石墨烯在IGBT热管理中的应用技术进展
石墨烯在IGBT热管理中的应用技术进展
黄涛、何朋、丁古巧石墨烯材料和应用联合实验室中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海烯望材料科技有限公司
一、IGBT热管理前言
在现代社会，基于功率转化器的电力电子系统已广泛应用于工业、家庭控制和转换电能。电力电子系统的广泛使用为现代电动汽车、火车、自动化制造系统、发电等带来便利和更高的能源使用效率。绝缘栅双极晶体管(IGBT)在内的功率半导体器件以其优异的性能、低成本、高可靠性、低重量和尺寸等特点主导着功率转换器市场。预计IGBT市场将在2014年至2020年内蓬勃发展，到2020年全年收入在66亿美元左右，在纯电动与混合动力电动汽车（EV/HEV）、太阳能电池/光伏可再生能源（PV）、电机驱动（Motors）、轨道牵引（Rail）、不间断电源（UPS）、消费类电子产品等部分的复合收益年增长率达到10%（图1）。
IGBT技术的快速发展体现在芯片功率密度的提高、芯片的运行速度越来越高以芯片封装密度也越来越紧凑。通常，需要更复杂和体积更大的冷却解决方案。近三十年来，IGBT技术的进步和工业应用的发展趋势主要是由运行温度、效率、尺寸、可靠性和成本这五个方面相互影响驱动的。如图2所示，一方面IGBT的功率密度从最初的35 kW/cm²提高到250 kW/cm²，这得益于创新的组装和互联技术。但是相应的，由于高电压和高电流，总散热也在不断增加。另一方面，电力电子器件的长期稳定使用是满足日常要求的重要因素之一，目前常见的失效原因有衬板连接处的热疲劳、机械震动、潮湿导致化学腐蚀等等，其中热疲劳最为常见（图3）。（IEEE Access, 2018, 1, 1）
今天，典型的商用IGBT能量输出达到了超过一万瓦的极高值。在未来，半导体行业有望随着新的发展不断提高IGBT的功率输出，同样的，冷却技术也会随着IGBT的发展带来新的巨大挑战。因此，实现良好的热管理是保证IGBT可靠使用的当务之急。
二、IGBT散热模式介绍
1.器件基本结构介绍
目前常见的IGBT封装整体图示如图4所示：通常IGBT器件有一个顶板，它覆盖和保护芯片，一般使用柔性高分子进行封装，大部分顶板材料热导率很低，因此主要散热组件安装在芯片下，将IGBT芯片与二极管芯片利用直接覆铜(Direct Bond Copper: DBC)的焊层焊在一起，DBC下通常存在一个约为300毫米厚的热传导层（目前以氧化铝或氮化铝为主，用于降低热阻），之后再负载到一层DBC上，形成三明治结构。然后，将这种三明治硬焊在基板（一般为铜）上，当器件散热时，厚的铜基板可以提高热流；基板之后又固定在热沉结构上（又称之为扰流柱），热沉结构具有很高的表面积，可以向周围环境传递热量。散热器与基板之间的热接触由热脂、膏体或其他散热器复合物粘合，这层材料称之为热界面材料（Thermal Interfacial Materials: TIM）。衬底层确保基板与有源元件电绝缘，有源元件是为顶部连接操作而单独连接的。在芯片、DBC 衬板、底铜板这三大结构中，DBC 衬板最为重要，因为 DBC 衬板提供芯片及元器件间的有效互连与模块的机械支撑，是整个模块的基础，而对于具有“上铜层-陶瓷层-下铜层”三层结构 DBC 衬板而言，中间的陶瓷基板层至关重要。其主要作用包括：1）较高的电阻率用于隔离电路；2）导热系数大，有利于使电力电子器件释放的热量从模块中传导出去；3）热膨胀与其他材料匹配，防止出现热情况下的器件损坏。
上述所说的热界面材料也是目前IGBT散热最广泛的研究方向之一。当热流从芯片传导到下层扰流柱都会经过热油脂（最常见的TIM），美国国家可再生能源实验室Sreekant Narumanchi等人通过理论计算，发现TIM在热阻为5 mm² K/W时(热导率200W/mK)，TIM不再是热传导的瓶颈，而热阻较大时，则会阻碍IGBT的散热性能。（Conference on Thermal & Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems. IEEE, 2008.）
