TSC 전력 모듈용 열 전도성 절연 코팅

열 전도성 절연 코팅은 고전압 유전체 보호 및 평평한 장착 표면을 제공하고 열 전도를 두 번째 이점으로 제공하는 기능성 절연 기본 재료입니다. TIM(Thermal Interface Material)과 달리 자체적으로 계면 공극을 제거할 수 없으므로 독립형 대체품이 아닌 TIM 레이어와 함께 적용됩니다.

코팅과 TIM 사이의 혼란이 지속되는 이유

열 인터페이스 재료에 대한 수요는 AI 컴퓨팅 붐과 함께 급격히 증가했으며 Nvidia조차도 최고 전력 칩을 위해 다이아몬드 기반 열 재료를 평가하고 있다는 보고가 있습니다. 이러한 성장 속에서 새로운 범주인 열 전도성 절연 코팅이 시장에 출시되었으며 드롭인 TIM 대체품으로 오해되는 경우가 많습니다.

두 재료는 서로 다른 역할을 합니다. 열 패드나 그리스와 같은 TIM은 두 결합 표면 사이의 공극을 제거하는 것이 핵심 작업인 순수한 인터페이스 필러입니다. 열 전도성 절연 코팅은 기능성 절연 기판입니다. 핵심 가치는 고전압 절연과 장치 또는 방열판의 평평한 베이스입니다. 경화된 후에도 코팅 표면에는 여전히 미세한 봉우리와 골짜기가 있으므로 효율적인 시스템 수준 열 전달을 달성하려면 코팅 표면 위에 TIM 층이 여전히 필요합니다.

1단계: 스루홀 패키지의 자연 냉각

표면 실장 기술이 표준이 되기 전에는 TO 시리즈와 같은 스루홀 패키지를 사용하는 전력 장치가 있었습니다. 열은 칩에서 금속 리드프레임을 통해 핀을 통해 PCB를 거쳐 마지막으로 외부 방열판으로 이동했습니다.

이 단계에서는 열 인터페이스 재료가 아직 원시적이었습니다. 엔지니어들은 주로 열 확산보다는 단열을 위해 일반 산화아연 또는 산화알루미늄 입자로 채워진 간단한 실리콘 기반 열 그리스에 의존했습니다. 얇은 핀 단면이 높은 저항을 생성하고 전류가 증가함에 따라 헤드룸이 거의 남지 않았음에도 불구하고 장치 전력 수준은 와트당 섭씨 50~80도의 TO 패키지 열 저항이 여전히 허용될 만큼 낮았습니다.

2단계: 20년에 걸친 하단 냉각

스위칭 전원 공급 장치와 모터 드라이브가 전력 밀도를 높이면서 업계는 PCB 자체를 1단계 방열판으로 사용하는 BSC(하단면 냉각)로 전환했습니다. 이 아키텍처는 3세대에 걸쳐 대략 20년 동안 전력 패키징을 지배했습니다.

TIM 기술은 이러한 패키지와 함께 발전했습니다. 표준 열 그리스는 어디에나 존재하게 되었고 상 변화 물질은 더 나은 표면 적합성과 펌프아웃 없이 5~10 W/m·K의 전도성을 위해 섭씨 45~60도 근처에서 부드러워지는 상온 고체 옵션으로 사용되기 시작했으며, 알루미나 또는 질화붕소 필러가 포함된 실리콘 또는 아크릴레이트 베이스에 제작된 열 패드는 필러 로딩이 증가함에 따라 6~16 W/m·K에 도달했습니다.

3단계: 와이드 밴드갭 장치를 위한 상단 냉각

더 높은 스위칭 속도, 정격 전압 및 전력 밀도를 갖춘 탄화 규소(SiC) 및 질화 갈륨(GaN) 장치의 등장으로 하단 냉각의 한계가 드러났습니다. 업계의 반응은 TSC(상부 냉각)였습니다. 즉, 패키지 상단의 노출된 금속판이 PCB를 완전히 우회하여 방열판이나 냉각판에 직접 연결됩니다.

