“白色石墨烯”在功率半導體器件中的散熱應用

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構具有很多優異性能，其導熱能力尤其出色，然而很多應用場合都需要導熱卻不導電的界面材料，二維層狀六方氮化硼（h-BN）即“白色石墨烯”為該領域應用提供了可能。本文介紹了h-BN在功率半導體器件中的散熱應用，并通過有限元模擬分析散熱效果的影響因素。

【關鍵詞】白色石墨烯 二維層狀六方氮化硼（h-BN） 功率半導體器件 散熱

隨著現代電力電子技術的發展，功率半導體器件的電流等級不斷提高，系統長期運行會使其過熱，從而導致芯片溫度過高而損壞，這將降低系統的穩定性，給安全運行帶來嚴重隱患。因此，不論是功率半導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）被稱為“白色石墨烯”，具有與石墨烯類似的晶格參數和結構特征，面內熱導率是硅的3倍，熱膨脹系數相當于硅，同時有很高的電阻率，有希望在大功率LED燈具、電池組散熱設計等需要導熱卻不導電的應用場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，通過滴涂的方式成膜，在功率半導體芯片表面形成薄薄的散熱層，通過其面內的高熱傳導能力將芯片熱量迅速傳開，進而通過封裝結構散發到環境中。同時，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械剝離法、液相剝離法和化學氣相沉積（CVD）法。其中液相剝離法能夠制備大量層狀h-BN，用時短、簡單，對環境條件不敏感。

本文稱取平均粒徑1?m的h-BN粉末，選用乙醇水溶液作為剝離溶劑，1500W的強超聲作用下進行剝離。采用透射電子顯微鏡（TEM）、拉曼光譜以及X射線衍射（XRD）等測試手段對h-BN產物的微觀形貌和結構進行表征，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處出現尖銳而強烈的特征峰，說明結晶度較好；圖1（c）的X衍射圖中，h-BN在（002）面出現峰型尖銳且強度較大的衍射峰，其2θ角是26.62°，說明純度很高。

2 散熱效果的測試

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

3 有限元仿真分析

采用有限元方法對功率半導體器件結構建立模型，在芯片表面放置不同尺寸、不同厚度、不同材料的散熱片，對散熱效果進行仿真模擬。

從仿真結果看，散熱片尺寸越大，對芯片熱點的散熱效果越好，當散熱片尺寸與芯片大小一致時，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，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，散熱片材料的熱導率越高，芯片最高溫度越低，且溫度分布梯度越小。

4 結論

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

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作者簡介

鮑婕（1982-），女，安徽省黃山市人。博士學位?，F為黃山學院副教授。主要研究方向為半導體技術與工藝。

作者單位

1.黃山學院機電工程學院 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