طلاء عازل موصل حراريًا لوحدات الطاقة TSC

الطبقة العازلة الموصلة للحرارة هي مادة أساسية عازلة وظيفية توفر حماية عازلة عالية الجهد وسطح تثبيت مسطح، مع التوصيل الحراري كميزة ثانوية. على عكس مادة الواجهة الحرارية (TIM)، لا يمكنها إزالة فجوات الهواء البينية من تلقاء نفسها، لذلك يتم تطبيقها مع طبقة TIM بدلاً من أن تكون بديلاً مستقلاً.

لماذا يستمر الخلط بين الطلاءات وTIMs

ارتفع الطلب على مواد الواجهة الحرارية بشكل حاد بالتزامن مع ازدهار حوسبة الذكاء الاصطناعي، مع تقارير تفيد بأن حتى إنفيديا تقوم بتقييم المواد الحرارية القائمة على الماس لرقائقها ذات الطاقة الأعلى. وسط هذا النمو، دخلت فئة جديدة إلى السوق، وهي الطبقة العازلة الموصلة للحرارة، والتي غالبًا ما يتم الخلط بينها وبين بديل TIM.

تخدم المادتان وظائف مختلفة. إن TIM، مثل الوسادة الحرارية أو الشحم، عبارة عن حشو واجهة خالص تتمثل مهمته الأساسية في إزالة فجوة الهواء بين سطحي التزاوج. الطبقة العازلة الموصلة للحرارة هي ركيزة عازلة وظيفية: قيمتها الأساسية هي عزل الجهد العالي وقاعدة مسطحة للجهاز أو المبدد الحراري. بمجرد معالجته، يظل سطح الطلاء يحمل قممًا ووديانًا مجهرية، لذلك لا تزال هناك حاجة إلى طبقة TIM فوقه لتحقيق نقل الحرارة بكفاءة على مستوى النظام.

المرحلة الأولى: التبريد الطبيعي في الحزم من خلال الفتحات

قبل أن تصبح تقنية التثبيت على السطح معيارًا، كانت أجهزة الطاقة تستخدم حزمًا من خلال الفتحات مثل سلسلة TO. تنتقل الحرارة من الشريحة عبر إطار معدني، إلى الخارج عبر المسامير، عبر PCB، وأخيرًا إلى المبدد الحراري الخارجي.

كانت مواد الواجهة الحرارية لا تزال بدائية في هذه المرحلة. اعتمد المهندسون على الشحوم الحرارية البسيطة القائمة على السيليكون والمملوءة بأكسيد الزنك العادي أو جزيئات أكسيد الألومنيوم، بشكل أساسي للعزل بدلاً من نشر الحرارة. كانت مستويات طاقة الجهاز منخفضة بدرجة كافية بحيث تظل المقاومة الحرارية لحزمة TO التي تتراوح من 50 إلى 80 درجة مئوية لكل واط مقبولة، على الرغم من أن المقاطع العرضية الرفيعة للمسمار خلقت مقاومة عالية ولم تترك سوى مساحة صغيرة للرأس مع زيادة التيارات.

المرحلة الثانية: عقدين من التبريد من الجانب السفلي

نظرًا لأن تبديل مصادر الطاقة ومحركات المحركات أدى إلى زيادة كثافة الطاقة، فقد تحولت الصناعة إلى التبريد من الجانب السفلي (BSC)، وذلك باستخدام ثنائي الفينيل متعدد الكلور نفسه كمبدد حرارة في المرحلة الأولى. سيطرت هذه البنية على تعبئة الطاقة لمدة عشرين عامًا تقريبًا عبر ثلاثة أجيال.

لقد نضجت تقنية TIM بالتوافق مع هذه الحزم. أصبح الشحم الحراري القياسي منتشرًا في كل مكان، ودخلت مواد متغيرة الطور تستخدم كخيار صلب في درجة حرارة الغرفة ينعم بالقرب من 45 إلى 60 درجة مئوية للحصول على توافق أفضل للسطح وموصلية من 5 إلى 10 وات/م · كلفن بدون ضخ، ووصلت الوسادات الحرارية المبنية على قواعد السيليكون أو الأكريليت مع حشوات الألومينا أو نيتريد البورون إلى 6 إلى 16 وات / م · كلفن مع زيادة تحميل الحشو.

المرحلة الثالثة: التبريد من الجانب العلوي للأجهزة واسعة النطاق

أدى ظهور أجهزة كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN)، مع سرعات التبديل الأعلى، ومعدلات الجهد الكهربي، وكثافة الطاقة، إلى الكشف عن حدود تبريد الجانب السفلي. وكانت استجابة الصناعة هي التبريد من الجانب العلوي (TSC): حيث تتصل لوحة معدنية مكشوفة في الجزء العلوي من العبوة مباشرة بمبدد حراري أو لوحة باردة، متجاوزة ثنائي الفينيل متعدد الكلور بالكامل.

