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石墨烯在IGBT熱管理中的應用技術進展

 

石墨烯在IGBT熱管理中的應用技術進展

黃濤、何朋、丁古巧石墨烯材料和應用聯合實驗室中國科學院上海微係統與信息技術研究所上海烯望材料科技有限公司

一、IGBT熱管理前言

在現代社會,基於功率轉化器的電力電子係統已廣泛應用於工業、家庭控製和轉換電能。電力電子係統的廣泛使用為現代電動汽車、火車、自動化製造係統、發電等帶來便利和更高的能源使用效率。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)在內的功率半導體器件以其優異的性能、低成本、高可靠性、低重量和尺寸等特點主導著功率轉換器市場。預計IGBT市場將在2014年至2020年內蓬勃發展,到2020年全年收入在66億美元左右,在純電動與混合動力電動汽車(EV/HEV)、太陽能電池/光伏可再生能源(PV)、電機驅動(Motors)、軌道牽引(Rail)、不間斷電源(UPS)、消費類電子產品等部分的複合收益年增長率達到10%(圖1)。

IGBT技術的快速發展體現在芯片功率密度的提高、芯片的運行速度越來越高以芯片封裝密度也越來越緊湊。通常,需要更複雜和體積更大的冷卻解決方案。近三十年來,IGBT技術的進步和工業應用的發展趨勢主要是由運行溫度、效率、尺寸、可靠性和成本這五個方麵相互影響驅動的。如圖2所示,一方麵IGBT的功率密度從最初的35 kW/cm²提高到250 kW/cm²,這得益於創新的組裝和互聯技術。但是相應的,由於高電壓和高電流,總散熱也在不斷增加。另一方麵,電力電子器件的長期穩定使用是滿足日常要求的重要因素之一,目前常見的失效原因有襯板連接處的熱疲勞、機械震動、潮濕導致化學腐蝕等等,其中熱疲勞最為常見(圖3)。(IEEE Access, 2018, 1, 1)

今天,典型的商用IGBT能量輸出達到了超過一萬瓦的極高值。在未來,半導體行業有望隨著新的發展不斷提高IGBT的功率輸出,同樣的,冷卻技術也會隨著IGBT的發展帶來新的巨大挑戰。因此,實現良好的熱管理是保證IGBT可靠使用的當務之急。

二、IGBT散熱模式介紹

1.器件基本結構介紹

目前常見的IGBT封裝整體圖示如圖4所示:通常IGBT器件有一個頂板,它覆蓋和保護芯片,一般使用柔性高分子進行封裝,大部分頂板材料熱導率很低,因此主要散熱組件安裝在芯片下,將IGBT芯片與二極管芯片利用直接覆銅(Direct Bond Copper: DBC)的焊層焊在一起,DBC下通常存在一個約為300毫米厚的熱傳導層(目前以氧化鋁或氮化鋁為主,用於降低熱阻),之後再負載到一層DBC上,形成三明治結構。然後,將這種三明治硬焊在基板(一般為銅)上,當器件散熱時,厚的銅基板可以提高熱流;基板之後又固定在熱沉結構上(又稱之為擾流柱),熱沉結構具有很高的表麵積,可以向周圍環境傳遞熱量。散熱器與基板之間的熱接觸由熱脂、膏體或其他散熱器複合物粘合,這層材料稱之為熱界麵材料(Thermal Interfacial Materials: TIM)。襯底層確保基板與有源元件電絕緣,有源元件是為頂部連接操作而單獨連接的。在芯片、DBC 襯板、底銅板這三大結構中,DBC 襯板最為重要,因為 DBC 襯板提供芯片及元器件間的有效互連與模塊的機械支撐,是整個模塊的基礎,而對於具有“上銅層-陶瓷層-下銅層”三層結構 DBC 襯板而言,中間的陶瓷基板層至關重要。其主要作用包括:1)較高的電阻率用於隔離電路;2)導熱係數大,有利於使電力電子器件釋放的熱量從模塊中傳導出去;3)熱膨脹與其他材料匹配,防止出現熱情況下的器件損壞。

上述所說的熱界麵材料也是目前IGBT散熱最廣泛的研究方向之一。當熱流從芯片傳導到下層擾流柱都會經過熱油脂(最常見的TIM),美國國家可再生能源實驗室Sreekant Narumanchi等人通過理論計算,發現TIM在熱阻為5 mm² K/W時(熱導率200W/mK),TIM不再是熱傳導的瓶頸,而熱阻較大時,則會阻礙IGBT的散熱性能。(Conference on Thermal & Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems. IEEE, 2008.)