目前商业用的热界面材料如表1中的几种，其中热导率或者热阻率为其主要比较参数，可以看到目前大部分商业用导热油脂热阻都在6 mm²K/W以上，目前Thermaxtec公司h以硅油高纯热导颗粒作为导热材料具有6.0 mm²K/W的热阻率，但是其单位价格偏高1.2美元/g，而Shinestu公司用铝，氧化锌等热导纳米颗粒为主的导热硅油具有6.3 mm²K/W的热阻率，且价格相对较低0.9美元/g。因此发展低热阻的高效TIM也是目前最具有商业应用价值的方向之一。
2.常见的器件冷却方式
IGBT的被动冷却方式多种多样，其中空气冷却是最简单、可靠、成本较低的一种。通常情况下，为了适应应用，高导热系数的大块材料（如铝或铜）被支撑散热片阵列或其他挤压表面被用来在模具和环境之间交换热量。被动冷却还包括更复杂的相变和自然对流系统。使用这些复杂的无源系统是为了降低IGBT和环境之间的热阻。大多数被动冷却解决方案选择空气冷却方案，通过将IGBT内部热源的热量输送到表面，通过空气对流带走热量（图5），从而将热量释放到环境中。固体材料与空气的热交换主要取决于接触面积。当热扩散面积小，交换散热量小时，终端散热器与环境之间会出现瓶颈。散热器的设计不仅取决于设计本身，还取决于材料本身，材料需要满足低成本、低密度、高导热、高表面积等。
还有许多单相或两相的液体冷却解决方案，包括微通道散热器冷却方案、喷雾冷却方案、射流冲击冷却方案等，能够为IGBT提供非常高的传热系数和低的热阻。芯片损耗产生的大部分热量通过芯片下表面的方向从芯片底部散发到散热器。在这样的散热路径中，绝缘基板和热脂的热阻相对较大。由于热耗散受到模块接触部分和散热器的限制，即使模块本身的热阻很小，也很难实现小型化。因此，直接冷却结构已被广泛应用于代替传统的间接冷却方式。与图6A所示的间接冷却结构相比，直接冷却结构（图6B）抛弃了基板和附着的热润滑脂。一些论文发现IGBT的热性能通过直接冷却得到了明显改善。与传统的间接液体冷却方式相比，直接冷却方式可以减少高达30%的热阻。（IEEE Access, 2018, 1, 1）
三、石墨烯应用于IGBT散热
石墨烯用于IGBT的优势是横向导热性能高，缺点是c轴方向导热性能差。另外IGBT的散热是一个系统工程，石墨烯用于不同部位/部分（Chip, DCB，Base Plate, heat sink以及这些部位的界面）所起的作用是不一样的，对石墨烯的要求也不一样。比如用于Base Plate或heat sink只需将石墨烯和铜、铝进行结合，可以做复合材料，也可以做表面原位生长石墨烯，或者表面涂覆石墨烯等。但如果作为界面使用，需要将石墨烯复合到现有界面材料配方中，或重新设计配方。所以石墨烯在IGBT中的应用绝不是万金油，也不是狗皮膏药，需要针对性地开发。烯望科技已经进行了一些实验尝试，但因为之前对IGBT系统的了解不够，效果一般，还需要继续努力。现将已经公开的相关文献结果整理如下：
1.石墨烯用于增强次要途径散热
在IGBT 器件的传统封装结构中，芯片上局部热点的热量主要通过自上而下传输到覆铜陶瓷基板，再到外基板，进而通过热沉散发到环境中。热量从芯片向上通过封装树脂及外壳散发到环境中是次要热传导路径， 由于封装树脂的导热系数较低， 次要路径的热传导速度较慢，热量大部分从主要路径传出。石墨烯膜/涂层，则可以增强次要途径，从而提高整体的传热效率，导热率要求越高越好。2015年在《先进功能材料》上发表的使用抽滤的利用接枝进行表面改性的石墨烯膜（F-GF）放置在芯片表面散热，能够很好地降低芯片温度。（Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 4430）随后，在2018年第19届电子封装技术国际会议(ICEPT)会议论文上有人指出，经过理论计算，直接正面放置于IGBT芯片表面并不能很好的进行散热，这是由于虽然石墨烯膜横向方向上的散热效率很高，但是其纵向方向上热导率较低，无法实现很好的散热效率，应将石墨烯侧面贴近IGBT芯片，从而进行侧面散热。（2018 19th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT), Shanghai, 2018, pp. 585-588）2019年，黄山大学本文建立了一个单管IGBT器件的三维模型来模拟温度场的分布,研究了石墨烯基薄膜(GBF)不同纳米和微米厚度对IGBT器件散热性能的影响。仿真结果表明，GBF作为一种热分布器放置在芯片表面，可以改善局部热点的侧向散热，具有较高的热流密度，可以大幅降低芯片表面的最高温度。此外，微米厚度的石墨烯基薄膜比纳米厚度的石墨烯基薄膜具有更好的散热性能。（AIP Advances 2019, 9, 035103）