كيف يغير الطلاء العازل الموصل حرارياً المكدس

ولتبسيط هذه الساندويتش، طورت الصناعة طبقة عازلة موصلة حرارياً من مادة الإيبوكسي المنقولة بالماء كمواد عازلة وموصلة متكاملة. الهدف هو استبدال طبقة TIM واحدة ولوحة عازلة من السيراميك بطبقة واحدة، مما ينتج مسارًا حراريًا جديدًا: شريحة، وطبقة TIM واحدة، وطلاء عازل موصل للحرارة على الجانب العلوي، ثم اللوحة المبردة بالماء أو المبدد الحراري.

كيف تبدو الطلاءات المخصصة للإنتاج اليوم

منذ عام 2022، مع زيادة منصات المركبات الكهربائية 800 فولت، وصلت عبوات TSC إلى مرحلة نضج الإنتاج الضخم جنبًا إلى جنب مع تقنية الطلاء بالإيبوكسي المنقولة بالماء. تعد سلسلة MEPCOAT's MEP 3700 منتجًا تمثيليًا واحدًا، حيث تجمع بين التوصيل الحراري الذي يبلغ 2 وات/م·ك مع عزل الجهد العالي من 3000 إلى 6000 فولت، والالتصاق البيني القوي، والموثوقية على مستوى السيارات في طبقة واحدة.

بالإضافة إلى التحقق من صحة السيارات عبر آلاف دورات درجة الحرارة و96 ساعة من التعرض لرذاذ الملح، تدعم هذه الطلاءات التحكم الدقيق في السُمك: يمكن أن يصل تمرير واحد إلى ما لا يقل عن خمسة ميكرونات، أو يمكن أن تصل دورات الرش والمعالجة المتعاقبة إلى السُمك المستهدف مع تجنب الفقاعات والفراغات التي من شأنها أن تضر بإنتاجية العزل.

لماذا تستمر الهندسة المعمارية في التطور؟

كل مرحلة من هذا التاريخ، بدءًا من التبريد الطبيعي من خلال الفتحة إلى عقدين من تبريد الجانب السفلي إلى تبريد الجانب العلوي اليوم بطبقة عازلة موصلة للحرارة، تتبع نفس المنطق الأساسي: تقصير مسار الحرارة، وخفض عدد الواجهات، وموازنة العزل ضد تبديد الحرارة، والتكيف مع الأجهزة الأصغر حجمًا. مع انتشار اعتماد SiC وتجاوز منصات الجهد الكهربي للمركبات 800 فولت، أصبح من الصعب تجاهل حدود الوسائد متعددة الطبقات وألواح السيراميك، ويظهر الاقتران بالطلاء بالإضافة إلى TIM كطريقة عملية للمضي قدمًا في وحدات القيادة الكهربائية المدمجة عالية الكثافة للطاقة.

هل تحل الطبقة العازلة الموصلة للحرارة محل الشحوم أو الوسادات الحرارية بالكامل؟

لا، لا يزال الطلاء يترك مخالفات سطحية مجهرية بعد المعالجة، لذلك يظل TIM مثل الشحم الحراري أو الوسادة الحرارية ضروريًا لملء فجوة الهواء البينية النهائية.

لماذا أصبح التبريد من الجانب العلوي ضروريًا لأجهزة SiC و GaN؟

تتحول الأجهزة ذات فجوة النطاق الواسع بشكل أسرع، وتعمل بجهد أعلى، وتحزم المزيد من الطاقة في مساحة أصغر من أجزاء السيليكون القديمة، ولم يعد التبريد الجانبي من خلال PCB قادرًا على مواكبة الحرارة التي تولدها هذه الأجهزة.

ما هي ميزة الموثوقية الرئيسية للطلاء فوق لوح عازل من السيراميك؟

يشكل الطلاء رابطة كيميائية على سطح المبدد الحراري بدلاً من الاعتماد على الاتصال الجسدي، كما أن مصفوفة الإيبوكسي الخاصة بها لا تحتوي على خطر تشقق السيراميك، لذلك فهي تصمد بشكل أفضل في ظل اهتزازات السيارات والتدوير الحراري.

هل يمكن للطبقة العازلة الموصلة للحرارة أن تغطي أسطح الأجهزة غير المنتظمة أو المنحنية؟

نعم. نظرًا لأنه يتم تطبيقه عن طريق الرش بدلاً من أن يكون بمثابة لوح مقطوع مسبقًا، فإنه يمكنه تغليف الأسطح المنحنية والأخاديد والأشكال الهندسية الصغيرة لجهاز التبريد في الجانب العلوي بالكامل في خطوة عملية واحدة.