目前商業用的熱界麵材料如表1中的幾種,其中熱導率或者熱阻率為其主要比較參數,可以看到目前大部分商業用導熱油脂熱阻都在6 mm²K/W以上,目前Thermaxtec公司h以矽油高純熱導顆粒作為導熱材料具有6.0 mm²K/W的熱阻率,但是其單位價格偏高1.2美元/g,而Shinestu公司用鋁,氧化鋅等熱導納米顆粒為主的導熱矽油具有6.3 mm²K/W的熱阻率,且價格相對較低0.9美元/g。因此發展低熱阻的高效TIM也是目前最具有商業應用價值的方向之一。

2.常見的器件冷卻方式

IGBT的被動冷卻方式多種多樣,其中空氣冷卻是最簡單、可靠、成本較低的一種。通常情況下,為了適應應用,高導熱係數的大塊材料(如鋁或銅)被支撐散熱片陣列或其他擠壓表麵被用來在模具和環境之間交換熱量。被動冷卻還包括更複雜的相變和自然對流係統。使用這些複雜的無源係統是為了降低IGBT和環境之間的熱阻。大多數被動冷卻解決方案選擇空氣冷卻方案,通過將IGBT內部熱源的熱量輸送到表麵,通過空氣對流帶走熱量(圖5),從而將熱量釋放到環境中。固體材料與空氣的熱交換主要取決於接觸麵積。當熱擴散麵積小,交換散熱量小時,終端散熱器與環境之間會出現瓶頸。散熱器的設計不僅取決於設計本身,還取決於材料本身,材料需要滿足低成本、低密度、高導熱、高表麵積等。

還有許多單相或兩相的液體冷卻解決方案,包括微通道散熱器冷卻方案、噴霧冷卻方案、射流衝擊冷卻方案等,能夠為IGBT提供非常高的傳熱係數和低的熱阻。芯片損耗產生的大部分熱量通過芯片下表麵的方向從芯片底部散發到散熱器。在這樣的散熱路徑中,絕緣基板和熱脂的熱阻相對較大。由於熱耗散受到模塊接觸部分和散熱器的限製,即使模塊本身的熱阻很小,也很難實現小型化。因此,直接冷卻結構已被廣泛應用於代替傳統的間接冷卻方式。與圖6A所示的間接冷卻結構相比,直接冷卻結構(圖6B)拋棄了基板和附著的熱潤滑脂。一些論文發現IGBT的熱性能通過直接冷卻得到了明顯改善。與傳統的間接液體冷卻方式相比,直接冷卻方式可以減少高達30%的熱阻。(IEEE Access, 2018, 1, 1)

三、石墨烯應用於IGBT散熱

石墨烯用於IGBT的優勢是橫向導熱性能高,缺點是c軸方向導熱性能差。另外IGBT的散熱是一個係統工程,石墨烯用於不同部位/部分(Chip, DCB,Base Plate, heat sink以及這些部位的界麵)所起的作用是不一樣的,對石墨烯的要求也不一樣。比如用於Base Plate或heat sink隻需將石墨烯和銅、鋁進行結合,可以做複合材料,也可以做表麵原位生長石墨烯,或者表麵塗覆石墨烯等。但如果作為界麵使用,需要將石墨烯複合到現有界麵材料配方中,或重新設計配方。所以石墨烯在IGBT中的應用絕不是萬金油,也不是狗皮膏藥,需要針對性地開發。烯望科技已經進行了一些實驗嚐試,但因為之前對IGBT係統的了解不夠,效果一般,還需要繼續努力。現將已經公開的相關文獻結果整理如下:

1.石墨烯用於增強次要途徑散熱

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,再到外基板,進而通過熱沉散發到環境中。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, 由於封裝樹脂的導熱係數較低, 次要路徑的熱傳導速度較慢,熱量大部分從主要路徑傳出。石墨烯膜/塗層,則可以增強次要途徑,從而提高整體的傳熱效率,導熱率要求越高越好。2015年在《先進功能材料》上發表的使用抽濾的利用接枝進行表麵改性的石墨烯膜(F-GF)放置在芯片表麵散熱,能夠很好地降低芯片溫度。(Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 4430)隨後,在2018年第19屆電子封裝技術國際會議(ICEPT)會議論文上有人指出,經過理論計算,直接正麵放置於IGBT芯片表麵並不能很好的進行散熱,這是由於雖然石墨烯膜橫向方向上的散熱效率很高,但是其縱向方向上熱導率較低,無法實現很好的散熱效率,應將石墨烯側麵貼近IGBT芯片,從而進行側麵散熱。(2018 19th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT), Shanghai, 2018, pp. 585-588)2019年,黃山大學本文建立了一個單管IGBT器件的三維模型來模擬溫度場的分布,研究了石墨烯基薄膜(GBF)不同納米和微米厚度對IGBT器件散熱性能的影響。仿真結果表明,GBF作為一種熱分布器放置在芯片表麵,可以改善局部熱點的側向散熱,具有較高的熱流密度,可以大幅降低芯片表麵的最高溫度。此外,微米厚度的石墨烯基薄膜比納米厚度的石墨烯基薄膜具有更好的散熱性能。(AIP Advances 2019, 9, 035103)

