Wärmeleitende Isolierbeschichtung für TSC-Leistungsmodule

Eine wärmeleitende Isolierbeschichtung ist ein funktionelles isolierendes Grundmaterial, das einen dielektrischen Hochspannungsschutz und eine ebene Montagefläche bietet, mit Wärmeleitung als sekundärem Vorteil. Im Gegensatz zu einem thermischen Schnittstellenmaterial (TIM) kann es die Luftspalte an der Grenzfläche nicht allein beseitigen, daher wird es zusammen mit einer TIM-Schicht aufgetragen und nicht als eigenständiger Ersatz.

Warum die Verwechslung zwischen Beschichtungen und TIMs weiterhin besteht

Die Nachfrage nach thermischen Schnittstellenmaterialien ist im Zuge des KI-Computing-Booms stark gestiegen. Berichten zufolge evaluiert sogar Nvidia diamantbasierte thermische Materialien für seine leistungsstärksten Chips. Inmitten dieses Wachstums ist eine neuere Kategorie, die wärmeleitende Isolierbeschichtung, auf den Markt gekommen und wird häufig mit einem Drop-in-TIM-Ersatz verwechselt.

Die beiden Materialien erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Ein TIM, beispielsweise ein Wärmeleitpad oder ein Wärmeleitfett, ist ein reiner Grenzflächenfüller, dessen Kernaufgabe darin besteht, den Luftspalt zwischen zwei Kontaktflächen zu beseitigen. Eine wärmeleitende Isolierbeschichtung ist ein funktionelles Isoliersubstrat: Ihr Kernwert ist die Hochspannungsisolierung und eine abgeflachte Basis für das Gerät oder den Kühlkörper. Nach dem Aushärten weist die Beschichtungsoberfläche immer noch mikroskopisch kleine Spitzen und Täler auf, so dass darüber immer noch eine TIM-Schicht erforderlich ist, um eine effiziente Wärmeübertragung auf Systemebene zu erreichen.

Stufe eins: Natürliche Kühlung in Durchsteckgehäusen

Bevor die Oberflächenmontagetechnologie zum Standard wurde, verwendeten Leistungsgeräte Durchkontaktierungsgehäuse wie die TO-Serie. Die Wärme wanderte vom Chip durch einen Metallträger, durch die Stifte nach außen, über die Leiterplatte und schließlich in einen externen Kühlkörper.

Wärmeschnittstellenmaterialien waren zu diesem Zeitpunkt noch primitiv. Die Ingenieure verließen sich auf einfache Wärmeleitpaste auf Silikonbasis, die mit gewöhnlichen Zinkoxid- oder Aluminiumoxidpartikeln gefüllt war, hauptsächlich zur Isolierung und nicht zur Wärmeverteilung. Die Leistungspegel der Geräte waren so niedrig, dass ein thermischer Widerstand des TO-Gehäuses von 50 bis 80 Grad Celsius pro Watt immer noch akzeptabel war, auch wenn dünne Stiftquerschnitte einen hohen Widerstand erzeugten und bei steigenden Strömen wenig Spielraum ließen.

Stufe zwei: Zwei Jahrzehnte Kühlung auf der Unterseite

Als Schaltnetzteile und Motorantriebe die Leistungsdichte erhöhten, wechselte die Branche zur Bottom-Side-Kühlung (BSC) und nutzte die Leiterplatte selbst als Kühlkörper der ersten Stufe. Diese Architektur dominierte etwa zwanzig Jahre lang über drei Generationen hinweg die Stromversorgungstechnik.

Die TIM-Technologie entwickelte sich parallel zu diesen Paketen weiter. Standard-Wärmeleitpaste wurde allgegenwärtig, Phasenwechselmaterialien wurden als bei Raumtemperatur feste Option eingesetzt, die bei etwa 45 bis 60 Grad Celsius erweicht und so eine bessere Oberflächenkonformität und Leitfähigkeit von 5 bis 10 W/m·K ohne Abpumpen erzielt, und Wärmeleitpads auf Silikon- oder Acrylatbasis mit Aluminiumoxid- oder Bornitrid-Füllstoffen erreichten mit zunehmender Füllstoffbeladung 6 bis 16 W/m·K.

Stufe drei: Oberseitenkühlung für Geräte mit großer Bandlücke

Der Aufstieg von Geräten aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) mit ihren höheren Schaltgeschwindigkeiten, Nennspannungen und Leistungsdichten hat die Grenzen der Kühlung auf der Unterseite aufgezeigt. Die Reaktion der Branche war die Top-Side-Kühlung (TSC): Eine freiliegende Metallplatte auf der Oberseite des Gehäuses wird direkt mit einem Kühlkörper oder einer Kühlplatte verbunden und umgeht dabei die Leiterplatte vollständig.

