پوشش عایق رسانای حرارتی برای ماژول های برق TSC

پوشش عایق رسانای حرارتی یک ماده پایه عایق عملکردی است که حفاظت دی الکتریک با ولتاژ بالا و یک سطح نصب صاف را فراهم می کند و رسانایی حرارتی به عنوان یک مزیت ثانویه است. برخلاف مواد واسط حرارتی (TIM)، نمی تواند به تنهایی شکاف های هوای سطحی را از بین ببرد، بنابراین به جای جایگزینی مستقل، همراه با یک لایه TIM اعمال می شود.

چرا سردرگمی بین پوشش ها و TIM ها ادامه دارد؟

تقاضا برای مواد رابط حرارتی در کنار رونق محاسباتی هوش مصنوعی به شدت افزایش یافته است، با گزارش‌هایی مبنی بر اینکه حتی انویدیا در حال ارزیابی مواد حرارتی مبتنی بر الماس برای تراشه‌های پرقدرت خود است. در میان این رشد، یک دسته جدیدتر، پوشش عایق رسانای حرارتی، وارد بازار شده است و اغلب با یک جایگزین TIM اشتباه گرفته می شود.

این دو ماده در خدمت کارهای متفاوتی هستند. TIM، مانند پد حرارتی یا گریس، یک پرکننده رابط خالص است که وظیفه اصلی آن حذف شکاف هوا بین دو سطح جفت‌گیری است. یک پوشش عایق رسانای حرارتی یک بستر عایق کاربردی است: ارزش اصلی آن عایق ولتاژ بالا و یک پایه صاف برای دستگاه یا هیت سینک است. پس از پخت، سطح پوشش همچنان دارای قله‌ها و دره‌های میکروسکوپی است، بنابراین یک لایه TIM همچنان در بالای آن برای دستیابی به انتقال حرارت کارآمد در سطح سیستم مورد نیاز است.

مرحله اول: خنک کننده طبیعی در بسته های سوراخ دار

قبل از اینکه فناوری نصب روی سطح استاندارد شود، دستگاه های برقی از بسته های سوراخ دار مانند سری TO استفاده می کردند. گرما از تراشه از طریق یک قاب فلزی، از طریق پین‌ها، از طریق PCB و در نهایت به یک هیت سینک خارجی منتقل می‌شد.

مواد رابط حرارتی در این مرحله هنوز ابتدایی بودند. مهندسان به گریس حرارتی ساده مبتنی بر سیلیکون پر از اکسید روی معمولی یا ذرات اکسید آلومینیوم، عمدتاً برای عایق‌سازی و نه پخش گرما، تکیه کردند. سطوح توان دستگاه به اندازه‌ای کم بود که مقاومت حرارتی پکیج TO بین 50 تا 80 درجه سانتی‌گراد بر وات همچنان قابل قبول بود، حتی اگر مقطع پین نازک مقاومت بالایی ایجاد می‌کرد و با افزایش جریان، فضای کمی برای سر ایجاد می‌کرد.

مرحله دوم: دو دهه خنک سازی از پایین

همانطور که منابع تغذیه سوئیچینگ و درایوهای موتور چگالی توان را بالاتر می بردند، صنعت به سمت خنک کننده پایین (BSC) تغییر مکان داد و از خود PCB به عنوان هیت سینک مرحله اول استفاده کرد. این معماری تقریباً بیست سال در سه نسل بر بسته‌بندی قدرت تسلط داشت.

فناوری TIM همگام با این بسته ها به بلوغ رسید. گریس حرارتی استاندارد در همه جا حاضر شد، مواد تغییر فاز به عنوان یک گزینه جامد در دمای اتاق استفاده شدند که تقریباً در دمای 45 تا 60 درجه سانتیگراد نرم می شود تا انطباق سطح بهتر و رسانایی 5 تا 10 W/m·K بدون پمپ خارج شود، و لنت های حرارتی ساخته شده بر روی پایه های سیلیکونی یا آکریلات با پرکننده های آلومینیومی 6. بارگذاری افزایش یافت

مرحله سوم: خنک‌سازی از بالا برای دستگاه‌های باندگپ گسترده

ظهور دستگاه‌های کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیوم (GaN)، با سرعت سوئیچینگ بالاتر، رتبه‌بندی ولتاژ و چگالی توان، محدودیت‌های خنک‌کننده پایین را آشکار کرد. واکنش صنعت خنک‌سازی از سمت بالا (TSC) بود: یک صفحه فلزی در معرض دید روی بسته‌بندی مستقیماً به یک هیت سینک یا صفحه سرد متصل می‌شود و به طور کامل PCB را دور می‌زند.

