Lapisan Isolasi Konduktif Termal untuk Modul Daya TSC

Lapisan isolasi konduktif termal adalah bahan dasar isolasi fungsional yang memberikan perlindungan dielektrik tegangan tinggi dan permukaan pemasangan datar, dengan konduksi termal sebagai manfaat sekunder. Berbeda dengan bahan antarmuka termal (TIM), bahan ini tidak dapat menghilangkan celah udara antar muka dengan sendirinya, sehingga bahan ini diterapkan bersama dengan lapisan TIM dan bukan sebagai pengganti yang berdiri sendiri.

Mengapa Kebingungan Antara Pelapis dan TIM Masih Ada

Permintaan bahan antarmuka termal telah meningkat tajam seiring dengan booming komputasi AI, dengan laporan bahwa bahkan Nvidia sedang mengevaluasi bahan termal berbasis berlian untuk chip berkekuatan tertinggi. Di tengah pertumbuhan ini, kategori baru, lapisan isolasi konduktif termal, telah memasuki pasar dan sering disalahartikan sebagai pengganti TIM.

Kedua bahan tersebut melayani pekerjaan yang berbeda. TIM, seperti bantalan termal atau gemuk, adalah pengisi antarmuka murni yang tugas utamanya menghilangkan celah udara antara dua permukaan yang berpasangan. Lapisan isolasi konduktif termal adalah substrat isolasi fungsional: nilai intinya adalah isolasi tegangan tinggi dan dasar rata untuk perangkat atau heatsink. Setelah disembuhkan, permukaan lapisan masih memiliki puncak dan lembah mikroskopis, sehingga lapisan TIM masih diperlukan di atasnya untuk mencapai perpindahan panas tingkat sistem yang efisien.

Tahap Satu: Pendinginan Alami dalam Paket Melalui Lubang

Sebelum teknologi pemasangan di permukaan menjadi standar, perangkat listrik menggunakan paket lubang tembus seperti seri TO. Panas berpindah dari chip melalui rangka logam, keluar melalui pin, melintasi PCB, dan akhirnya masuk ke heatsink eksternal.

Bahan antarmuka termal masih primitif pada tahap ini. Para insinyur mengandalkan pelumas termal berbasis silikon sederhana yang diisi dengan partikel seng oksida atau aluminium oksida biasa, terutama untuk insulasi daripada penyebaran panas. Tingkat daya perangkat cukup rendah sehingga ketahanan termal paket TO sebesar 50 hingga 80 derajat Celcius per watt masih dapat diterima, meskipun penampang pin yang tipis menciptakan resistansi yang tinggi dan menyisakan sedikit ruang kepala saat arus meningkat.

Tahap Kedua: Pendinginan Sisi Bawah Dua Dekade

Ketika peralihan pasokan listrik dan penggerak motor mendorong kepadatan daya lebih tinggi, industri beralih ke pendinginan sisi bawah (BSC), menggunakan PCB itu sendiri sebagai heatsink tahap pertama. Arsitektur ini mendominasi pengemasan daya selama kurang lebih dua puluh tahun dalam tiga generasi.

Teknologi TIM semakin matang seiring dengan paket-paket ini. Pelumas termal standar kini ada di mana-mana, material pengubah fasa mulai digunakan sebagai opsi padat pada suhu kamar yang melunak mendekati 45 hingga 60 derajat Celcius untuk kesesuaian permukaan yang lebih baik dan konduktivitas 5 hingga 10 W/m·K tanpa pemompaan, dan bantalan termal yang dibuat di atas dasar silikon atau akrilat dengan pengisi alumina atau boron nitrida mencapai 6 hingga 16 W/m·K seiring dengan peningkatan pemuatan pengisi.

Tahap Tiga: Pendinginan Sisi Atas untuk Perangkat dengan Celah Pita Lebar

Maraknya perangkat silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN), dengan kecepatan peralihan, peringkat tegangan, dan kepadatan daya yang lebih tinggi, memperlihatkan batas-batas pendinginan sisi bawah. Respons industri adalah pendinginan sisi atas (TSC): pelat logam terbuka di bagian atas kemasan terhubung langsung ke heatsink atau pelat dingin, sehingga melewati seluruh PCB.

