二维层状六方氮化硼在高功率电子器件中的绝缘散热应用研究

随着通信、汽车电子、消费类电子产业以及军事、航空航天领域对微电子产品的高性能、小型化、微型化、多功能化以及低成本的发展要求,电子器件及其应用在短短20年内已经成为了发展最快的领域。特征尺寸从微米降到纳米,同时在封装集成度方面也有很多新兴的做法,比如多核架构、三维芯片堆叠等,都为提升计算性能提供了可能的方案。然而,这些技术发展和新兴应用也带来了热处理的极大挑战,解决不好会局限应用效果、实施范围和整体可行性。无论是单个晶体管还是芯片和封装整体,都需要加强有效的散热能力。新兴材料的热性能对提升下一代电子设备热管理特性是至关重要的。而CPU微处理器、集成电子芯片、大功率LED灯具、电池组散热设计等很多应用场合都需要导热却不导电的界面传导材料,因此基于上述情况,本论文讨论研究了使用新兴二维层状材料六方氮化硼(hBN)来解决高功率电子器件中的绝缘散热问题。分别将化学气相沉积(CVD)方法生长的单层六方氮化硼,液相剥离法制备的少层六方氮化硼,转移到热测试芯片表面,一方面替代传统的二氧化硅(Si O2)等热导率较差的材料做绝缘保护层,另一方面利用其特殊的二维结构所带来优异的横向传热能力,将高功率电子器件的局部热点热量迅速在横向传开,降低局部最高温度,从而提升器件的寿命及可靠性。研究表明,单层六方氮化硼可以实现既绝缘又散热的双重目标,但其散热效果与材料本身的生长质量、从生长基底到芯片表面的转移情况都有着密切的关系,技术重复性和大规模量产的可行性较差。在本论文中,选择特定比例的乙醇/水溶液作为液相剥离溶剂,确定超声、离心等步骤的具体参数,制备出少层六方氮化硼,采用滴涂蒸发的方式在芯片表面成膜,该方法重复性好,且成本较低。少层六方氮化硼薄膜绝缘性能良好,且在热流密度1000 W/cm2时可将芯片热点温度降低3-5°C左右。为了进一步提高二维层状六方氮化硼基散热薄膜的热导率,分别制备石墨烯/六方氮化硼叠层结构和复合结构。研究表明,二者的叠层结构绝缘性能不够理想,而石墨烯添加量在一定比例时的复合结构在保证绝缘良好的情况下,能够实现更佳的散热效果,在热流密度1000 W/cm2时可将芯片热点温度降低8-10°C左右。石墨烯增强二维层状六方氮化硼基薄膜的散热效果,其得益于石墨烯添加后薄膜更为连续和平整,与芯片表面的结合力得以加强,从而减小了传热通路中的接触热阻。通过有限元模拟仿真实验测试结构,得到了和实验结果一致的结论,薄膜与芯片之间的接触热阻是限制高导热薄膜散热效果的重要因素,通过对薄膜或芯片进行功能化处理,增强薄膜和芯片之间的结合,是进一步增强二维层状六方氮化硼基薄膜散热效果的有效方案。