Highly‐Effective Thermoelectric Cooling for Power Semiconductor Devices Packed with Thermal‐Expansion Offset and Flame Retardancy Epoxy Resin

材料科学 环氧树脂 复合材料 偏移量(计算机科学) 热电效应 热的 半导体 热膨胀 光电子学 计算机科学 热力学 物理 气象学 程序设计语言
作者
You Li,Tianshun Xiong,Ge Liu,Dongjie� Liu,Wenyuan Ma,Shuangfu Gang,Xin Li,Qinghui Jiang,Yubo Luo,Junyou Yang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (38) 被引量:9
标识
DOI:10.1002/adfm.202420944
摘要

Abstract The high‐power‐density and high‐temperature operation of third‐generation power semiconductor devices (e.g., SiC/GaN) is limited by epoxy resin (EP)‐based packaging materials due to three key challenges: (1) Low thermal conductivity brings heat accumulation; (2) High interfacial stress from the ≈ 20 times higher thermal expansion coefficient of EP versus SiC/GaN causes thermal cycling‐induced interfacecracks, significant performance or lifespan degradation and even device failure; (3) The flammable nature of EP enhances the risk factor caused by thermal runaway. Herein, a thermal‐expansion offset and flame retardant Zn 1.5 Cu 0.5 P 2 O 7 (ZCPO) is design with a negative thermal expansion coefficient of ‐20 × 10 −6 / °C, within temperature ranges of 20 ∼ 190 °C, which enables to achieve a ceramic‐like thermal expansion coefficient (4 × 10 −6 / °C) and UL‐94 V‐0 rating flame retardancy in ZCPO/EP‐61 composite for the first time. The perfectly matched thermal expansion coefficient minimizes the interfacial stress between EP and chips or thermoelectric cooler, thus a simple thermoelectric cooling architecture is designed for power semiconductor device without thermal interface material 2 (TIM2), which enables to achieve a cooling temperature of 26.85 °C, 8 °C lower than that with TIM2 (18.89 °C).
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