二維材料在電力電子器件中的散熱應用

鮑 婕，寧仁霞，許 媛，徐文藝

(1.黃山學院機電工程學院，安徽黃山 245041;2.黃山學院半導體技術與微系統研究所，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)

電力電子應用市場需求的不斷提高，推動了新型電力電子器件及相關半導體材料的研究和發展[1-2]，從傳統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，器件的封裝正朝著小體積和三維封裝發展，電力電子器件的功率等級不斷提高，而溫度過高會導致器件電學性能、機械性能的下降[3-5]，從而影響產品的壽命及可靠性，因此，電力電子器件封裝結構的散熱性能成為至關重要的問題。

根據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構等[5-6]。近年來，二維材料的典型代表石墨烯由于強sp2鍵帶來超高的熱導率5300 W/(m·K)，被提出可以作為一種有前景的散熱材料[7]。很多文獻中報道了各類石墨烯基薄膜、石墨烯紙、多層石墨烯/環氧聚合材料以及石墨烯薄片等，都可以用來做電子器件中的散熱層[8-13]。具有類似結構特征的二維六方氮化硼(Two-Dimensional Hexagonal Boron Nitride，2D-hBN)，作為導熱卻不導電的材料，面內熱導率達390 W/(m·K)[14-15]，其熱膨脹系數是目前陶瓷材料中最小的，同樣表現出在下一代電子器件散熱中的應用前景[16-17]。然而圍繞兩種二維材料的散熱應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構中的相關報道。

本文著眼于大功率電力電子器件的發展需求，在現有封裝結構的基礎上，發揮石墨烯及2D-hBN物化性能和熱傳導性能等方面都與半導體器件良好匹配的優勢，將兩種二維材料作為高熱導封裝材料，應用到電力電子器件封裝結構中，從橫向和縱向同時減小熱阻，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構及散熱機理

以市場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低，容易因為熱擊穿而燒毀器件，同時，溫度升高時IGBT器件中載流子遷移率下降，導致關斷尾流時間長，飽和導通壓降增大[18]，功耗提高。當IGBT反復開通或關斷時，熱沖擊作用下產生的失效或疲勞效應，嚴重影響其工作壽命和可靠性，其中綁定引線、綁定點以及焊料層是IGBT封裝結構中最脆弱的部分[19]，如圖1所示。針對失效機理及原因分析，改進散熱技術，使IGBT模塊產生的熱量及時傳遞到外部空間，可以避免或延緩失效現象的出現。

1.1 封裝結構

本文提出了基于二維材料的新型IGBT器件封裝結構，如圖2所示，IGBT芯片的發射極和快速恢復二極管(Fast Recovery Diode，FRD)芯片的陽極表面應用化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)方法生長的高熱導率石墨烯薄膜作為散熱輔助層，將熱點的熱量在橫向迅速散開，降低芯片局部熱點的最高溫度，改變芯片熱量從基板向外傳輸的路徑角度，加快散熱速度。

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封裝結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of IGBT packaging structure based on two-dimensional materials

同時，采用液相剝離法制備2D-hBN，借助其比表面積大、導熱系數高的優勢，將其填充到封裝樹脂中，使導熱顆粒之間通過2D-hBN的表面搭載作用形成更為良好的熱傳導網絡，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 散熱機理

在IGBT器件的傳統封裝結構中，芯片上局部熱點的熱量主要通過自上而下傳輸到覆銅陶瓷基板(Direct Bonding Copper，DBC)，再到外基板，進而通過熱沉散發到環境中，熱傳導路徑如圖3(a)所示，另外熱量從芯片向上通過封裝樹脂及外殼散發到環境中是次要熱傳導路徑，由于封裝樹脂的導熱系數較低，次要路徑的熱傳導速度較慢，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器件封裝結構，熱傳導路徑如圖3(b)所示，轉移到芯片表面的石墨烯薄膜由于其橫向熱導率遠遠高于硅材料，局部熱點的熱量會沿著石墨烯薄膜的表面迅速橫向傳開，使熱量從單點聚集形式變化為平面分布，從而改變熱傳導路徑的傳熱角度，大大提高熱量散發的速度。