2.石墨烯用于DBC夹层降低热阻
正如本文上述，DBC覆铜板在整个IGBT的散热中扮演着非常重要的角色，不仅有利于热点的热效应扩散以及热传递，也有利于IGBT结构的稳定，因此提高DBC层的热导或降低其热阻具有重要的意义。有报道利用石墨烯增加到原有DBC层中间形成过渡层。(Thermal characterization of power devices using graphene-based film. Electronic Components & Technology Conference. IEEE, 2014.) GO抽膜后进行表面接枝改性与铜进行结合，制备出低热阻的DBC，相比于纯铜/纯铜界面的756 mm²K/W热阻与纯铜/石墨烯界面482 mm²K/W热阻，利用接枝改性能够降低热阻到98.7 mm²K/W。但是该文未考虑到DBC板在受热时的热膨胀系数匹配问题，一旦两者不匹配将会导致IGBT整体结构的破坏。在专利《CN201920319513.7 石墨烯基IPM模块的先进封装结构》中，将还原氧化石墨烯贴装到覆铜陶瓷基板的上铜层表面，同时在下覆铜陶瓷基板的上铜层表面用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜得到石墨烯改性的DBC板，发挥其横向高导热能力，降低芯片工作时的最高温度，从而提升模块的使用寿命。
3.石墨烯用于热界面材料增强
热源和散热器表面粗糙度形成的界面阻力限制了有效传热，在热源和散热器的两个固体接触面之间插入热界面材料是提高器件热去除率的有效方法。传统的导热脂、导热垫、相变材料等均由基体材料和导热填料组成。基质材料通常是硅脂或聚合物，导热填料通常是金属(如银、铜或铝)或陶瓷(例如:氧化铝、氧化锌或氮化硼)。石墨烯作为二维碳材料来说，比较容易与高分子进行复合，同时可以作为导热通路实现较高的热导率，同时石墨烯具有超高的比表面积，能够减小添加量提高增强效率，利用石墨烯提高聚合物复合材料的热界面材料迅速成为全球研究的热点。
通常石墨烯热界面材料有几种制备方法，包括溶液混合法、熔融混合以及原位聚合法等，其增强原理包括：1）达到石墨烯填料阈值后，石墨烯作为主要导热介质；2）通过功能化、共价改性或非共价改性等方法减少石墨烯与高分子界面间隙，提高石墨烯与高分子的热传导。目前很多报道的文献表明，石墨烯虽然作为填料可以提高原来体系的热导率，但是仍然无法满足热导率高于5W/mK的要求，使得石墨烯在广泛的商业应用中与传统材料相比优势不大。尽管石墨烯填充聚合物复合材料的研究在热管理领域取得了许多惊人的进展，然而，仍有一些挑战需要克服，未来还需要做进一步的研究。首先，石墨烯材料和石墨烯填充聚合物复合材料的高价格是阻碍其快速发展和广泛应用的主要瓶颈。发展更有效、更低成本以及环境友好的合成方法是一项艰巨的挑战。其次，由于实际的改善程度远远低于预期，如何对石墨烯进行改性以进一步改善TIMs仍是未来工作的重点。最后，改善TIMs还需要满足界面粘合、热膨胀匹配等一系列要求。（Macromol. Mater. Eng. 2017, 302, 1700068）
4.石墨烯/金属用于热膨胀匹配
高功率IGBT的稳定性、寿命以及安全性都是发展新复合材料的基本要求，在IGBT长期使用中，温度升高会引起材料的热膨胀，若各层材料之间物性不匹配，则会导致严重的分层或损坏。石墨烯可用于调节材料热膨胀系数。为了消除材料之间热膨胀系数差异（Coefficient of Thermal Expansion: CTM），台湾国立清华大学纳米工程与微系统研究所开发了一种石墨烯/铜的复合材料，将球磨后得到的纳米石墨烯薄片进行电镀铜的工艺操作，得到石墨烯/Cu的复合粉体，保证其片状结构，再将其与纯铜进行复合挤出成型，得到具有低CTM的导热石墨烯/铜复合产物，其CTM值在0.2%石墨烯掺入下仅有5.3 ppm/K，且并未影响其复合材料的热导率（其热导率仍然具有390W/mK），因此能够大大提高IGBT模块的使用寿命。（Materials Transactions 2018, 59, 1677-1683）
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