Lớp phủ cách nhiệt cho mô-đun nguồn TSC

Lớp phủ cách điện dẫn nhiệt là vật liệu cơ bản cách điện có chức năng cung cấp khả năng bảo vệ điện môi cao áp và bề mặt lắp đặt phẳng, với tính năng dẫn nhiệt là lợi ích phụ. Không giống như vật liệu giao diện nhiệt (TIM), nó không thể tự loại bỏ các khoảng trống không khí giữa các bề mặt, vì vậy nó được áp dụng cùng với lớp TIM thay vì thay thế độc lập.

Tại sao sự nhầm lẫn giữa lớp phủ và TIM vẫn tồn tại

Nhu cầu về vật liệu giao diện nhiệt đã tăng mạnh cùng với sự bùng nổ của điện toán AI, với các báo cáo cho thấy ngay cả Nvidia cũng đang đánh giá vật liệu nhiệt làm từ kim cương cho những con chip có công suất cao nhất của mình. Trong bối cảnh tăng trưởng này, một loại mới hơn, lớp phủ cách nhiệt dẫn nhiệt, đã gia nhập thị trường và thường bị nhầm lẫn với sản phẩm thay thế TIM.

Hai vật liệu phục vụ các công việc khác nhau. TIM, chẳng hạn như miếng đệm nhiệt hoặc mỡ, là chất độn giao diện thuần túy có nhiệm vụ cốt lõi là loại bỏ khe hở không khí giữa hai bề mặt tiếp xúc. Lớp phủ cách nhiệt dẫn nhiệt là chất nền cách điện có chức năng: giá trị cốt lõi của nó là cách ly điện áp cao và đế dẹt cho thiết bị hoặc tản nhiệt. Sau khi được xử lý, bề mặt lớp phủ vẫn có các đỉnh và rãnh cực nhỏ, do đó, vẫn cần có một lớp TIM bên trên để đạt được khả năng truyền nhiệt hiệu quả ở cấp độ hệ thống.

Giai đoạn một: Làm mát tự nhiên trong các gói xuyên lỗ

Trước khi công nghệ gắn trên bề mặt trở thành tiêu chuẩn, các thiết bị nguồn đã sử dụng các gói xuyên lỗ như dòng TO. Nhiệt truyền từ con chip qua khung chì kim loại, thoát ra qua các chân cắm, xuyên qua PCB và cuối cùng đi vào bộ tản nhiệt bên ngoài.

Vật liệu giao diện nhiệt vẫn còn nguyên thủy ở giai đoạn này. Các kỹ sư đã dựa vào loại mỡ tản nhiệt đơn giản gốc silicone chứa đầy các hạt oxit kẽm hoặc oxit nhôm thông thường, chủ yếu để cách nhiệt hơn là truyền nhiệt. Mức công suất của thiết bị đủ thấp để khả năng chịu nhiệt của gói TO từ 50 đến 80 độ C/watt vẫn có thể chấp nhận được, mặc dù tiết diện chân cắm mỏng tạo ra điện trở cao và để lại ít khoảng trống khi dòng điện tăng lên.

Giai đoạn hai: Hai thập kỷ làm mát từ phía dưới

Khi việc chuyển đổi nguồn điện và ổ đĩa động cơ đẩy mật độ năng lượng lên cao hơn, ngành công nghiệp đã chuyển sang làm mát phía dưới (BSC), sử dụng chính PCB làm tản nhiệt giai đoạn đầu. Kiến trúc này đã thống trị việc đóng gói nguồn điện trong khoảng 20 năm qua ba thế hệ.

Công nghệ TIM đã trưởng thành cùng với các gói này. Mỡ tản nhiệt tiêu chuẩn trở nên phổ biến, các vật liệu thay đổi pha được sử dụng như một tùy chọn rắn ở nhiệt độ phòng làm mềm gần 45 đến 60 độ C để có sự phù hợp bề mặt tốt hơn và độ dẫn điện từ 5 đến 10 W/m·K mà không cần bơm ra, và các miếng đệm nhiệt được chế tạo trên đế silicon hoặc acryit với chất độn alumina hoặc boron nitrit đạt 6 đến 16 W/m·K khi tải chất độn tăng lên.

Giai đoạn ba: Làm mát từ trên xuống cho các thiết bị có băng thông rộng

Sự gia tăng của các thiết bị cacbua silic (SiC) và gali nitrit (GaN), với tốc độ chuyển mạch, định mức điện áp và mật độ năng lượng cao hơn, đã bộc lộ những giới hạn của khả năng làm mát mặt đáy. Phản ứng của ngành là làm mát mặt trên (TSC): một tấm kim loại lộ ra trên mặt trên của gói kết nối trực tiếp với bộ tản nhiệt hoặc tấm lạnh, bỏ qua hoàn toàn PCB.