چگونه یک پوشش عایق رسانای حرارتی پشته را تغییر می دهد

برای ساده کردن این ساندویچ، صنعت پوشش عایق رسانای حرارتی اپوکسی متشکل از آب را به عنوان یک ماده عایق و رسانا یکپارچه توسعه داد. هدف جایگزینی یک لایه TIM و یک ورق عایق سرامیکی با یک پوشش واحد است که یک مسیر حرارتی جدید ایجاد می کند: تراشه، یک لایه TIM، پوشش عایق رسانای حرارتی سمت بالا، سپس صفحه یا هیت سینک خنک شده با آب.

پوشش های درجه تولید امروز چگونه به نظر می رسند

از سال 2022، با افزایش مقیاس سکوهای خودروهای الکتریکی 800 ولت، بسته بندی TSC به بلوغ تولید انبوه در کنار فناوری پوشش اپوکسی موجود در آب رسید. سری MEP 3700 MEPCOAT یک محصول معرف است که رسانایی حرارتی 2 W/m·K با 3000 تا 6000 ولت عایق ولتاژ بالا، چسبندگی سطحی قوی و قابلیت اطمینان در سطح خودرو را در یک لایه ترکیب می‌کند.

فراتر از اعتبارسنجی درجه خودرو در هزاران چرخه دما و 96 ساعت قرار گرفتن در معرض اسپری نمک، این پوشش‌ها از کنترل دقیق ضخامت پشتیبانی می‌کنند: یک پاس تنها می‌تواند به اندازه 5 میکرون باقی بماند، یا چرخه‌های متوالی اسپری و پخت می‌تواند تا ضخامت هدف ایجاد شود و در عین حال از حباب‌ها و حفره‌هایی که در غیر این صورت باعث ایجاد آسیب می‌شوند، جلوگیری می‌کند.

چرا معماری همچنان در حال تکامل است

هر مرحله از این تاریخ، از خنک‌سازی طبیعی از طریق سوراخ تا دو دهه خنک‌سازی از سمت پایین تا خنک‌سازی سمت بالا امروزی با پوشش عایق رسانای حرارتی، از همان منطق زیربنایی پیروی می‌کند: کوتاه کردن مسیر گرما، قطع تعداد رابط‌ها، متعادل کردن عایق در برابر اتلاف گرما، و سازگاری با دستگاه‌های کوچک‌تر. همانطور که پذیرش SiC گسترش می‌یابد و پلت‌فرم‌های ولتاژ خودرو از 800 ولت عبور می‌کنند، نادیده گرفتن محدودیت‌های لنت‌های چندلایه و ورق‌های سرامیکی سخت‌تر می‌شود و جفت‌سازی Coating-plus-TIM به‌عنوان راه عملی رو به جلو برای واحدهای محرک الکتریکی فشرده و با چگالی بالا در حال ظهور است.

آیا یک پوشش عایق رسانای حرارتی به طور کامل جایگزین گریس یا لنت های حرارتی می شود؟

نه. یک پوشش همچنان بعد از پخت، بی نظمی های میکروسکوپی سطحی را به جا می گذارد، بنابراین یک TIM مانند گریس حرارتی یا یک پد حرارتی برای پر کردن شکاف هوای سطحی نهایی ضروری است.

چرا خنک کننده سمت بالا برای دستگاه های SiC و GaN ضروری شد؟

دستگاه‌های با گپ گسترده سریع‌تر سوئیچ می‌شوند، با ولتاژ بالاتر کار می‌کنند، و توان بیشتری را نسبت به قطعات سیلیکونی قدیمی به فضای کمتری منتقل می‌کنند، و خنک‌سازی سمت پایین از طریق PCB دیگر نمی‌تواند با گرمایی که این دستگاه‌ها تولید می‌کنند همگام شود.

مزیت اصلی قابلیت اطمینان یک پوشش نسبت به ورق عایق سرامیکی چیست؟

این پوشش به جای اتکا به تماس فیزیکی، یک پیوند شیمیایی با سطح هیت سینک ایجاد می کند، و ماتریس اپوکسی آن خطر ترک خوردگی سرامیکی ندارد، بنابراین تحت ارتعاشات خودرو و چرخه حرارتی بهتر است.

آیا یک پوشش عایق رسانای حرارتی می تواند سطوح دستگاه نامنظم یا منحنی را بپوشاند؟

بله. از آنجایی که به‌جای یک ورق از پیش برش‌شده، با اسپری اعمال می‌شود، می‌تواند سطوح خمیده، شیارها و هندسه‌های کوچک دستگاه خنک‌کننده سمت بالا را به طور کامل در یک مرحله واحد بپیچد.