Wie eine wärmeleitende Isolierbeschichtung den Stapel verändert

Um dieses Sandwich zu vereinfachen, hat die Industrie eine wasserbasierte wärmeleitende Epoxid-Isolierbeschichtung als integriertes Isolations-plus-Leitungsmaterial entwickelt. Ziel ist es, eine TIM-Schicht und eine keramische Isolierplatte durch eine einzige Beschichtung zu ersetzen und so einen neuen Wärmepfad zu erzeugen: Chip, eine TIM-Schicht, wärmeleitende Isolierbeschichtung auf der Oberseite, dann die wassergekühlte Platte oder der Kühlkörper.

Wie produktionstaugliche Beschichtungen heute aussehen

Seit 2022, als die Plattformen für 800-V-Elektrofahrzeuge skaliert wurden, haben TSC-Verpackungen neben der Epoxidbeschichtungstechnologie auf Wasserbasis die Massenproduktionsreife erreicht. Die MEP 3700-Serie von MEPCOAT ist ein repräsentatives Produkt, das eine Wärmeleitfähigkeit von 2 W/m·K mit einer Hochspannungsisolierung von 3.000 bis 6.000 V, starker Grenzflächenhaftung und Zuverlässigkeit auf Automobilniveau in einer einzigen Schicht kombiniert.

Über die Validierung in Automobilqualität über Tausende von Temperaturzyklen und 96 Stunden Salzsprühnebeleinwirkung hinaus unterstützen diese Beschichtungen eine präzise Dickenkontrolle: Mit einem einzigen Durchgang können nur fünf Mikrometer aufgetragen werden, oder durch aufeinanderfolgende Sprüh- und Aushärtungszyklen kann eine Zieldicke erreicht werden, während Blasen und Hohlräume vermieden werden, die andernfalls die Isolationsleistung beeinträchtigen würden.

Warum sich die Architektur ständig weiterentwickelt

Jede Phase dieser Geschichte, von der natürlichen Kühlung durch Durchgangsbohrungen über zwei Jahrzehnte der Kühlung auf der Unterseite bis hin zur heutigen Kühlung auf der Oberseite mit wärmeleitender Isolierbeschichtung, folgt der gleichen Grundlogik: Verkürzung des Wärmepfads, Verringerung der Anzahl von Schnittstellen, Ausgleich von Isolierung und Wärmeableitung und Anpassung an kleinere Geräte. Mit zunehmender Verbreitung von SiC und Fahrzeugspannungsplattformen, die 800 V überschreiten, werden die Grenzen von Mehrschichtpads und Keramikplatten immer schwerer zu ignorieren, und die Kombination aus Beschichtung und TIM erweist sich als praktischer Weg nach vorn für kompakte elektrische Antriebseinheiten mit hoher Leistungsdichte.

Ersetzt eine wärmeleitende Isolierbeschichtung Wärmeleitpaste oder -pads vollständig?

Nein. Eine Beschichtung hinterlässt nach dem Aushärten immer noch mikroskopisch kleine Oberflächenunregelmäßigkeiten, sodass ein TIM wie Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad weiterhin erforderlich ist, um den endgültigen Luftspalt an der Grenzfläche zu füllen.

Warum wurde für SiC- und GaN-Geräte eine Kühlung auf der Oberseite notwendig?

Geräte mit großer Bandlücke schalten schneller, arbeiten mit höherer Spannung und packen mehr Leistung auf kleinerer Fläche als herkömmliche Siliziumteile, und die Kühlung auf der Unterseite durch die Leiterplatte konnte mit der von diesen Geräten erzeugten Wärme nicht mehr Schritt halten.

Was ist der größte Zuverlässigkeitsvorteil einer Beschichtung gegenüber einer keramischen Isolierplatte?

Die Beschichtung geht eine chemische Bindung mit der Kühlkörperoberfläche ein, ohne auf physischen Kontakt angewiesen zu sein, und ihre Epoxidmatrix birgt keine Gefahr von Keramiksprödungsrissen, so dass sie Vibrationen und thermischen Zyklen in Automobilqualität besser standhält.

Kann eine wärmeleitende Isolierbeschichtung unregelmäßige oder gewölbte Geräteoberflächen abdecken?

Ja. Da es durch Sprühen und nicht als vorgeschnittene Platte aufgetragen wird, kann es in einem einzigen Prozessschritt gekrümmte Oberflächen, Rillen und kleine Geometrien von Kühlgeräten auf der Oberseite vollständig umhüllen.