Termiskt ledande isolerande beläggning för TSC Power Modules

En termiskt ledande isolerande beläggning är ett funktionellt isolerande basmaterial som ger dielektriskt högspänningsskydd och en plan monteringsyta, med värmeledning som en sekundär fördel. Till skillnad från ett termiskt gränssnittsmaterial (TIM) kan det inte eliminera luftgap i gränssnittet på egen hand, så det appliceras tillsammans med ett TIM-skikt snarare än som en fristående ersättning.

Varför förvirringen mellan beläggningar och TIMs kvarstår

Efterfrågan på termiska gränssnittsmaterial har klättrat kraftigt tillsammans med AI-beräkningsboomen, med rapporter om att till och med Nvidia utvärderar diamantbaserade termiska material för sina högsta effektchips. Mitt i denna tillväxt har en nyare kategori, termiskt ledande isolerande beläggning, kommit in på marknaden och förväxlas ofta med en drop-in TIM-ersättning.

De två materialen tjänar olika jobb. En TIM, som en termisk dyna eller fett, är ett rent gränssnittsfyllmedel vars kärnuppgift är att ta bort luftgapet mellan två mot varandra passande ytor. En termiskt ledande isolerande beläggning är ett funktionellt isolerande substrat: dess kärnvärde är högspänningsisolering och en tillplattad bas för enheten eller kylflänsen. När beläggningen har härdats bär den fortfarande mikroskopiska toppar och dalar, så det krävs fortfarande ett TIM-skikt ovanpå den för att uppnå effektiv värmeöverföring på systemnivå.

Steg ett: Naturlig kylning i genomgående hålpaket

Innan ytmonteringsteknik blev standard använde kraftenheter genomgående hålpaket som TO-serien. Värme gick från chipet genom en metallram, ut genom stiften, över PCB:n och slutligen in i en extern kylfläns.

Termiska gränssnittsmaterial var fortfarande primitiva i detta skede. Ingenjörer förlitade sig på enkelt silikonbaserat termiskt fett fyllt med vanliga zinkoxid- eller aluminiumoxidpartiklar, främst för isolering snarare än värmespridning. Enhetens effektnivåer var tillräckligt låga för att ett TO-pakets termiskt motstånd på 50 till 80 grader Celsius per watt fortfarande var acceptabelt, även om tunna stifttvärsnitt skapade högt motstånd och lämnade lite utrymme när strömmarna ökade.

Steg två: Två decennier av kylning på botten

När byte av strömförsörjning och motordrift ökade effekttätheten övergick industrin till nedkylning (BSC) och använde själva kretskortet som ett förstastegs kylfläns. Denna arkitektur dominerade kraftpaket i ungefär tjugo år över tre generationer.

TIM-tekniken mognade i takt med dessa paket. Standard termiskt fett blev allmänt förekommande, fasförändringsmaterial började användas som ett fast vid rumstemperatur alternativ som mjuknar nära 45 till 60 grader Celsius för bättre ytöverensstämmelse och konduktivitet på 5 till 10 W/m·K utan utpumpning, och termiska kuddar byggda på silikon- eller akrylatbaser med boron nitride-16 eller 6-aluminiumoxid eller W-fyllmedel. fyllnadsmängden ökade.

Steg tre: Kylning på ovansidan för enheter med breda band

Ökningen av kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) enheter, med sina högre kopplingshastigheter, spänningsklasser och effekttätheter, exponerade gränserna för kylning på bottensidan. Branschens svar var kylning på ovansidan (TSC): en exponerad metallplatta på förpackningens ovansida ansluts direkt till en kylfläns eller en kall platta och kringgår kretskortet helt.

Hur en termiskt ledande isolerande beläggning förändrar stapeln

För att förenkla denna sandwich utvecklade industrin vattenburen epoxi värmeledande isolerande beläggning som ett integrerat isolerings-plus-ledningsmaterial. Målet är att ersätta ett TIM-skikt och en keramisk isoleringsskiva med en enda beläggning, vilket ger en ny värmebana: chip, ett TIM-skikt, värmeledande isoleringsbeläggning på ovansidan, sedan den vattenkylda plattan eller kylflänsen.

Hur produktionsklassade beläggningar ser ut idag

Sedan 2022, när 800V elfordonsplattformar skalade upp, nådde TSC-förpackningar massproduktionsmognad tillsammans med vattenburen epoxibeläggningsteknik. MEPCOATs MEP 3700-serie är en representativ produkt, som kombinerar en värmeledningsförmåga på 2 W/m·K med 3 000 till 6 000 V högspänningsisolering, stark gränssnittsvidhäftning och tillförlitlighet av fordonskvalitet i ett enda lager.

Utöver validering av fordonskvalitet över tusentals temperaturcykler och 96 timmars exponering för saltspray, stöder dessa beläggningar exakt tjocklekskontroll: en enda passage kan lägga ner så lite som fem mikron, eller på varandra följande spray-och-härdningscykler kan byggas upp till en måltjocklek samtidigt som de undviker bubblor och håligheter som annars skulle skada isoleringskapaciteten.

Varför arkitekturen fortsätter att utvecklas

Varje steg i denna historia, från naturlig kylning genom hålet till två decennier av kylning på bottensidan till dagens kylning på ovansidan med termiskt ledande isolerande beläggning, följer samma underliggande logik: förkorta värmevägen, minska antalet gränssnitt, balansera isolering mot värmeavledning och anpassa till mindre enheter. När SiC-användningen sprider sig och fordonsspänningsplattformar går förbi 800V, blir gränserna för flerskiktsdynor och keramiska skivor svårare att ignorera, och beläggning-plus-TIM-parning dyker upp som den praktiska vägen framåt för kompakta elektriska drivenheter med hög effekttäthet.

Ersätter en termiskt ledande isolerande beläggning termiskt fett eller kuddar helt?

Nej. En beläggning lämnar fortfarande mikroskopiska ytojämnheter efter härdning, så en TIM som termiskt fett eller en termisk dyna förblir nödvändig för att fylla det slutliga luftgapet i gränsytan.

Varför blev kylning på ovansidan nödvändig för SiC- och GaN-enheter?

Enheter med stort bandgap växlar snabbare, körs med högre spänning och packar mer kraft i ett mindre fotavtryck än äldre kiseldelar, och kylning på undersidan genom PCB kunde inte längre hålla jämna steg med värmen som dessa enheter genererar.

Vilken är den största tillförlitlighetsfördelen med en beläggning jämfört med en keramisk isoleringsskiva?

Beläggningen bildar en kemisk bindning till kylflänsens yta snarare än att förlita sig på fysisk kontakt, och dess epoximatris har ingen risk för keramisk sprödsprickning, så den håller bättre vid vibrationer och termisk cykling av fordon.

Kan en värmeledande isolerande beläggning täcka oregelbundna eller krökta anordningsytor?

Ja. Eftersom det appliceras med spruta snarare än som ett förskuret ark, kan det helt omsluta krökta ytor, spår och små kylanordningsgeometrier på ovansidan i ett enda processsteg.