二維材料在電力電子器件中的散熱應(yīng)用

鮑 婕，寧仁霞，許 媛，徐文藝

(1.黃山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，安徽黃山 245041;2.黃山學(xué)院半導(dǎo)體技術(shù)與微系統(tǒng)研究所，安徽黃山 245041;3.黃山寶霓二維新材科技有限公司，安徽黃山 245900)

電力電子應(yīng)用市場(chǎng)需求的不斷提高，推動(dòng)了新型電力電子器件及相關(guān)半導(dǎo)體材料的研究和發(fā)展[1-2]，從傳統(tǒng)的晶閘管到智能功率模塊，從硅基器件到碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)寬禁帶器件。同時(shí)，器件的封裝正朝著小體積和三維封裝發(fā)展，電力電子器件的功率等級(jí)不斷提高，而溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致器件電學(xué)性能、機(jī)械性能的下降[3-5]，從而影響產(chǎn)品的壽命及可靠性，因此，電力電子器件封裝結(jié)構(gòu)的散熱性能成為至關(guān)重要的問(wèn)題。

根據(jù)功率大小和使用條件等差別，電力電子器件選取不同的散熱方式，如風(fēng)冷、熱管、液冷、微通道冷卻和噴射冷卻，以及基于新材料的散熱結(jié)構(gòu)等[5-6]。近年來(lái)，二維材料的典型代表石墨烯由于強(qiáng)sp2鍵帶來(lái)超高的熱導(dǎo)率5300 W/(m·K)，被提出可以作為一種有前景的散熱材料[7]。很多文獻(xiàn)中報(bào)道了各類石墨烯基薄膜、石墨烯紙、多層石墨烯/環(huán)氧聚合材料以及石墨烯薄片等，都可以用來(lái)做電子器件中的散熱層[8-13]。具有類似結(jié)構(gòu)特征的二維六方氮化硼(Two-Dimensional Hexagonal Boron Nitride，2D-hBN)，作為導(dǎo)熱卻不導(dǎo)電的材料，面內(nèi)熱導(dǎo)率達(dá)390 W/(m·K)[14-15]，其熱膨脹系數(shù)是目前陶瓷材料中最小的，同樣表現(xiàn)出在下一代電子器件散熱中的應(yīng)用前景[16-17]。然而圍繞兩種二維材料的散熱應(yīng)用研究大部分都集中在集成電路芯片及器件中，很少有電力電子器件結(jié)構(gòu)中的相關(guān)報(bào)道。

本文著眼于大功率電力電子器件的發(fā)展需求，在現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，發(fā)揮石墨烯及2D-hBN物化性能和熱傳導(dǎo)性能等方面都與半導(dǎo)體器件良好匹配的優(yōu)勢(shì)，將兩種二維材料作為高熱導(dǎo)封裝材料，應(yīng)用到電力電子器件封裝結(jié)構(gòu)中，從橫向和縱向同時(shí)減小熱阻，提出新一代電力電子器件的熱管理方案。

1 基于二維材料的封裝結(jié)構(gòu)及散熱機(jī)理

以市場(chǎng)影響力舉足輕重的絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT)為例， 高溫下其傳熱速度明顯比常溫時(shí)低，容易因?yàn)闊釗舸┒鵁龤骷?，同時(shí)，溫度升高時(shí)IGBT器件中載流子遷移率下降，導(dǎo)致關(guān)斷尾流時(shí)間長(zhǎng)，飽和導(dǎo)通壓降增大[18]，功耗提高。當(dāng)IGBT反復(fù)開(kāi)通或關(guān)斷時(shí)，熱沖擊作用下產(chǎn)生的失效或疲勞效應(yīng)，嚴(yán)重影響其工作壽命和可靠性，其中綁定引線、綁定點(diǎn)以及焊料層是IGBT封裝結(jié)構(gòu)中最脆弱的部分[19]，如圖1所示。針對(duì)失效機(jī)理及原因分析，改進(jìn)散熱技術(shù)，使IGBT模塊產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳遞到外部空間，可以避免或延緩失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1.1 封裝結(jié)構(gòu)

本文提出了基于二維材料的新型IGBT器件封裝結(jié)構(gòu)，如圖2所示，IGBT芯片的發(fā)射極和快速恢復(fù)二極管(Fast Recovery Diode，F(xiàn)RD)芯片的陽(yáng)極表面應(yīng)用化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)方法生長(zhǎng)的高熱導(dǎo)率石墨烯薄膜作為散熱輔助層，將熱點(diǎn)的熱量在橫向迅速散開(kāi)，降低芯片局部熱點(diǎn)的最高溫度，改變芯片熱量從基板向外傳輸?shù)穆窂浇嵌?，加快散熱速度?/p>