Lớp phủ cách nhiệt dẫn nhiệt thay đổi ngăn xếp như thế nào

Để đơn giản hóa vấn đề này, ngành công nghiệp đã phát triển lớp phủ cách nhiệt epoxy gốc nước làm vật liệu cách nhiệt kết hợp dẫn điện tích hợp. Mục tiêu là thay thế một lớp TIM và tấm cách nhiệt bằng gốm bằng một lớp phủ duy nhất, tạo ra đường dẫn nhiệt mới: chip, một lớp TIM, lớp phủ cách nhiệt dẫn nhiệt phía trên, sau đó là tấm làm mát bằng nước hoặc tản nhiệt.

Lớp phủ cấp sản xuất ngày nay trông như thế nào

Kể từ năm 2022, khi nền tảng xe điện 800V được mở rộng quy mô, bao bì TSC đã đạt đến mức trưởng thành sản xuất hàng loạt cùng với công nghệ phủ epoxy gốc nước. Dòng MEP 3700 của MEPCOAT là một sản phẩm tiêu biểu, kết hợp độ dẫn nhiệt 2 W/m·K với vật liệu cách nhiệt điện áp cao 3.000 đến 6.000V, độ bám dính bề mặt mạnh mẽ và độ tin cậy ở cấp độ ô tô trong một lớp duy nhất.

Ngoài việc xác nhận cấp độ ô tô qua hàng nghìn chu kỳ nhiệt độ và 96 giờ tiếp xúc với phun muối, các lớp phủ này còn hỗ trợ kiểm soát độ dày chính xác: một lớp phủ duy nhất có thể nằm xuống ít nhất là 5 micron hoặc các chu kỳ phun và xử lý liên tiếp có thể tích tụ đến độ dày mục tiêu đồng thời tránh các bong bóng và khoảng trống có thể ảnh hưởng đến hiệu suất cách nhiệt.

Tại sao kiến trúc tiếp tục phát triển

Mọi giai đoạn của lịch sử này, từ làm mát tự nhiên qua lỗ đến làm mát mặt dưới trong hai thập kỷ cho đến làm mát mặt trên bằng lớp phủ cách nhiệt dẫn nhiệt ngày nay, đều tuân theo cùng một logic cơ bản: rút ngắn đường dẫn nhiệt, cắt giảm số lượng giao diện, cân bằng khả năng cách nhiệt chống lại sự tản nhiệt và thích ứng với các thiết bị nhỏ hơn. Khi việc áp dụng SiC lan rộng và các nền tảng điện áp của xe vượt quá 800V, các giới hạn của miếng đệm nhiều lớp và tấm gốm trở nên khó bỏ qua hơn và việc ghép nối lớp phủ cộng với TIM đang nổi lên như một hướng đi thực tế cho các bộ truyền động điện nhỏ gọn, mật độ năng lượng cao.

Lớp phủ cách nhiệt dẫn nhiệt có thay thế hoàn toàn mỡ hoặc miếng đệm tản nhiệt không?

Không. Lớp phủ vẫn để lại những bất thường trên bề mặt cực nhỏ sau khi đóng rắn, do đó, TIM như mỡ tản nhiệt hoặc miếng đệm tản nhiệt vẫn cần thiết để lấp đầy khe hở không khí giữa các bề mặt cuối cùng.

Tại sao việc làm mát mặt trên lại trở nên cần thiết đối với các thiết bị SiC và GaN?

Các thiết bị có dải rộng chuyển đổi nhanh hơn, chạy ở điện áp cao hơn và tích hợp nhiều năng lượng hơn trong một diện tích nhỏ hơn so với các bộ phận silicon truyền thống, đồng thời việc làm mát mặt dưới thông qua PCB không còn có thể theo kịp nhiệt lượng mà các thiết bị này tạo ra.

Ưu điểm chính về độ tin cậy của lớp phủ so với tấm cách điện bằng gốm là gì?

Lớp phủ tạo thành một liên kết hóa học với bề mặt tản nhiệt thay vì dựa vào tiếp xúc vật lý và ma trận epoxy của nó không có nguy cơ nứt vỡ gốm, do đó nó chịu được độ rung và chu trình nhiệt cấp độ ô tô tốt hơn.

Lớp phủ cách nhiệt có thể bao phủ các bề mặt thiết bị không đều hoặc cong không?

Đúng. Bởi vì nó được áp dụng bằng cách phun chứ không phải dưới dạng tấm cắt sẵn, nên nó có thể bao bọc hoàn toàn các bề mặt cong, rãnh và hình học nhỏ của thiết bị làm mát phía trên chỉ trong một bước quy trình.