열전도성 절연 코팅이 스택을 어떻게 변화시키는가

이 샌드위치를 단순화하기 위해 업계에서는 통합 절연 + 전도 재료로 수성 에폭시 열 전도성 절연 코팅을 개발했습니다. 목표는 하나의 TIM 층과 세라믹 절연 시트를 단일 코팅으로 교체하여 칩, 하나의 TIM 층, 상단 열 전도성 절연 코팅, 수냉식 플레이트 또는 방열판 등 새로운 열 경로를 생성하는 것입니다.

오늘날 생산 등급 코팅의 모습

2022년부터 800V 전기 자동차 플랫폼이 확장되면서 TSC 패키징은 수성 에폭시 코팅 기술과 함께 대량 생산 성숙기에 도달했습니다. MEPCOAT의 MEP 3700 시리즈는 2W/m·K의 열전도율과 3,000~6,000V의 고전압 절연, 강력한 계면 접착력, 자동차 등급 신뢰성을 단일 레이어에 결합한 대표적인 제품입니다.

수천 번의 온도 주기와 96시간의 염수 분무 노출에 대한 자동차 등급 검증을 넘어, 이러한 코팅은 정밀한 두께 제어를 지원합니다. 단일 통과로 5미크론 정도만 도포할 수 있거나 연속적인 분사 및 경화 주기를 통해 절연 수율을 손상시킬 수 있는 기포와 공극을 피하면서 목표 두께까지 쌓을 수 있습니다.

아키텍처가 계속 진화하는 이유

관통 구멍 자연 냉각부터 20년 간의 하단 냉각, 열 전도성 절연 코팅을 사용한 오늘날의 상단 냉각에 이르기까지 이 역사의 모든 단계는 동일한 기본 논리를 따릅니다. 즉, 열 경로를 단축하고, 인터페이스 수를 줄이고, 열 방출에 대한 단열의 균형을 맞추고, 더 작은 장치에 적용합니다. SiC 채택이 확산되고 차량 전압 플랫폼이 800V를 넘어서면서 다층 패드와 세라믹 시트의 한계를 무시하기가 더 어려워지고 코팅과 TIM 페어링이 소형, 고전력 밀도 전기 구동 장치를 위한 실용적인 방법으로 떠오르고 있습니다.

열 전도성 절연 코팅이 열 그리스나 패드를 완전히 대체합니까?

아니요. 코팅은 경화 후에도 미세한 표면 불규칙성을 남기므로 열 그리스나 열 패드와 같은 TIM은 최종 계면 에어 갭을 채우는 데 여전히 필요합니다.

SiC 및 GaN 장치에 상단 냉각이 필요한 이유는 무엇입니까?

광대역갭 장치는 더 빠르게 전환하고, 더 높은 전압에서 실행되며, 기존 실리콘 부품보다 더 작은 설치 공간에 더 많은 전력을 공급하며, PCB를 통한 하단 냉각은 더 이상 이러한 장치가 생성하는 열을 따라잡을 수 없습니다.

세라믹 절연 시트에 대한 코팅의 주요 신뢰성 이점은 무엇입니까?

코팅은 물리적 접촉에 의존하지 않고 방열판 표면에 화학적 결합을 형성하며, 에폭시 매트릭스에는 세라믹 취성 균열 위험이 없으므로 자동차 등급 진동 및 열 사이클링에서 더 잘 견딥니다.

열 전도성 절연 코팅으로 불규칙하거나 구부러진 장치 표면을 덮을 수 있습니까?

예. 사전 절단된 시트가 아닌 스프레이로 도포되기 때문에 단일 공정 단계에서 곡면, 홈 및 작은 상단 냉각 장치 형상을 완전히 감쌀 수 있습니다.