圖1 IGBT模塊失效位置剖面圖[19]Fig.1 Failure position profile of IGBT module[19]

圖2 基于二維材料的IGBT封裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of IGBT packaging structure based on two-dimensional materials

同時(shí)，采用液相剝離法制備2D-hBN，借助其比表面積大、導(dǎo)熱系數(shù)高的優(yōu)勢(shì)，將其填充到封裝樹(shù)脂中，使導(dǎo)熱顆粒之間通過(guò)2D-hBN的表面搭載作用形成更為良好的熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，從而減小封裝整體的縱向熱阻，提升IGBT器件的散熱性能。

1.2 散熱機(jī)理

在IGBT器件的傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)中，芯片上局部熱點(diǎn)的熱量主要通過(guò)自上而下傳輸?shù)礁层~陶瓷基板(Direct Bonding Copper，DBC)，再到外基板，進(jìn)而通過(guò)熱沉散發(fā)到環(huán)境中，熱傳導(dǎo)路徑如圖3(a)所示，另外熱量從芯片向上通過(guò)封裝樹(shù)脂及外殼散發(fā)到環(huán)境中是次要熱傳導(dǎo)路徑，由于封裝樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)較低，次要路徑的熱傳導(dǎo)速度較慢，熱量大部分從主要路徑傳出。本文提出的基于二維材料的IGBT器件封裝結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)路徑如圖3(b)所示，轉(zhuǎn)移到芯片表面的石墨烯薄膜由于其橫向熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅材料，局部熱點(diǎn)的熱量會(huì)沿著石墨烯薄膜的表面迅速橫向傳開(kāi)，使熱量從單點(diǎn)聚集形式變化為平面分布，從而改變熱傳導(dǎo)路徑的傳熱角度，大大提高熱量散發(fā)的速度。

圖3 不同封裝結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)路徑對(duì)比:(a)傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)路徑示意圖;(b)基于二維材料的封裝結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)路徑示意圖Fig.3 Thermal conduction paths comparison of different packaging structures:(a)traditional packaging structure;(b)packaging structure based on two-dimensional materials

封裝結(jié)構(gòu)中封裝樹(shù)脂里的導(dǎo)熱顆粒是否能形成“導(dǎo)熱網(wǎng)鏈”是提升復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵。傳統(tǒng)封裝樹(shù)脂中導(dǎo)熱顆粒含量少時(shí)雖然分散均勻，但顆粒表面被基體包裹，彼此沒(méi)有接觸，如圖4(a)所示，對(duì)整體導(dǎo)熱貢獻(xiàn)不大;含量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能下降。2D-hBN的比表面積大，將導(dǎo)熱顆粒負(fù)載于二維表面，借助其橫向?qū)嵯禂?shù)高的優(yōu)勢(shì)，在未接觸的導(dǎo)熱顆粒之間作為熱傳導(dǎo)的橋梁，在復(fù)合基體中構(gòu)建熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，如圖4(b)所示，從而有效提高封裝樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)，使得熱傳導(dǎo)次要路徑也在散熱過(guò)程中充分發(fā)揮作用。在石墨烯薄膜的共同作用下，從封裝結(jié)構(gòu)的橫向和縱向同時(shí)減小熱阻，交叉散熱，大大提高了IGBT器件整體的熱傳導(dǎo)性能。

2 封裝方案及二維材料工藝過(guò)程

IGBT器件的封裝工藝包括DBC基板上涂覆焊料、IGBT/FRD芯片貼裝、DBC/母線組裝、焊接、清洗、引線鍵合、樹(shù)脂注塑、固化封裝等。本文提出的基于二維材料的IGBT器件封裝工藝流程如圖5所示，在現(xiàn)有封裝工藝的基礎(chǔ)上增加石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移及2D-hBN制備、復(fù)合的相關(guān)步驟。

圖4 封裝樹(shù)脂的微觀結(jié)構(gòu)示意圖:(a)傳統(tǒng)封裝樹(shù)脂的微觀結(jié)構(gòu)示意圖;(b)2D-hBN基封裝樹(shù)脂的微觀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Microstructure diagram of encapsulated resin:(a)traditional encapsulated resin;(b)2D-hBN based encapsulated resin

