การเคลือบฉนวนนำความร้อนสำหรับโมดูลพลังงาน TSC

การเคลือบฉนวนนำความร้อนเป็นวัสดุฐานฉนวนที่ใช้งานได้ซึ่งให้การป้องกันอิเล็กทริกไฟฟ้าแรงสูงและพื้นผิวติดตั้งเรียบ โดยมีการนำความร้อนเป็นข้อดีรอง ต่างจากวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM) เนื่องจากไม่สามารถขจัดช่องว่างอากาศระหว่างผิวได้ด้วยตัวเอง ดังนั้นจึงใช้ร่วมกับชั้น TIM แทนที่จะใช้ทดแทนแบบสแตนด์อโลน

เหตุใดความสับสนระหว่างการเคลือบและ TIM จึงยังคงมีอยู่

ความต้องการวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วควบคู่ไปกับการเติบโตของคอมพิวเตอร์ AI โดยมีรายงานว่าแม้แต่ Nvidia ก็ยังประเมินวัสดุระบายความร้อนที่ใช้เพชรสำหรับชิปพลังงานสูงสุด ท่ามกลางการเติบโตนี้ การเคลือบฉนวนนำความร้อนประเภทใหม่ได้เข้าสู่ตลาด และมักถูกเข้าใจผิดว่าเป็นสารทดแทน TIM แบบหยด

วัสดุทั้งสองชนิดนี้ทำหน้าที่ต่างกัน TIM เช่น แผ่นระบายความร้อนหรือจาระบี เป็นตัวเติมส่วนต่อประสานล้วนๆ ซึ่งงานหลักคือการขจัดช่องว่างอากาศระหว่างพื้นผิวผสมพันธุ์สองพื้นผิว การเคลือบฉนวนนำความร้อนเป็นสารตั้งต้นฉนวนที่ใช้งานได้: ค่าหลักของมันคือการแยกไฟฟ้าแรงสูงและฐานแบนสำหรับอุปกรณ์หรือฮีทซิงค์ เมื่อแข็งตัวแล้ว พื้นผิวเคลือบยังคงมียอดเขาและหุบเขาขนาดเล็กมาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีชั้น TIM อยู่ด้านบนเพื่อให้เกิดการถ่ายเทความร้อนในระดับระบบที่มีประสิทธิภาพ

ขั้นที่หนึ่ง: การทำความเย็นตามธรรมชาติในแพ็คเกจทะลุผ่านรู

ก่อนที่เทคโนโลยีการยึดติดบนพื้นผิวจะกลายเป็นมาตรฐาน อุปกรณ์จ่ายไฟใช้แพ็คเกจรูทะลุ เช่น ซีรีส์ TO ความร้อนเดินทางจากชิปผ่านลีดเฟรมโลหะ ออกไปทางพิน ข้าม PCB และสุดท้ายก็เข้าสู่ฮีทซิงค์ภายนอก

วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนยังคงเป็นแบบดั้งเดิมในขั้นตอนนี้ วิศวกรใช้จาระบีระบายความร้อนที่ทำจากซิลิโคนธรรมดาซึ่งบรรจุอนุภาคซิงค์ออกไซด์หรืออะลูมิเนียมออกไซด์ธรรมดา เพื่อใช้เป็นฉนวนเป็นหลักแทนที่จะกระจายความร้อน ระดับพลังงานของอุปกรณ์ต่ำพอที่จะต้านทานความร้อนของแพ็คเกจ TO ที่ 50 ถึง 80 องศาเซลเซียสต่อวัตต์ยังคงยอมรับได้ แม้ว่าหน้าตัดของพินที่บางจะสร้างความต้านทานสูงและเหลือพื้นที่ว่างเล็กน้อยเมื่อกระแสเพิ่มขึ้น

