IGBTの放熱にグラフェンを応用

IGBT に使用されるグラフェンの利点は横方向の熱伝導率が高いことですが、欠点は縦方向の熱伝導率が低いことです。また、IGBTの放熱はシステムエンジニアリングです。さまざまな部品 (チップ、DCB、ベースプレート、ヒートシンク、およびこれらの部品のインターフェース) で使用されるグラフェンは、グラフェンに対してさまざまな効果とさまざまな要件をもたらします。たとえば、ベースプレートやヒートシンクの場合、グラフェンを銅やアルミニウムと組み合わせるだけでよく、複合材料として使用したり、グラフェンの表面その場成長やグラフェンでコーティングしたりすることができます。ただし、サーマルインターフェースマテリアルとして使用する場合、グラフェンを既存のインターフェースマテリアルの配合に配合するか、再設計する必要があります。

1. 二次経路の熱放散を強化するためにグラフェンが使用されています

IGBT デバイスの従来のパッケージ構造では、チップ上の局所的なホット スポットの熱は主に銅被覆セラミック基板に上から下に伝わり、次に外側の基板に伝わり、さらにヒート シンクを介して環境に伝わります。チップから上向きにパッケージング樹脂とシェルを通って環境に至る熱は、二次熱伝導経路となります。パッケージ樹脂の熱伝導率が低いため、二次経路の熱伝導速度は遅く、熱の大部分は主経路から伝わります。グラフェン フィルム/コーティングは二次経路を強化し、全体的な熱伝達効率を向上させます。熱伝導率の要件は高いほど優れています。チップ表面に配置されたグラフェンフィルムは十分に加熱できません。これは、グラフェンフィルムの横方向の熱放散効率が非常に高いためです。縦方向の熱伝導率が低く、良好な放熱効率が得られません。したがって、側面の熱放散のためにグラフェンの側面を IGBT チップに近づける必要があります。一種の熱分配器として、グラフェンベースのフィルムは局所的なホットスポットの横方向の熱放散を改善することができ、高い熱流束を持っているため、チップ表面の最高温度を大幅に下げることができます。さらに、ミクロン厚のグラフェンベースのフィルムは、ナノ厚さのグラフェンベースのフィルムよりも優れた放熱性能を備えています。

2. 熱抵抗を低減するためにDBC中間層にグラフェンが使用されています

本稿でも述べたように、DBC 銅張積層板は IGBT 全体の放熱において非常に重要な役割を果たしており、熱影響の拡散やホットスポットの熱伝達に貢献するだけでなく、IGBT 構造の安定性にも貢献します。 。したがって、DBC層の熱伝導率を向上させたり、熱抵抗を低減したりすることは非常に重要です。グラフェンが元の DBC 層の中央に追加されて遷移層を形成することが報告されています。還元された酸化グラフェンは、銅被覆セラミック基板の上部銅層の表面に付着した。同時に、化学蒸着法により銅張セラミック基板の上部銅層表面にグラフェン膜を成長させ、グラフェン修飾ＤＢＣ基板を得た。 DBC ボードの高い横方向の熱伝導率を発揮することができ、チップの最高温度を下げることができ、モジュールの寿命を向上させることができます。

3. グラフェンはサーマルインターフェースマテリアルを強化するために使用されます

熱源と放熱器の表面粗さによって形成される界面抵抗により、効果的な熱伝達が制限されます。熱源と放熱器の 2 つの固体接触面の間にサーマル インターフェイス マテリアルを挿入することは、デバイスの熱除去率を向上させる効果的な方法です。従来のサーマル グリース、サーマル パッド、相変化材料はすべてマトリックス材料と熱伝導性フィラーで構成されています。マトリックス材料は通常シリコーン グリースまたはポリマーで、熱伝導性フィラーは通常金属 (銀、銅、アルミニウムなど) またはセラミック (酸化アルミニウム、酸化亜鉛、窒化ホウ素など) です。グラフェンは二次元炭素材料であるため、ポリマーと複合化しやすく、熱伝導経路として利用することができ、高い熱伝導率を実現します。同時に、グラフェンは超高比表​​面積を有するため、添加量を削減し、増強効率を向上させることができます。

一般に、グラフェンサーマルインターフェース材料の調製方法には、溶液混合法、溶融混合法、現場重合法など、いくつかの方法があります。強化原理には次のものが含まれます。1) グラフェンフィラーの閾値に達した後、グラフェンが主な熱伝導媒体として使用されます。 2) 官能化、共有結合修飾または非共有結合修飾を通じて、グラフェンとポリマー間の界面ギャップが減少し、グラフェンとポリマーの機械的特性が改善されます。熱伝導。現在、多くの文献で報告されているように、フィラーとしてのグラフェンは元のシステムの熱伝導率を向上させることができますが、依然として 5W/MK を超える熱伝導率の要件を満たすことができず、そのためグラフェンは従来の材料と比較してほとんど利点がありません。幅広い商業用途。グラフェン充填ポリマー複合材料の研究は、熱管理の分野で多くの驚くべき進歩をもたらしましたが、克服すべき課題がまだいくつかあり、将来的にはさらなる研究が必要です。

4. 熱膨張マッチングのためのグラフェン/金属

高出力 IGBT の安定性、寿命、安全性は、新しい複合材料開発の基本要件です。 IGBT を長期間使用すると、温度上昇により材料が熱膨張し、材料の各層の物性が一致しないと重大な剥離や損傷が発生します。グラフェンは材料の熱膨張係数を調整するために使用できます。材料間の熱膨張係数の差（熱膨張係数：1）を解消するために、グラフェン/銅複合材料が台湾国立清華大学ナノ工学マイクロシステム研究所によって開発されました。ボールによって得られたナノグラフェンシートフライス加工により銅を電気めっきし、フレーク構造を確保するためにグラフェン / 銅複合粉末を得ました。次に、純銅を押し出し、低い CTM を備えた熱伝導性グラフェン / 銅複合材料を得ました。その CTM 値はわずかです。 0.2% グラフェンを添加すると 5.3 ppm / K になり、複合材料の熱伝導率は影響を受けません (熱伝導率は 390W / MK のままです)。そのため、IGBT モジュールの耐用年数を大幅に向上させることができます。