功率芯片表面絕緣層厚度對石墨烯散熱效果的影響

馮立康+戴立新+洪國東+王政留

摘 要 隨著晶體管和集成電路尺寸的減小及密度的增加，芯片級的功率密度和空間分布給熱管理帶來了極大挑戰(zhàn)。石墨烯作為新興二維材料的代表，由于其優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性能，有希望在下一代電子器件中作為散熱材料，將局部熱點的熱量橫向重新分布。然而，由于石墨烯的電導(dǎo)特性，需要二氧化硅等絕緣層將其與電路隔開。研究發(fā)現(xiàn)，絕緣層的厚度對石墨烯應(yīng)用于功率芯片表面的散熱性能有著重要的影響，絕緣層越薄，局部熱點的散熱效果越好。

【關(guān)鍵詞】石墨烯 二氧化硅 厚度 散熱

在過去的半個世紀中，隨著通信、汽車電子、消費類電子、軍事和航空航天電子對微電子產(chǎn)品高性能、微型化、多功能化和低成本的需求，對現(xiàn)有材料、工具、工藝和設(shè)計方法的改進迫在眉睫。電子器件和它們的應(yīng)用成為了發(fā)展最快的領(lǐng)域，特征尺寸從微米降到納米。除此以外，還有很多新的嘗試，如多核架構(gòu)、三維芯片堆疊等。然而，這些技術(shù)發(fā)展和新興應(yīng)用都給熱管理帶來了極大挑戰(zhàn)，直接關(guān)系到電子器件的應(yīng)用局限性和整體可靠性。

近年來，石墨烯由于其非常高的熱導(dǎo)率（5300W/m·K），被視為最有希望的散熱材料。Gao等使用化學氣相沉積（CVD）法合成了單層石墨烯，在熱流密度為430 W/cm2時，石墨烯作為散熱層可將熱點溫度從120℃降到108℃。但是石墨烯不僅是很好的熱傳導(dǎo)材料，也具備良好的電導(dǎo)特性，因此需要二氧化硅（SiO2）等絕緣材料將其與電路隔開，這些絕緣材料通常熱傳導(dǎo)性能較差，而厚絕緣層會使石墨烯層的散熱效果大打折扣。

為了研究絕緣層厚度對石墨烯散熱效果的影響，本文選用兩種不同的功率芯片測試結(jié)構(gòu)，即分別在210nm和600nm厚SiO2絕緣層的表面轉(zhuǎn)移石墨烯作為功率芯片的散熱層，觀察不同測試結(jié)構(gòu)中芯片熱點最高溫度的變化，從而研究石墨烯散熱性能所受到的不同影響。

1 測試樣品的制備

為了評估石墨烯作為散熱層的性能，組裝出硅熱點測試芯片。熱點由金屬電阻形成，在硅片表面蒸鍍鉑金屬，由于其電阻隨溫度線性變化，通過加載功率，可以用來模擬功率芯片的局部熱點。在金屬層表面分別濺射形成210nm和600nm厚的SiO2絕緣層。

本文選取南京先豐納米材料科技有限公司制備的多層石墨烯，是在25μm厚的銅箔上用化學氣相沉積法合成的。為了研究石墨烯散熱層對熱點溫度的影響，必須將其從銅箔上轉(zhuǎn)移到熱點測試結(jié)構(gòu)上。通常在石墨烯薄膜表面旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為支撐層，采用濕法刻蝕或氣泡分離的方法將下面的銅箔去除。然后將PMMA/石墨烯放置于熱點測試結(jié)構(gòu)上，最后用熱丙酮去除PMMA。

2 石墨烯的散熱測試

在電路上加載同樣的功率，通過紅外熱像儀，可以看到樣品表面溫度分布如圖1所示。SiO2絕緣層為210nm厚時，無論從熱點最高溫度還是熱區(qū)域面積大小來看，都要比600nm厚SiO2絕緣層的測試結(jié)構(gòu)散熱效果明顯。

3 結(jié)論

通過對比兩種不同的測試結(jié)構(gòu)，即分別在石墨烯轉(zhuǎn)移之前，在金屬電路上濺射了210nm和600nm厚的SiO2絕緣層?？梢园l(fā)現(xiàn)，相同功率負載下，絕緣層越薄，熱點的最高溫度越低，說明石墨烯的散熱效果越好。

參考文獻

[1]International Technology Roadmap for Semiconductors：ITRS Reports，http：//www.itrs.net/reports.HTML.

[2]Ferain I，et al.Nature 479（November （17））（2011）310.

[3]Huang W，et al.26th IEEE SEMI-THERM Symposium，Santa Clara，CA，（2010）， p.198.

[4]Huang W，et al.IEEE Micro 31（4） （2011） 16.

[5]Gao Z，Zhang Y，F(xiàn)u Y，et al.Thermal chemical vapor deposition grown graphene heat spreader for thermal management of hot spots [J].Carbon. 61，342（2013）.

[6]鮑婕，張勇，黃時榮等.二維層狀六方氮化硼在芯片散熱中的應(yīng)用[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學學報.24（1）（2016）：210-217.

[7]Liang X，Sperling B A，Calizo I，et al. Toward clean and crackles transfer of graphene[J].ACS nano，5，9144 （2011）.

[8]Li X，Zhu Y，Cai W，et al.Transfer of large-area graphene films for high-performance transparent conductive electrodes[J].Nano letters.9，4359 （2009）.

[9]Lockhart de la Rosa C J，Sun J， Lindvall N，et al.Frame assisted H2O electrolysis induced H2 bubbling transfer of large area graphene grown by chemical vapor deposition on Cu [J].APPlied Physics Letters. 102，022101（2013）.

作者單位

1.黃山市七七七電子有限公司 安徽省黃山市 245600

2.黃山市供電公司 安徽省黃山市 245000