ขั้นตอนที่สอง: สองทศวรรษของการทำความเย็นด้านล่าง

เนื่องจากการสลับแหล่งจ่ายไฟและมอเตอร์ไดรฟ์ทำให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น อุตสาหกรรมจึงเปลี่ยนมาใช้ระบบระบายความร้อนด้านล่าง (BSC) โดยใช้ PCB เองเป็นฮีทซิงค์ขั้นแรก สถาปัตยกรรมนี้ครอบงำบรรจุภัณฑ์พลังงานเป็นเวลาประมาณยี่สิบปีในสามรุ่น

เทคโนโลยี TIM ได้รับการพัฒนาตามแพ็คเกจเหล่านี้ จาระบีเทอร์มอลมาตรฐานแพร่หลายแพร่หลาย วัสดุเปลี่ยนเฟสถูกนำมาใช้เป็นตัวเลือกของแข็งที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งจะอ่อนตัวลงประมาณ 45 ถึง 60 องศาเซลเซียส เพื่อความสอดคล้องของพื้นผิวที่ดีขึ้นและค่าการนำไฟฟ้า 5 ถึง 10 W/m·K โดยไม่ต้องปั๊มออก และแผ่นระบายความร้อนที่สร้างบนฐานซิลิโคนหรืออะคริเลตที่มีตัวเติมอลูมินาหรือโบรอนไนไตรด์สูงถึง 6 ถึง 16 W/m·K เมื่อการโหลดของตัวเติมเพิ่มขึ้น

ขั้นตอนที่สาม: การระบายความร้อนด้านบนสำหรับอุปกรณ์ Wide-Bandgap

การเพิ่มขึ้นของอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ด้วยความเร็วการสลับ อัตราแรงดันไฟฟ้า และความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น ได้เผยให้เห็นถึงขีดจำกัดของการระบายความร้อนด้านล่าง การตอบสนองของอุตสาหกรรมคือการระบายความร้อนด้านบน (TSC): แผ่นโลหะเปลือยที่ด้านบนของบรรจุภัณฑ์จะเชื่อมต่อโดยตรงกับฮีทซิงค์หรือแผ่นทำความเย็น โดยไม่ผ่าน PCB ทั้งหมด

การเคลือบฉนวนนำความร้อนเปลี่ยนแปลงกองได้อย่างไร

เพื่อลดความซับซ้อนของแซนวิชนี้ อุตสาหกรรมได้พัฒนาการเคลือบฉนวนอีพอกซีแบบนำความร้อนด้วยน้ำเป็นวัสดุฉนวนบวกการนำความร้อนแบบบูรณาการ เป้าหมายคือการแทนที่ชั้น TIM หนึ่งชั้นและแผ่นฉนวนเซรามิกด้วยการเคลือบชั้นเดียว ทำให้เกิดเส้นทางความร้อนใหม่: ชิป ชั้น TIM หนึ่งชั้น เคลือบฉนวนนำความร้อนด้านบน จากนั้นจึงเปลี่ยนแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำหรือฮีทซิงค์

สารเคลือบเกรดการผลิตมีลักษณะอย่างไรในปัจจุบัน

ตั้งแต่ปี 2022 เมื่อแพลตฟอร์มรถยนต์ไฟฟ้า 800V ขยายขนาดขึ้น บรรจุภัณฑ์ของ TSC ก็ครบกำหนดในการผลิตจำนวนมากควบคู่ไปกับเทคโนโลยีการเคลือบอีพ็อกซี่แบบน้ำ ซีรีส์ MEP 3700 ของ MEPCOAT เป็นผลิตภัณฑ์ตัวแทนหนึ่งเดียว โดยผสมผสานค่าการนำความร้อน 2 W/m·K กับฉนวนไฟฟ้าแรงสูง 3,000 ถึง 6,000V การยึดเกาะพื้นผิวที่แข็งแกร่ง และความน่าเชื่อถือระดับยานยนต์ในชั้นเดียว

