“白色石墨烯”在功率半導(dǎo)體器件中的散熱應(yīng)用

鮑婕 王艷 黃甘 戴薇

摘 要 以石墨烯為代表的二維材料由于其特殊結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)異性能，其導(dǎo)熱能力尤其出色，然而很多應(yīng)用場(chǎng)合都需要導(dǎo)熱卻不導(dǎo)電的界面材料，二維層狀六方氮化硼（h-BN）即“白色石墨烯”為該領(lǐng)域應(yīng)用提供了可能。本文介紹了h-BN在功率半導(dǎo)體器件中的散熱應(yīng)用，并通過(guò)有限元模擬分析散熱效果的影響因素。

【關(guān)鍵詞】白色石墨烯 二維層狀六方氮化硼（h-BN） 功率半導(dǎo)體器件 散熱

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件的電流等級(jí)不斷提高，系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)使其過(guò)熱，從而導(dǎo)致芯片溫度過(guò)高而損壞，這將降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，給安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重隱患。因此，不論是功率半導(dǎo)體芯片還是封裝整體，都需要提升有效的散熱能力。二維層狀六方氮化硼（h-BN）被稱(chēng)為“白色石墨烯”，具有與石墨烯類(lèi)似的晶格參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征，面內(nèi)熱導(dǎo)率是硅的3倍，熱膨脹系數(shù)相當(dāng)于硅，同時(shí)有很高的電阻率，有希望在大功率LED燈具、電池組散熱設(shè)計(jì)等需要導(dǎo)熱卻不導(dǎo)電的應(yīng)用場(chǎng)合作為絕緣散熱界面材料廣泛使用。

本文采用液相剝離法制備少層h-BN，通過(guò)滴涂的方式成膜，在功率半導(dǎo)體芯片表面形成薄薄的散熱層，通過(guò)其面內(nèi)的高熱傳導(dǎo)能力將芯片熱量迅速傳開(kāi)，進(jìn)而通過(guò)封裝結(jié)構(gòu)散發(fā)到環(huán)境中。同時(shí)，采用有限元方法仿真建模，分析散熱效果的影響因素。

1 少層h-BN的制備

h-BN最常用的制備方法有機(jī)械剝離法、液相剝離法和化學(xué)氣相沉積（CVD）法。其中液相剝離法能夠制備大量層狀h-BN，用時(shí)短、簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境條件不敏感。

本文稱(chēng)取平均粒徑1?m的h-BN粉末，選用乙醇水溶液作為剝離溶劑，1500W的強(qiáng)超聲作用下進(jìn)行剝離。采用透射電子顯微鏡（TEM）、拉曼光譜以及X射線衍射（XRD）等測(cè)試手段對(duì)h-BN產(chǎn)物的微觀形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，如圖1所示。從透射電鏡照片中可以看到，h-BN薄膜呈現(xiàn)出很好的分散性；從圖1（b）的拉曼光譜中可以看出，剝離后的h-BN在1367.15 cm-1處出現(xiàn)尖銳而強(qiáng)烈的特征峰，說(shuō)明結(jié)晶度較好；圖1（c）的X衍射圖中，h-BN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°，說(shuō)明純度很高。

2 散熱效果的測(cè)試

用滴管將液相剝離法制備出的h-BN分散液滴在芯片表面，同時(shí)芯片下方用加熱臺(tái)進(jìn)行加熱，乙醇水溶液很快蒸發(fā)掉，在芯片表面留下h-BN薄膜。采用紅外熱像儀（FLIR SC600）對(duì)加載同樣功率的芯片應(yīng)用h-BN前后的溫度分布進(jìn)行觀測(cè)，如圖2所示。在h-BN應(yīng)用到芯片表面之后，熱區(qū)域面積明顯變小，且最高溫度下降。

3 有限元仿真分析

采用有限元方法對(duì)功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)建立模型，在芯片表面放置不同尺寸、不同厚度、不同材料的散熱片，對(duì)散熱效果進(jìn)行仿真模擬。

從仿真結(jié)果看，散熱片尺寸越大，對(duì)芯片熱點(diǎn)的散熱效果越好，當(dāng)散熱片尺寸與芯片大小一致時(shí)，效果最佳，如圖3（a）所示。而采用同樣尺寸卻不同厚度的散熱片時(shí)，越厚散熱效果越好，如圖3（b）所示。以20?m鋁、h-BN薄膜分別作為散熱片，仿真溫度分布如圖3（c）所示，散熱片材料的熱導(dǎo)率越高，芯片最高溫度越低，且溫度分布梯度越小。

4 結(jié)論

“白色石墨烯”二維層狀六方氮化硼應(yīng)用于功率半導(dǎo)體器件中做散熱層，可以減小芯片熱區(qū)域面積，降低芯片最高溫度，提升器件整體散熱能力。

參考文獻(xiàn)

[1]錢(qián)照明，盛況.大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展與展望[J].大功率變流技術(shù)，2010，（01）：1-9.

[2]林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010

[3]Lindsay L，Broido DA.Theory of thermal transport in multilayer hexagonal boron nitride and nanotubes[J]. Phys.Rev.B.2012，85（03）：035436

[4]鮑婕，張勇，黃時(shí)榮等.二維層狀六方氮化硼在芯片散熱中的應(yīng)用[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，24（01）：210-217.

[5]Bao J，Jeppson K，Edwards M，et al. Synthesis and Applications of Two-Dimensional Hexagonal Boron Nitride in Electronics Manufacturing [J]. Electron.Mater.Lett.2016，12（01）：1-16.

作者簡(jiǎn)介

鮑婕（1982-），女，安徽省黃山市人。博士學(xué)位?，F(xiàn)為黃山學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體技術(shù)與工藝。

作者單位

1.黃山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 安徽省黃山市 245041

2.黃山寶霓二維新材科技有限公司 安徽省黃山市 245900

3.黃山市七七七電子有限公司 安徽省黃山市 245600