Thermisch geleidende isolatiecoating voor TSC-voedingsmodules

Een thermisch geleidende isolerende coating is een functioneel isolerend basismateriaal dat diëlektrische bescherming tegen hoge spanningen en een vlak montageoppervlak biedt, met thermische geleiding als secundair voordeel. In tegenstelling tot een thermisch grensvlakmateriaal (TIM) kan het op zichzelf geen luchtspleten aan het grensvlak elimineren, dus wordt het samen met een TIM-laag aangebracht in plaats van als een op zichzelf staande vervanging.

Waarom de verwarring tussen coatings en TIM's blijft bestaan

De vraag naar thermische interfacematerialen is sterk gestegen naast de opkomst van AI-computers, met berichten dat zelfs Nvidia op diamant gebaseerde thermische materialen evalueert voor zijn krachtigste chips. Te midden van deze groei is er een nieuwere categorie, thermisch geleidende isolerende coating, op de markt gekomen, die vaak wordt aangezien voor een drop-in TIM-vervanger.

De twee materialen dienen verschillende taken. Een TIM, zoals een thermisch kussen of vet, is een pure interfacevuller waarvan de kerntaak het verwijderen van de luchtspleet tussen twee pasvlakken is. Een thermisch geleidende isolerende coating is een functioneel isolerend substraat: de kernwaarde ervan is hoogspanningsisolatie en een afgeplatte basis voor het apparaat of koellichaam. Eenmaal uitgehard vertoont het coatingoppervlak nog steeds microscopisch kleine pieken en dalen, dus er is nog steeds een TIM-laag bovenop nodig om een ​​efficiënte warmteoverdracht op systeemniveau te bereiken.

Fase één: natuurlijke koeling in doorlopende pakketten

Voordat de technologie voor opbouwmontage standaard werd, gebruikten voedingsapparaten pakketten met doorlopende gaten, zoals de TO-serie. De warmte stroomde van de chip door een metalen leadframe, via de pinnen naar buiten, over de printplaat en uiteindelijk naar een extern koellichaam.

Thermische interfacematerialen waren in dit stadium nog primitief. Ingenieurs vertrouwden op eenvoudig thermisch vet op siliconenbasis gevuld met gewone zinkoxide- of aluminiumoxidedeeltjes, voornamelijk voor isolatie in plaats van warmteverspreiding. Het vermogensniveau van het apparaat was zo laag dat een thermische weerstand van het TO-pakket van 50 tot 80 graden Celsius per watt nog steeds acceptabel was, ook al creëerden dunne pindwarsdoorsneden een hoge weerstand en lieten er weinig speelruimte over naarmate de stroom toenam.

Fase twee: twee decennia koeling aan de onderkant

Toen schakelende voedingen en motoraandrijvingen de vermogensdichtheid hoger brachten, schakelde de industrie over op bottom-side koeling (BSC), waarbij de PCB zelf als koellichaam in de eerste fase werd gebruikt. Deze architectuur domineerde de energieverpakkingen gedurende ongeveer twintig jaar, verdeeld over drie generaties.

De TIM-technologie werd met deze pakketten volwassener. Standaard thermisch vet werd alomtegenwoordig, faseveranderingsmaterialen werden gebruikt als een vaste stof bij kamertemperatuur die zacht wordt bij 45 tot 60 graden Celsius voor een betere oppervlakteconformiteit en geleidbaarheid van 5 tot 10 W/m·K zonder uitpompen, en thermische pads gebouwd op siliconen- of acrylaatbasis met aluminiumoxide- of boornitride-vulstoffen bereikten 6 tot 16 W/m·K naarmate de vulstofbelasting toenam.

Fase drie: koeling aan de bovenzijde voor apparaten met een brede bandafstand

De opkomst van siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) apparaten, met hun hogere schakelsnelheden, spanningswaarden en vermogensdichtheden, legde de grenzen van koeling aan de onderkant bloot. Het antwoord van de industrie was top-side koeling (TSC): een blootliggende metalen plaat aan de bovenkant van de verpakking is rechtstreeks verbonden met een koellichaam of koude plaat, waarbij de PCB volledig wordt omzeild.

