GRAPHÈNE APPLIQUÉ À LA DISSIPATION THERMIQUE DES IGBT

L’avantage du graphène utilisé dans l’IGBT est une conductivité thermique transversale élevée, mais son inconvénient est une mauvaise conductivité thermique longitudinale.De plus, la dissipation thermique de l’IGBT relève de l’ingénierie système.Le graphène utilisé dans différentes pièces (puce, DCB, plaque de base, dissipateur thermique et interface de ces pièces) a des effets et des exigences différents sur le graphène.Par exemple, pour une plaque de base ou un dissipateur thermique, il suffit de combiner du graphène avec du cuivre et de l'aluminium, qui peuvent être utilisés comme matériaux composites, ainsi que pour la croissance in situ en surface du graphène, ou recouverts de graphène.Cependant, s’il est utilisé comme matériau d’interface thermique, le graphène doit être intégré à la formule du matériau d’interface existant ou repensé.

1. Le graphène est utilisé pour améliorer la dissipation thermique de la voie secondaire

Dans la structure d'emballage traditionnelle des dispositifs IGBT, la chaleur des points chauds locaux de la puce est principalement transférée de haut en bas vers le substrat céramique recouvert de cuivre, puis vers le substrat externe, puis vers l'environnement via le dissipateur thermique.La chaleur de la puce vers le haut, à travers la résine d'emballage et la coque, jusqu'à l'environnement constitue le chemin de conduction thermique secondaire.En raison de la faible conductivité thermique de la résine d'emballage, la vitesse de conduction thermique du chemin secondaire est lente et la majeure partie de la chaleur est transférée depuis le chemin principal.Le film/revêtement de graphène peut améliorer la voie secondaire, améliorant ainsi l'efficacité globale du transfert de chaleur.Plus les exigences en matière de conductivité thermique sont élevées, mieux c'est.Le film de graphène placé sur la surface de la puce ne peut pas bien chauffer.En effet, bien que l’efficacité de dissipation thermique transversale du film de graphène soit très élevée ;sa conductivité thermique longitudinale est faible, ce qui ne permet pas d'obtenir une bonne efficacité de dissipation thermique.Par conséquent, le côté du graphène doit être proche de la puce IGBT pour une dissipation thermique latérale.En tant que sorte de distributeur de chaleur, le film à base de graphène peut améliorer la dissipation thermique latérale des points chauds locaux et présente un flux thermique élevé, ce qui peut réduire considérablement la température maximale de la surface de la puce.De plus, les films à base de graphène d'une épaisseur micrométrique ont de meilleures performances de dissipation thermique que ceux d'une épaisseur nanométrique.

2. Le graphène est utilisé dans la couche intermédiaire DBC pour réduire la résistance thermique

Comme mentionné dans cet article, le stratifié cuivré DBC joue un rôle très important dans la dissipation thermique de l'ensemble de l'IGBT, ce qui est non seulement propice à la diffusion de l'effet thermique et au transfert de chaleur des points chauds, mais également à la stabilité de la structure de l'IGBT. .Par conséquent, il est très important d’améliorer la conductivité thermique de la couche DBC ou de réduire sa résistance thermique.Il a été rapporté que du graphène était ajouté au milieu de la couche DBC d'origine pour former une couche de transition.L'oxyde de graphène réduit était fixé à la surface de la couche de cuivre supérieure du substrat céramique recouvert de cuivre.Dans le même temps, le film de graphène a été développé sur la surface supérieure de la couche de cuivre du substrat céramique recouvert de cuivre par dépôt chimique en phase vapeur pour obtenir la carte DBC modifiée au graphène.La conductivité thermique transversale élevée de la carte DBC peut être exercée et la température maximale de la puce peut être réduite, de manière à améliorer la durée de vie du module.

3. Le graphène est utilisé pour renforcer les matériaux d'interface thermique

La résistance d'interface formée par la rugosité de la surface de la source de chaleur et du radiateur limite le transfert de chaleur efficace.L'insertion d'un matériau d'interface thermique entre les deux surfaces de contact solides de la source de chaleur et du radiateur est une méthode efficace pour améliorer le taux d'évacuation de la chaleur des appareils.La graisse thermique traditionnelle, le tampon thermique et le matériau à changement de phase sont tous composés d'un matériau matriciel et d'une charge conductrice thermique.Le matériau de la matrice est généralement de la graisse de silicone ou un polymère, et la charge conductrice thermique est généralement du métal (comme l'argent, le cuivre ou l'aluminium) ou de la céramique (comme l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de zinc ou le nitrure de bore).En tant que matériau carboné bidimensionnel, le graphène est facile à combiner avec un polymère et peut être utilisé comme chemin de conduction thermique pour obtenir une conductivité thermique élevée.Dans le même temps, le graphène a une surface spécifique ultra élevée, ce qui peut réduire la quantité ajoutée et améliorer l’efficacité de l’amélioration.

Généralement, il existe plusieurs méthodes de préparation de matériaux d'interface thermique au graphène, notamment la méthode de mélange en solution, la méthode de mélange à l'état fondu et la méthode de polymérisation in situ.Les principes de renforcement comprennent : 1) après avoir atteint la valeur seuil des charges de graphène, le graphène est utilisé comme principal fluide conducteur de chaleur ;2) grâce à la fonctionnalisation, à la modification covalente ou à la modification non covalente, l'écart interfacial entre le graphène et le polymère est réduit et les propriétés mécaniques du graphène et du polymère sont améliorées. Conduction thermique.À l'heure actuelle, de nombreuses publications montrent que bien que le graphène en tant que charge puisse améliorer la conductivité thermique du système d'origine, il ne peut toujours pas répondre aux exigences de conductivité thermique supérieure à 5 W/MK, ce qui fait que le graphène a peu d'avantages par rapport aux matériaux traditionnels. une large gamme d'applications commerciales.Bien que la recherche sur les composites polymères chargés de graphène ait réalisé de nombreux progrès étonnants dans le domaine de la gestion thermique, il reste encore certains défis à relever et des recherches supplémentaires sont nécessaires à l'avenir.

4. Graphène/métal pour la correspondance de dilatation thermique

La stabilité, la durée de vie et la sécurité des IGBT haute puissance sont les exigences fondamentales pour le développement de nouveaux matériaux composites.Lors de l'utilisation à long terme de l'IGBT, l'augmentation de la température provoquera une dilatation thermique du matériau et si les propriétés physiques de chaque couche de matériau ne correspondent pas, cela entraînera un délaminage ou des dommages graves.Le graphène peut être utilisé pour ajuster le coefficient de dilatation thermique des matériaux.Afin d'éliminer la différence de coefficient de dilatation thermique entre les matériaux (coefficient de dilatation thermique : 1). Un matériau composite graphène/cuivre a été développé par l'Institut de Nano Ingénierie et Microsystèmes, Université Nationale Tsinghua, Taiwan. La feuille de nano graphène obtenue par bille le broyage a été électrolytique avec du cuivre pour obtenir une poudre composite graphène/Cu afin de garantir sa structure en flocons. Ensuite, il a été extrudé avec du cuivre pur pour obtenir le composite graphène/cuivre thermoconducteur avec un faible CTM, sa valeur CTM n'est que de 5,3 ppm/K lorsqu'elle est de 0,2. % de graphène est ajouté et la conductivité thermique du composite n'est pas affectée (la conductivité thermique est toujours de 390 W/MK), de sorte que la durée de vie du module IGBT peut être considérablement améliorée.