“白色石墨烯”在功率半导体器件中的散热应用

鲍婕 王艳 黄甘 戴薇

摘 要 以石墨烯为代表的二维材料由于其特殊結构具有很多优异性能，其导热能力尤其出色，然而很多应用场合都需要导热却不导电的界面材料，二维层状六方氮化硼（h-BN）即“白色石墨烯”为该领域应用提供了可能。本文介绍了h-BN在功率半导体器件中的散热应用，并通过有限元模拟分析散热效果的影响因素。

【关键词】白色石墨烯 二维层状六方氮化硼（h-BN） 功率半导体器件 散热

随着现代电力电子技术的发展，功率半导体器件的电流等级不断提高，系统长期运行会使其过热，从而导致芯片温度过高而损坏，这将降低系统的稳定性，给安全运行带来严重隐患。因此，不论是功率半导体芯片还是封装整体，都需要提升有效的散热能力。二维层状六方氮化硼（h-BN）被称为“白色石墨烯”，具有与石墨烯类似的晶格参数和结构特征，面内热导率是硅的3倍，热膨胀系数相当于硅，同时有很高的电阻率，有希望在大功率LED灯具、电池组散热设计等需要导热却不导电的应用场合作为绝缘散热界面材料广泛使用。

本文采用液相剥离法制备少层h-BN，通过滴涂的方式成膜，在功率半导体芯片表面形成薄薄的散热层，通过其面内的高热传导能力将芯片热量迅速传开，进而通过封装结构散发到环境中。同时，采用有限元方法仿真建模，分析散热效果的影响因素。

1 少层h-BN的制备

h-BN最常用的制备方法有机械剥离法、液相剥离法和化学气相沉积（CVD）法。其中液相剥离法能够制备大量层状h-BN，用时短、简单，对环境条件不敏感。

本文称取平均粒径1?m的h-BN粉末，选用乙醇水溶液作为剥离溶剂，1500W的强超声作用下进行剥离。采用透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱以及X射线衍射（XRD）等测试手段对h-BN产物的微观形貌和结构进行表征，如图1所示。从透射电镜照片中可以看到，h-BN薄膜呈现出很好的分散性；从图1（b）的拉曼光谱中可以看出，剥离后的h-BN在1367.15 cm-1处出现尖锐而强烈的特征峰，说明结晶度较好；图1（c）的X衍射图中，h-BN在（002）面出现峰型尖锐且强度较大的衍射峰，其2θ角是26.62°，说明纯度很高。

2 散热效果的测试

用滴管将液相剥离法制备出的h-BN分散液滴在芯片表面，同时芯片下方用加热台进行加热，乙醇水溶液很快蒸发掉，在芯片表面留下h-BN薄膜。采用红外热像仪（FLIR SC600）对加载同样功率的芯片应用h-BN前后的温度分布进行观测，如图2所示。在h-BN应用到芯片表面之后，热区域面积明显变小，且最高温度下降。

3 有限元仿真分析

采用有限元方法对功率半导体器件结构建立模型，在芯片表面放置不同尺寸、不同厚度、不同材料的散热片，对散热效果进行仿真模拟。

从仿真结果看，散热片尺寸越大，对芯片热点的散热效果越好，当散热片尺寸与芯片大小一致时，效果最佳，如图3（a）所示。而采用同样尺寸却不同厚度的散热片时，越厚散热效果越好，如图3（b）所示。以20?m铝、h-BN薄膜分别作为散热片，仿真温度分布如图3（c）所示，散热片材料的热导率越高，芯片最高温度越低，且温度分布梯度越小。

4 结论

“白色石墨烯”二维层状六方氮化硼应用于功率半导体器件中做散热层，可以减小芯片热区域面积，降低芯片最高温度，提升器件整体散热能力。

参考文献

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作者简介

鲍婕（1982-），女，安徽省黄山市人。博士学位。现为黄山学院副教授。主要研究方向为半导体技术与工艺。

作者单位

1.黄山学院机电工程学院 安徽省黄山市 245041

2.黄山宝霓二维新材科技有限公司 安徽省黄山市 245900

3.黄山市七七七电子有限公司 安徽省黄山市 245600