Hoe een thermisch geleidende isolerende coating de stapel verandert

Om deze sandwich te vereenvoudigen, heeft de industrie een watergedragen, thermisch geleidende epoxycoating ontwikkeld als geïntegreerd isolatie-plus-geleidingsmateriaal. Het doel is om één TIM-laag en een keramische isolatieplaat te vervangen door een enkele coating, waardoor een nieuw warmtepad ontstaat: chip, één TIM-laag, thermisch geleidende isolatiecoating aan de bovenzijde en vervolgens de watergekoelde plaat of koellichaam.

Hoe productiecoatings er vandaag de dag uitzien

Sinds 2022, toen de platforms voor elektrische voertuigen van 800 V werden opgeschaald, bereikten TSC-verpakkingen de volwassenheid van massaproductie naast watergedragen epoxycoatingtechnologie. De MEP 3700-serie van MEPCOAT is een representatief product, dat een thermische geleidbaarheid van 2 W/m·K combineert met 3.000 tot 6.000 V hoogspanningsisolatie, sterke hechting aan het grensvlak en betrouwbaarheid van autokwaliteit in één enkele laag.

Naast validatie op automobielniveau over duizenden temperatuurcycli en 96 uur blootstelling aan zoutnevel, ondersteunen deze coatings nauwkeurige diktecontrole: een enkele passage kan slechts vijf micron neerleggen, of opeenvolgende spray-en-uithardingscycli kunnen zich opbouwen tot een beoogde dikte, terwijl bellen en holtes worden vermeden die anders de isolatieopbrengst zouden schaden.

Waarom de architectuur blijft evolueren

Elke fase van deze geschiedenis, van natuurlijke koeling via gaten tot twintig jaar koeling aan de onderkant tot de huidige koeling aan de bovenkant met een thermisch geleidende isolerende coating, volgt dezelfde onderliggende logica: verkort het warmtepad, verminder het aantal interfaces, balanceer isolatie tegen warmtedissipatie en pas je aan aan kleinere apparaten. Naarmate de acceptatie van SiC zich verspreidt en voertuigspanningsplatforms voorbij de 800 V gaan, worden de grenzen van meerlaagse pads en keramische platen steeds moeilijker te negeren, en de combinatie van coating en TIM komt naar voren als de praktische weg vooruit voor compacte elektrische aandrijfeenheden met een hoge vermogensdichtheid.

Vervangt een thermisch geleidende isolerende coating koelpasta of pads volledig?

Nee. Een coating laat na het uitharden nog steeds microscopisch kleine onregelmatigheden op het oppervlak achter, dus een TIM zoals thermisch vet of een thermisch kussen blijft nodig om de uiteindelijke luchtspleet op het grensvlak op te vullen.

Waarom werd koeling aan de bovenzijde noodzakelijk voor SiC- en GaN-apparaten?

Apparaten met een grote bandafstand schakelen sneller, werken op een hogere spanning en verpakken meer stroom in een kleinere footprint dan oudere siliciumonderdelen, en koeling aan de onderkant via de PCB kon niet langer gelijke tred houden met de hitte die deze apparaten genereren.

Wat is het belangrijkste betrouwbaarheidsvoordeel van een coating ten opzichte van een keramische isolatieplaat?

De coating vormt een chemische binding met het oppervlak van het koellichaam in plaats van te vertrouwen op fysiek contact, en de epoxymatrix heeft geen risico op brosscheuren van keramiek, zodat deze beter bestand is tegen trillingen en thermische cycli van autokwaliteit.

Kan een thermisch geleidende isolerende coating onregelmatige of gebogen apparaatoppervlakken bedekken?

Ja. Omdat het wordt aangebracht door middel van sprayen in plaats van als een voorgesneden plaat, kan het gebogen oppervlakken, groeven en kleine geometrieën van koelinrichtingen aan de bovenzijde volledig omhullen in één enkele processtap.