämpökiertoa.

Voiko lämpöä johtava eristävä pinnoite peittää epäsäännölliset tai kaarevat laitepinnat?

Kyllä. Koska se levitetään ruiskulla eikä valmiiksi leikattuna levynä, se voi kääriä kaarevat pinnat, urat ja pienet yläpuolen jäähdytyslaitteen geometriat yhdessä prosessivaiheessa.