Rivestimento isolante termicamente conduttivo per moduli di potenza TSC

Un rivestimento isolante termicamente conduttivo è un materiale di base isolante funzionale che fornisce protezione dielettrica ad alta tensione e una superficie di montaggio piatta, con conduzione termica come vantaggio secondario. A differenza di un materiale di interfaccia termica (TIM), non può eliminare da solo i traferri interfacciali, quindi viene applicato insieme a uno strato TIM anziché come sostituto autonomo.

Perché persiste la confusione tra rivestimenti e TIM

La domanda di materiali per interfacce termiche è aumentata notevolmente parallelamente al boom dell'informatica AI, con rapporti secondo cui anche Nvidia sta valutando materiali termici a base di diamante per i suoi chip ad alta potenza. In mezzo a questa crescita, una nuova categoria, il rivestimento isolante termicamente conduttivo, è entrata nel mercato e viene spesso scambiata per un sostituto TIM.

I due materiali svolgono compiti diversi. Un TIM, come un cuscinetto termico o un grasso, è un puro riempitivo di interfaccia il cui compito principale è rimuovere il traferro tra due superfici accoppiate. Un rivestimento isolante termicamente conduttivo è un substrato isolante funzionale: il suo valore fondamentale è l'isolamento ad alta tensione e una base appiattita per il dispositivo o il dissipatore di calore. Una volta indurito, la superficie del rivestimento presenta ancora picchi e valli microscopici, quindi è ancora necessario uno strato TIM sopra per ottenere un efficiente trasferimento di calore a livello di sistema.

Fase uno: raffreddamento naturale nei pacchetti a foro passante

Prima che la tecnologia a montaggio superficiale diventasse standard, i dispositivi di potenza utilizzavano contenitori a foro passante come la serie TO. Il calore viaggiava dal chip attraverso un telaio metallico, attraverso i pin, attraverso il PCB e infine in un dissipatore di calore esterno.

I materiali dell'interfaccia termica erano ancora primitivi in ​​questa fase. Gli ingegneri hanno fatto affidamento su un semplice grasso termico a base di silicone riempito con normali particelle di ossido di zinco o ossido di alluminio, principalmente per l'isolamento piuttosto che per la diffusione del calore. I livelli di potenza del dispositivo erano sufficientemente bassi da rendere ancora accettabile una resistenza termica del pacchetto TO compresa tra 50 e 80 gradi Celsius per watt, anche se le sezioni trasversali sottili dei pin creavano un'elevata resistenza e lasciavano poco spazio all'aumento delle correnti.

Fase due: due decenni di raffreddamento del lato inferiore

Poiché gli alimentatori switching e gli azionamenti dei motori hanno aumentato la densità di potenza, l’industria è passata al raffreddamento bottom-side (BSC), utilizzando il PCB stesso come dissipatore di calore di primo stadio. Questa architettura ha dominato il confezionamento dell’energia per circa vent’anni attraverso tre generazioni.

Di pari passo con questi pacchetti è maturata la tecnologia TIM. Il grasso termico standard è diventato onnipresente, i materiali a cambiamento di fase sono entrati in uso come opzione solida a temperatura ambiente che si ammorbidisce a circa 45-60 gradi Celsius per una migliore conformità della superficie e una conduttività compresa tra 5 e 10 W/m·K senza pompaggio, e i cuscinetti termici costruiti su basi di silicone o acrilato con riempitivi di allumina o nitruro di boro hanno raggiunto da 6 a 16 W/m·K con l'aumento del carico di riempitivo.

Fase tre: raffreddamento del lato superiore per dispositivi con ampio gap di banda

L'aumento dei dispositivi al carburo di silicio (SiC) e al nitruro di gallio (GaN), con le loro velocità di commutazione, tensioni nominali e densità di potenza più elevate, ha messo in luce i limiti del raffreddamento del lato inferiore. La risposta del settore è stata il raffreddamento top-side (TSC): una piastra metallica esposta sulla parte superiore del package si collega direttamente a un dissipatore di calore o a una piastra fredda, bypassando completamente il PCB.

