Revestimento isolante termicamente condutivo para módulos de potência TSC

Um revestimento isolante termicamente condutor é um material de base isolante funcional que fornece proteção dielétrica de alta tensão e uma superfície de montagem plana, com condução térmica como benefício secundário. Ao contrário de um material de interface térmica (TIM), ele não consegue eliminar as lacunas de ar interfaciais por si só, por isso é aplicado junto com uma camada de TIM, em vez de como uma substituição independente.

Por que persiste a confusão entre revestimentos e TIMs

A demanda por materiais de interface térmica aumentou acentuadamente junto com o boom da computação de IA, com relatos de que até a Nvidia está avaliando materiais térmicos à base de diamante para seus chips de maior potência. Em meio a esse crescimento, uma categoria mais nova, o revestimento isolante termicamente condutivo, entrou no mercado e é frequentemente confundida com um substituto imediato do TIM.

Os dois materiais atendem a trabalhos diferentes. Um TIM, como uma almofada térmica ou graxa, é um preenchimento de interface puro cuja tarefa principal é remover o entreferro entre duas superfícies correspondentes. Um revestimento isolante termicamente condutor é um substrato isolante funcional: seu valor principal é o isolamento de alta tensão e uma base achatada para o dispositivo ou dissipador de calor. Depois de curada, a superfície do revestimento ainda apresenta picos e vales microscópicos, portanto, ainda é necessária uma camada TIM sobre ela para obter uma transferência de calor eficiente no nível do sistema.

Estágio Um: Resfriamento Natural em Pacotes Através de Orifícios

Antes da tecnologia de montagem em superfície se tornar padrão, os dispositivos de energia usavam pacotes passantes, como a série TO. O calor viajou do chip através de uma estrutura de metal, através dos pinos, através do PCB e, finalmente, para um dissipador de calor externo.

Os materiais de interface térmica ainda eram primitivos nesta fase. Os engenheiros confiaram em uma pasta térmica simples à base de silicone preenchida com partículas comuns de óxido de zinco ou óxido de alumínio, principalmente para isolamento, em vez de propagação de calor. Os níveis de potência do dispositivo eram baixos o suficiente para que uma resistência térmica do pacote TO de 50 a 80 graus Celsius por watt ainda fosse aceitável, embora as seções transversais dos pinos finos criassem alta resistência e deixassem pouco espaço à medida que as correntes aumentavam.

Estágio dois: duas décadas de resfriamento inferior

À medida que a comutação de fontes de alimentação e acionamentos de motores aumentava a densidade de potência, a indústria mudou para o resfriamento inferior (BSC), usando o próprio PCB como dissipador de calor de primeiro estágio. Essa arquitetura dominou o empacotamento de energia por cerca de vinte anos, ao longo de três gerações.

A tecnologia TIM amadureceu junto com esses pacotes. A graxa térmica padrão tornou-se onipresente, os materiais de mudança de fase passaram a ser usados ​​como uma opção sólida à temperatura ambiente que amolece perto de 45 a 60 graus Celsius para melhor conformidade de superfície e condutividade de 5 a 10 W/m·K sem bombeamento, e as almofadas térmicas construídas em bases de silicone ou acrilato com enchimentos de alumina ou nitreto de boro atingiram 6 a 16 W/m·K à medida que a carga de enchimento aumentou.

Estágio três: resfriamento superior para dispositivos com banda larga

A ascensão dos dispositivos de carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN), com suas velocidades de comutação, classificações de tensão e densidades de potência mais altas, expôs os limites do resfriamento inferior. A resposta da indústria foi o resfriamento superior (TSC): uma placa de metal exposta na parte superior do pacote se conecta diretamente a um dissipador de calor ou placa fria, ignorando totalmente o PCB.

Como um revestimento isolante termicamente condutivo altera a pilha

Para simplificar esse sanduíche, a indústria desenvolveu um revestimento isolante termicamente condutor de epóxi à base de água como um material integrado de isolamento e condução. O objetivo é substituir uma camada TIM e uma folha isolante cerâmica por um único revestimento, produzindo um novo caminho de calor: chip, uma camada TIM, revestimento isolante termicamente condutivo na parte superior e, em seguida, a placa resfriada a água ou dissipador de calor.

Qual é a aparência atual dos revestimentos de nível de produção

Desde 2022, à medida que as plataformas de veículos elétricos de 800 V foram aumentando, as embalagens TSC atingiram a maturidade de produção em massa juntamente com a tecnologia de revestimento epóxi à base de água. A série MEP 3700 da MEPCOAT é um produto representativo, combinando uma condutividade térmica de 2 W/m·K com 3.000 a 6.000 V de isolamento de alta tensão, forte adesão interfacial e confiabilidade de nível automotivo em uma única camada.

Além da validação de nível automotivo em milhares de ciclos de temperatura e 96 horas de exposição à névoa salina, esses revestimentos suportam controle preciso de espessura: uma única passagem pode atingir apenas cinco mícrons, ou ciclos sucessivos de pulverização e cura podem atingir uma espessura desejada, evitando bolhas e vazios que, de outra forma, prejudicariam o rendimento do isolamento.

Por que a arquitetura continua evoluindo

Cada etapa desta história, desde o resfriamento natural através do orifício até duas décadas de resfriamento na parte inferior e até o atual resfriamento na parte superior com revestimento isolante termicamente condutivo, segue a mesma lógica subjacente: encurtar o caminho do calor, reduzir o número de interfaces, equilibrar o isolamento contra a dissipação de calor e adaptar-se a dispositivos menores. À medida que a adoção do SiC se espalha e as plataformas de tensão dos veículos ultrapassam os 800 V, os limites das placas multicamadas e das placas cerâmicas tornam-se mais difíceis de ignorar, e o emparelhamento revestimento-mais-TIM está a emergir como o caminho prático a seguir para unidades de acionamento elétrico compactas e de alta densidade de potência.

Um revestimento isolante termicamente condutivo substitui totalmente a graxa ou almofadas térmicas?

Não. Um revestimento ainda deixa irregularidades microscópicas na superfície após a cura, portanto, um TIM como pasta térmica ou almofada térmica continua sendo necessário para preencher o espaço de ar interfacial final.

Por que o resfriamento superior se tornou necessário para dispositivos SiC e GaN?

Os dispositivos de banda larga alternam mais rapidamente, funcionam em tensões mais altas e acumulam mais energia em um espaço menor do que as peças de silício herdadas, e o resfriamento inferior através do PCB não consegue mais acompanhar o calor que esses dispositivos geram.

Qual é a principal vantagem de confiabilidade de um revestimento sobre uma placa isolante cerâmica?

O revestimento forma uma ligação química com a superfície do dissipador de calor, em vez de depender do contato físico, e sua matriz epóxi não apresenta risco de quebra da cerâmica, portanto, resiste melhor a vibrações e ciclos térmicos de nível automotivo.

Um revestimento isolante termicamente condutor pode cobrir superfícies irregulares ou curvas do dispositivo?

Sim. Como é aplicado por spray e não como uma folha pré-cortada, ele pode envolver totalmente superfícies curvas, ranhuras e pequenas geometrias de dispositivos de resfriamento na parte superior em uma única etapa do processo.