2.石墨烯用於DBC夾層降低熱阻

正如本文上述,DBC覆銅板在整個IGBT的散熱中扮演著非常重要的角色,不僅有利於熱點的熱效應擴散以及熱傳遞,也有利於IGBT結構的穩定,因此提高DBC層的熱導或降低其熱阻具有重要的意義。有報道利用石墨烯增加到原有DBC層中間形成過渡層。(Thermal characterization of power devices using graphene-based film. Electronic Components & Technology Conference. IEEE, 2014.) GO抽膜後進行表麵接枝改性與銅進行結合,製備出低熱阻的DBC,相比於純銅/純銅界麵的756 mm²K/W熱阻與純銅/石墨烯界麵482 mm²K/W熱阻,利用接枝改性能夠降低熱阻到98.7 mm²K/W。但是該文未考慮到DBC板在受熱時的熱膨脹係數匹配問題,一旦兩者不匹配將會導致IGBT整體結構的破壞。在專利《CN201920319513.7 石墨烯基IPM模塊的先進封裝結構》中,將還原氧化石墨烯貼裝到覆銅陶瓷基板的上銅層表麵,同時在下覆銅陶瓷基板的上銅層表麵用化學氣相沉積法生長石墨烯薄膜得到石墨烯改性的DBC板,發揮其橫向高導熱能力,降低芯片工作時的最高溫度,從而提升模塊的使用壽命。

3.石墨烯用於熱界麵材料增強

熱源和散熱器表麵粗糙度形成的界麵阻力限製了有效傳熱,在熱源和散熱器的兩個固體接觸麵之間插入熱界麵材料是提高器件熱去除率的有效方法。傳統的導熱脂、導熱墊、相變材料等均由基體材料和導熱填料組成。基質材料通常是矽脂或聚合物,導熱填料通常是金屬(如銀、銅或鋁)或陶瓷(例如:氧化鋁、氧化鋅或氮化硼)。石墨烯作為二維碳材料來說,比較容易與高分子進行複合,同時可以作為導熱通路實現較高的熱導率,同時石墨烯具有超高的比表麵積,能夠減小添加量提高增強效率,利用石墨烯提高聚合物複合材料的熱界麵材料迅速成為全球研究的熱點。

通常石墨烯熱界麵材料有幾種製備方法,包括溶液混合法、熔融混合以及原位聚合法等,其增強原理包括:1)達到石墨烯填料閾值後,石墨烯作為主要導熱介質;2)通過功能化、共價改性或非共價改性等方法減少石墨烯與高分子界麵間隙,提高石墨烯與高分子的熱傳導。目前很多報道的文獻表明,石墨烯雖然作為填料可以提高原來體係的熱導率,但是仍然無法滿足熱導率高於5W/mK的要求,使得石墨烯在廣泛的商業應用中與傳統材料相比優勢不大。盡管石墨烯填充聚合物複合材料的研究在熱管理領域取得了許多驚人的進展,然而,仍有一些挑戰需要克服,未來還需要做進一步的研究。首先,石墨烯材料和石墨烯填充聚合物複合材料的高價格是阻礙其快速發展和廣泛應用的主要瓶頸。發展更有效、更低成本以及環境友好的合成方法是一項艱巨的挑戰。其次,由於實際的改善程度遠遠低於預期,如何對石墨烯進行改性以進一步改善TIMs仍是未來工作的重點。最後,改善TIMs還需要滿足界麵粘合、熱膨脹匹配等一係列要求。(Macromol. Mater. Eng. 2017, 302, 1700068)

4.石墨烯/金屬用於熱膨脹匹配

高功率IGBT的穩定性、壽命以及安全性都是發展新複合材料的基本要求,在IGBT長期使用中,溫度升高會引起材料的熱膨脹,若各層材料之間物性不匹配,則會導致嚴重的分層或損壞。石墨烯可用於調節材料熱膨脹係數。為了消除材料之間熱膨脹係數差異(Coefficient of Thermal Expansion: CTM),台灣國立清華大學納米工程與微係統研究所開發了一種石墨烯/銅的複合材料,將球磨後得到的納米石墨烯薄片進行電鍍銅的工藝操作,得到石墨烯/Cu的複合粉體,保證其片狀結構,再將其與純銅進行複合擠出成型,得到具有低CTM的導熱石墨烯/銅複合產物,其CTM值在0.2%石墨烯摻入下僅有5.3 ppm/K,且並未影響其複合材料的熱導率(其熱導率仍然具有390W/mK),因此能夠大大提高IGBT模塊的使用壽命。(Materials Transactions 2018, 59, 1677-1683)

 

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