圖3 不同封裝結構的熱傳導路徑對比:(a)傳統封裝結構的熱傳導路徑示意圖;(b)基于二維材料的封裝結構熱傳導路徑示意圖Fig.3 Thermal conduction paths comparison of different packaging structures:(a)traditional packaging structure;(b)packaging structure based on two-dimensional materials

封裝結構中封裝樹脂里的導熱顆粒是否能形成“導熱網鏈”是提升復合材料導熱性能的關鍵。傳統封裝樹脂中導熱顆粒含量少時雖然分散均勻，但顆粒表面被基體包裹，彼此沒有接觸，如圖4(a)所示，對整體導熱貢獻不大;含量過大會導致復合材料力學性能下降。2D-hBN的比表面積大，將導熱顆粒負載于二維表面，借助其橫向導熱系數高的優勢，在未接觸的導熱顆粒之間作為熱傳導的橋梁，在復合基體中構建熱傳導網絡，如圖4(b)所示，從而有效提高封裝樹脂的導熱系數，使得熱傳導次要路徑也在散熱過程中充分發揮作用。在石墨烯薄膜的共同作用下，從封裝結構的橫向和縱向同時減小熱阻，交叉散熱，大大提高了IGBT器件整體的熱傳導性能。

2 封裝方案及二維材料工藝過程

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，在現有封裝工藝的基礎上增加石墨烯薄膜轉移及2D-hBN制備、復合的相關步驟。

圖4 封裝樹脂的微觀結構示意圖:(a)傳統封裝樹脂的微觀結構示意圖;(b)2D-hBN基封裝樹脂的微觀結構示意圖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移

采用CVD法在25 μm厚的銅箔上生長單層石墨烯，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移到目標芯片時要求得到干凈、連續、無褶皺的薄膜，本文采用氣泡分離法，相比于基底刻蝕法，前者工藝步驟簡單，轉移過程引入雜質少，而且銅箔可以回收再利用，節約成本。氣泡分離過程參見圖7，具體步驟包括:旋涂聚合物支撐層、粘貼輔助框架、電解液中構建電流回路、電解反應將銅箔剝離、薄膜清洗、轉移到目標芯片、切除框架、去除聚合物支撐層、清洗吹干。

2.2 2D-hBN的制備及導熱顆粒的改性

考慮與后續導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/水溶液中通過強超聲(FR-1025)作用進行剝離，離心處理后得到2D-hBN分散液，其微觀表征參見圖8，從TEM照片中可以看到2D-hBN呈現出很好的分散性，直徑范圍在數百納米到微米之間;X衍射圖中在(002)面出現峰型尖銳且強度較大的衍射峰，其2θ角是26.62°，峰值集中且峰形很窄說明純度很高，產物的結晶度很好。

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

圖7 氣泡分離過程實物圖Fig.7 Bubble separation process photo

本文以納米hBN作為導熱顆粒填充到環氧樹脂基體中制備封裝樹脂，將2D-hBN通過弱超聲作用分散在納米hBN顆粒表面，形成復合導熱顆粒，微觀結構如圖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照片中可以進一步看到其分布狀態，大薄膜套著小薄膜，將各個顆粒連成一片，利于 “導熱網鏈”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 復合導熱顆粒的微觀表征Fig.9 Microscopic characterization of composite thermal conductive particles

3 結論

雖然石墨烯及二維六方氮化硼材料具有優異的熱傳導特性，實驗室中也進行了大量的實驗研究，但是針對電力電子器件封裝結構中的散熱應用仍然沒有形成行業認可的共性方案，散熱效果與材料的制備方法、目標基體的特性、轉移與應用技術方案等因素都有著密切的關系，這個領域的研究工作還有很長的路要走。針對本文提出的基于二維材料的電力電子器件封裝結構，繼續進行工藝優化及機理分析，從而尋求一套成熟可靠、可行性強的新一代電力電子器件的熱管理技術。