圖5 基于二維材料的IGBT器件封裝工藝流程圖Fig.5 Process flow chart of IGBT devices packaging based on two-dimensional materials

2.1 石墨烯薄膜的制備及轉(zhuǎn)移

采用CVD法在25 μm厚的銅箔上生長(zhǎng)單層石墨烯，樣品(南京先豐納米材料公司提供)的微觀表征如圖6所示，從透射電鏡(Transmission Electron Microscopy，TEM)可以看到石墨烯樣品為單原子層，拉曼光譜中G峰和2D峰的強(qiáng)度比約為0.25，2D峰的半高全寬約29 cm-1，這些都符合單層石墨烯的特征。

銅箔上的單層石墨烯轉(zhuǎn)移到目標(biāo)芯片時(shí)要求得到干凈、連續(xù)、無(wú)褶皺的薄膜，本文采用氣泡分離法，相比于基底刻蝕法，前者工藝步驟簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)移過(guò)程引入雜質(zhì)少，而且銅箔可以回收再利用，節(jié)約成本。氣泡分離過(guò)程參見(jiàn)圖7，具體步驟包括:旋涂聚合物支撐層、粘貼輔助框架、電解液中構(gòu)建電流回路、電解反應(yīng)將銅箔剝離、薄膜清洗、轉(zhuǎn)移到目標(biāo)芯片、切除框架、去除聚合物支撐層、清洗吹干。

2.2 2D-hBN的制備及導(dǎo)熱顆粒的改性

考慮與后續(xù)導(dǎo)熱顆粒改性工藝的兼容，本文選用液相剝離法制備2D-hBN，將平均粒徑1 μm的hBN粉末(Sigma-Aldrich提供)在一定配比的乙醇/水溶液中通過(guò)強(qiáng)超聲(FR-1025)作用進(jìn)行剝離，離心處理后得到2D-hBN分散液，其微觀表征參見(jiàn)圖8，從TEM照片中可以看到2D-hBN呈現(xiàn)出很好的分散性，直徑范圍在數(shù)百納米到微米之間;X衍射圖中在(002)面出現(xiàn)峰型尖銳且強(qiáng)度較大的衍射峰，其2θ角是26.62°，峰值集中且峰形很窄說(shuō)明純度很高，產(chǎn)物的結(jié)晶度很好。

圖6 單層石墨烯的微觀表征Fig.6 Microscopic characterization of graphene

圖7 氣泡分離過(guò)程實(shí)物圖Fig.7 Bubble separation process photo

本文以納米hBN作為導(dǎo)熱顆粒填充到環(huán)氧樹(shù)脂基體中制備封裝樹(shù)脂，將2D-hBN通過(guò)弱超聲作用分散在納米hBN顆粒表面，形成復(fù)合導(dǎo)熱顆粒，微觀結(jié)構(gòu)如圖9所示。SEM照片中顯示大部分為片狀納米hBN，且方向多為平行，其中包含少量直徑較大的2D-hBN;TEM照片中可以進(jìn)一步看到其分布狀態(tài)，大薄膜套著小薄膜，將各個(gè)顆粒連成一片，利于 “導(dǎo)熱網(wǎng)鏈”的形成。

圖8 液相剝離2D-hBN的微觀表征Fig.8 Microscopic characterization of 2D-hBN prepared by liquid phase method

圖9 復(fù)合導(dǎo)熱顆粒的微觀表征Fig.9 Microscopic characterization of composite thermal conductive particles

3 結(jié)論

雖然石墨烯及二維六方氮化硼材料具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性，實(shí)驗(yàn)室中也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，但是針對(duì)電力電子器件封裝結(jié)構(gòu)中的散熱應(yīng)用仍然沒(méi)有形成行業(yè)認(rèn)可的共性方案，散熱效果與材料的制備方法、目標(biāo)基體的特性、轉(zhuǎn)移與應(yīng)用技術(shù)方案等因素都有著密切的關(guān)系，這個(gè)領(lǐng)域的研究工作還有很長(zhǎng)的路要走。針對(duì)本文提出的基于二維材料的電力電子器件封裝結(jié)構(gòu)，繼續(xù)進(jìn)行工藝優(yōu)化及機(jī)理分析，從而尋求一套成熟可靠、可行性強(qiáng)的新一代電力電子器件的熱管理技術(shù)。