Come un rivestimento isolante termicamente conduttivo cambia lo stack

Per semplificare questo sandwich, l’industria ha sviluppato un rivestimento isolante termoconduttivo epossidico a base acquosa come materiale integrato di isolamento e conduzione. L'obiettivo è sostituire uno strato TIM e un foglio isolante ceramico con un unico rivestimento, producendo un nuovo percorso termico: chip, uno strato TIM, rivestimento isolante termicamente conduttivo sul lato superiore, quindi la piastra raffreddata ad acqua o il dissipatore di calore.

Come appaiono oggi i rivestimenti di livello produttivo

Dal 2022, con l’aumento delle piattaforme di veicoli elettrici da 800 V, gli imballaggi TSC hanno raggiunto la maturità della produzione di massa insieme alla tecnologia di rivestimento epossidico a base acquosa. La serie MEP 3700 di MEPCOAT è un prodotto rappresentativo, che combina una conduttività termica di 2 W/m·K con un isolamento ad alta tensione da 3.000 a 6.000 V, una forte adesione interfacciale e un'affidabilità di livello automobilistico in un unico strato.

Oltre alla validazione di livello automobilistico attraverso migliaia di cicli di temperatura e 96 ore di esposizione alla nebbia salina, questi rivestimenti supportano un controllo preciso dello spessore: un singolo passaggio può depositarsi fino a cinque micron, oppure successivi cicli di spruzzatura e polimerizzazione possono raggiungere uno spessore target evitando bolle e vuoti che altrimenti comprometterebbero la resa dell'isolamento.

Perché l'architettura continua ad evolversi

Ogni fase di questa storia, dal raffreddamento naturale a foro passante a due decenni di raffreddamento del lato inferiore fino all'odierno raffreddamento del lato superiore con rivestimento isolante termicamente conduttivo, segue la stessa logica di fondo: abbreviare il percorso del calore, ridurre il numero di interfacce, bilanciare l'isolamento con la dissipazione del calore e adattarsi a dispositivi più piccoli. Man mano che l’adozione del SiC si diffonde e le piattaforme di tensione dei veicoli superano gli 800 V, i limiti dei cuscinetti multistrato e dei fogli ceramici diventano più difficili da ignorare e l’abbinamento rivestimento-più-TIM sta emergendo come la via pratica da seguire per unità di azionamento elettriche compatte e ad alta densità di potenza.

Un rivestimento isolante termicamente conduttivo sostituisce interamente il grasso termico o i cuscinetti?

No. Un rivestimento lascia ancora microscopiche irregolarità superficiali dopo l'indurimento, quindi rimane necessario un TIM come grasso termico o un cuscinetto termico per riempire lo spazio d'aria interfacciale finale.

Perché il raffreddamento del lato superiore è diventato necessario per i dispositivi SiC e GaN?

I dispositivi con ampio gap di banda commutano più velocemente, funzionano a tensione più elevata e racchiudono più potenza in un ingombro ridotto rispetto alle parti in silicio legacy, e il raffreddamento del lato inferiore attraverso il PCB non è più in grado di tenere il passo con il calore generato da questi dispositivi.

Qual è il principale vantaggio in termini di affidabilità di un rivestimento rispetto ad una lastra isolante in ceramica?

Il rivestimento forma un legame chimico con la superficie del dissipatore di calore anziché fare affidamento sul contatto fisico, e la sua matrice epossidica non presenta rischi di rottura fragile della ceramica, quindi resiste meglio alle vibrazioni di tipo automobilistico e ai cicli termici.

Un rivestimento isolante termicamente conduttivo può coprire superfici irregolari o curve del dispositivo?

SÌ. Poiché viene applicato a spruzzo anziché come foglio pretagliato, può avvolgere completamente superfici curve, scanalature e piccole geometrie di dispositivi di raffreddamento sul lato superiore in un'unica fase del processo.