นอกเหนือจากการตรวจสอบเกรดยานยนต์ในรอบอุณหภูมิหลายพันรอบและการสัมผัสกับสเปรย์เกลือนาน 96 ชั่วโมง การเคลือบเหล่านี้ยังสนับสนุนการควบคุมความหนาที่แม่นยำ: การเคลือบครั้งเดียวสามารถวางได้เพียงห้าไมครอน หรือรอบการฉีดและบ่มต่อเนื่องกันสามารถสร้างความหนาเป้าหมายได้ ในขณะเดียวกันก็หลีกเลี่ยงฟองอากาศและช่องว่างที่อาจส่งผลเสียต่อผลผลิตของฉนวน

เหตุใดสถาปัตยกรรมจึงมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง

ทุกขั้นตอนของประวัติศาสตร์นี้ ตั้งแต่การระบายความร้อนตามธรรมชาติผ่านรูไปจนถึงการทำความเย็นด้านล่างเป็นเวลาสองทศวรรษ ไปจนถึงการระบายความร้อนด้านบนในปัจจุบันด้วยการเคลือบฉนวนนำความร้อน เป็นไปตามตรรกะพื้นฐานเดียวกัน: ลดเส้นทางความร้อน ลดจำนวนอินเทอร์เฟซ ปรับสมดุลฉนวนกับการกระจายความร้อน และปรับให้เข้ากับอุปกรณ์ขนาดเล็ก เนื่องจากการใช้ SiC แพร่หลายและแพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้าของยานพาหนะดันเกิน 800V ข้อจำกัดของแผ่นอิเล็กโทรดหลายชั้นและแผ่นเซรามิกจึงกลายเป็นเรื่องยากที่จะเพิกเฉย และการจับคู่แบบเคลือบบวกกับ TIM ก็กลายเป็นแนวทางในทางปฏิบัติสำหรับหน่วยขับเคลื่อนไฟฟ้าที่มีขนาดกะทัดรัดและมีความหนาแน่นสูง

การเคลือบฉนวนนำความร้อนแทนที่จาระบีหรือแผ่นความร้อนทั้งหมดหรือไม่?

ไม่ การเคลือบยังคงทำให้เกิดความผิดปกติของพื้นผิวระดับจุลภาคหลังจากการบ่ม ดังนั้น TIM เช่น จาระบีระบายความร้อนหรือแผ่นระบายความร้อนยังคงจำเป็นต่อการเติมเต็มช่องว่างอากาศที่พื้นผิวสุดท้าย

เหตุใดการระบายความร้อนด้านบนจึงจำเป็นสำหรับอุปกรณ์ SiC และ GaN

อุปกรณ์แถบความถี่กว้างสลับเร็วขึ้น ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า และบรรจุพลังงานมากขึ้นโดยมีขนาดเล็กกว่าชิ้นส่วนซิลิคอนแบบเดิม และการระบายความร้อนด้านล่างผ่าน PCB ไม่สามารถตามความร้อนที่อุปกรณ์เหล่านี้สร้างขึ้นได้อีกต่อไป

อะไรคือข้อได้เปรียบด้านความน่าเชื่อถือหลักของการเคลือบบนแผ่นฉนวนเซรามิก?

การเคลือบจะสร้างพันธะเคมีกับพื้นผิวฮีทซิงค์แทนที่จะอาศัยการสัมผัสทางกายภาพ และเมทริกซ์อีพ็อกซี่ไม่มีความเสี่ยงต่อการแตกร้าวของเซรามิก ดังนั้นจึงทนทานได้ดีกว่าภายใต้การสั่นสะเทือนระดับยานยนต์และวงจรความร้อน

สารเคลือบฉนวนนำความร้อนสามารถครอบคลุมพื้นผิวอุปกรณ์ที่ไม่สม่ำเสมอหรือโค้งได้หรือไม่

ใช่. เนื่องจากมีการใช้สเปรย์มากกว่าเป็นแผ่นที่ตัดไว้ล่วงหน้า จึงสามารถพันพื้นผิวโค้ง ร่อง และรูปทรงของอุปกรณ์ทำความเย็นด้านบนขนาดเล็กได้อย่างสมบูรณ์ในขั้นตอนกระบวนการเดียว