華中科大團隊成功開發阻燃V0級環氧樹脂復合材料，助力半導體封裝散熱

未來產鏈 2026-01-20 17:07

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研究背景

環氧樹脂因其絕緣性、穩定性和低成本廣泛應用于電子封裝。第三代功率半導體器件（例如 SiC/GaN）的高功率密度和高溫運行受到環氧樹脂（EP）封裝材料的限制，主要面臨三個挑戰：（1）導熱系數低導致熱量積聚；（2）EP 的熱膨脹系數比 SiC/GaN 高約 20 倍，導致界面應力高，從而引起熱循環引起的界面裂紋，造成性能或壽命顯著下降，甚至器件失效；（3）EP 的易燃性增加了熱失控的風險。

研究成果

近日，華中科技大學羅裕波、楊君友教授團隊研究通過設計負熱膨脹材料Zn?.?Cu?.?P?O?（ZCPO），成功開發出具有陶瓷級熱膨脹系數和UL-94 V-0級阻燃性的環氧樹脂復合材料，解決了第三代功率半導體器件（如SiC/GaN）封裝中的熱積累、界面應力和易燃性問題。

創新點

負熱膨脹材料創新：ZCPO在20～190 °C溫度范圍內的熱膨脹系數為-20×10??/°C 。這使得ZCPO/EP -61復合材料首次實現了接近陶瓷的熱膨脹系數（4×10??/°C）和UL-94 V-0級阻燃性能。其機理源于PO?四面體與Zn/CuO?八面體的耦合旋轉。
熱膨脹系數精準調控：通過ZCPO摻雜量控制，EP復合材料熱膨脹系數可從42.3×10??/°C降至4×10??/°C，實現與半導體材料的完美匹配。
阻燃與絕緣協同提升：ZCPO的物理屏障作用和磷元素催化成碳，使復合材料通過UL-94 V-0測試，極限氧指數（LOI）達33.17%。
散熱結構簡化：熱膨脹匹配消除了TIM2層，減少界面熱阻，提升熱電冷卻效率。

其熱膨脹系數與半導體芯片完美匹配，最大限度地降低了EP與芯片或熱電冷卻器之間的界面應力，從而為功率半導體器件設計了一種無需導熱界面材料2（TIM2）的簡易熱電冷卻架構，實現了26.85 °C的冷卻溫度，比使用TIM2時的冷卻溫度（18.89 °C）降低了8 °C。該材料簡化了熱電冷卻結構，提升散熱效率，為第三代功率半導體器件封裝提供創新解決方案。

相關研究成果以題為“Highly-Effective Thermoelectric Cooling for Power Semiconductor Devices Packed with Thermal-Expansion Offset and Flame Retardancy Epoxy Resin”發表在《Advanced Functional Materials》

圖文導讀

圖1：電子封裝對EP復合材料的要求。

圖2：a) ZCPO 的 XRD 圖譜；b) ZCPO 的精修 XRD 圖譜和結構；c) ZCPO 的結構；d) ZCPO 的 SEM 圖像；e–g) ZCPO 的 TEM 圖像。

圖3：a) ZCPO 的 XRD 圖譜隨溫度的變化；b) ZCPO 的晶格體積隨溫度的變化；c) ZCPO 的 XRD 圖譜隨溫度的變化（對應于 (200) 晶面）；d) ZCPO 的 XRD 圖譜隨溫度的變化（對應于 (001) 晶面）；e) ZCPO 的負熱膨脹機制；f) 本工作觀察到的熱膨脹性能與類似研究中報道的結果的比較。

圖4：a) ZCPO/EP復合材料的幾何模型；b) ZCPO/EP復合材料的熱膨脹系數；c–e) 熱模擬生成的EP體和截面的應變、第一主應力；f–h) 熱模擬生成的ZCPO/EP-61復合材料體和截面的應變、第一主應力。

圖5：a) 不含TIM2的EP熱電制冷裝置的正面和橫截面圖；b) 涂覆TIM2的EP熱電制冷裝置的正面和橫截面圖；c) 采用ZCPO/EP-61復合材料的熱電制冷裝置的正面和橫截面圖；d) 熱電冷卻功率半導體器件的結構；e) 采用ZCPO/EP-61復合材料的熱電冷卻功率半導體器件的實物圖；f) 采用ZCPO/EP-61復合材料的熱電冷卻器和涂覆TIM2的ZCPO/EP-61復合材料熱電冷卻器的溫度曲線。