Bagaimana Lapisan Isolasi Konduktif Termal Mengubah Tumpukan

Untuk menyederhanakan sandwich ini, industri mengembangkan lapisan isolasi konduktif termal epoksi yang ditularkan melalui air sebagai bahan isolasi-plus-konduksi yang terintegrasi. Tujuannya adalah untuk mengganti satu lapisan TIM dan lembaran insulasi keramik dengan satu lapisan, sehingga menghasilkan jalur panas baru: chip, satu lapisan TIM, lapisan insulasi konduktif termal sisi atas, lalu pelat atau heatsink berpendingin air.

Seperti Apa Pelapis Kelas Produksi Saat Ini

Sejak tahun 2022, seiring dengan peningkatan platform kendaraan listrik 800V, kemasan TSC mencapai kematangan produksi massal bersamaan dengan teknologi pelapisan epoksi yang ditularkan melalui air. Seri MEP 3700 MEPCOAT adalah salah satu produk representatif, yang menggabungkan konduktivitas termal 2 W/m·K dengan isolasi tegangan tinggi 3.000 hingga 6.000V, daya rekat antarmuka yang kuat, dan keandalan tingkat otomotif dalam satu lapisan.

Selain validasi tingkat otomotif dalam ribuan siklus suhu dan paparan semprotan garam selama 96 jam, lapisan ini mendukung kontrol ketebalan yang presisi: satu kali lintasan dapat menghasilkan sedikitnya lima mikron, atau siklus penyemprotan dan pengawetan berturut-turut dapat mencapai ketebalan target sekaligus menghindari gelembung dan rongga yang dapat merusak hasil isolasi.

Mengapa Arsitektur Terus Berkembang

Setiap tahapan dalam sejarah ini, mulai dari pendinginan alami melalui lubang hingga pendinginan sisi bawah selama dua dekade hingga pendinginan sisi atas saat ini dengan lapisan insulasi konduktif termal, mengikuti logika dasar yang sama: memperpendek jalur panas, mengurangi jumlah antarmuka, menyeimbangkan isolasi terhadap pembuangan panas, dan beradaptasi dengan perangkat yang lebih kecil. Ketika adopsi SiC menyebar dan platform voltase kendaraan melampaui 800V, batasan bantalan multilayer dan lembaran keramik menjadi lebih sulit untuk diabaikan, dan pemasangan pelapis plus TIM muncul sebagai cara praktis ke depan untuk unit penggerak listrik kompak dan berdensitas daya tinggi.

Apakah lapisan isolasi konduktif termal menggantikan pelumas atau bantalan termal seluruhnya?

Tidak. Lapisan masih meninggalkan ketidakteraturan permukaan mikroskopis setelah proses pengawetan, sehingga TIM seperti pelumas termal atau bantalan termal tetap diperlukan untuk mengisi celah udara antarmuka akhir.

Mengapa pendinginan sisi atas diperlukan untuk perangkat SiC dan GaN?

Perangkat dengan celah pita lebar beralih lebih cepat, bekerja pada voltase lebih tinggi, dan mengemas lebih banyak daya ke dalam ukuran yang lebih kecil dibandingkan komponen silikon lama, dan pendinginan sisi bawah melalui PCB tidak dapat lagi mengimbangi panas yang dihasilkan perangkat ini.

Apa keunggulan keandalan utama pelapis dibandingkan lembaran insulasi keramik?

Lapisan tersebut membentuk ikatan kimia pada permukaan heatsink dibandingkan mengandalkan kontak fisik, dan matriks epoksinya tidak memiliki risiko retak rapuh pada keramik, sehingga mampu bertahan lebih baik dalam getaran tingkat otomotif dan siklus termal.

Dapatkah lapisan isolasi konduktif termal menutupi permukaan perangkat yang tidak beraturan atau melengkung?

Ya. Karena diaplikasikan dengan cara disemprotkan dan bukan sebagai lembaran yang sudah dipotong sebelumnya, bahan ini dapat sepenuhnya membungkus permukaan melengkung, alur, dan geometri perangkat pendingin kecil di sisi atas dalam satu langkah proses.