馮立康+戴立新+洪國(guó)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(jí)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(diǎn)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(duì)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(diǎn)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(gè)世紀(jì)中，隨著通信、汽車電子、消費(fèi)類電子、軍事和航空航天電子對(duì)微電子產(chǎn)品高性能、微型化、多功能化和低成本的需求，對(duì)現(xiàn)有材料、工具、工藝和設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)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(xué)氣相沉積（CVD）法合成了單層石墨烯，在熱流密度為430 W/cm2時(shí)，石墨烯作為散熱層可將熱點(diǎn)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(huì)使石墨烯層的散熱效果大打折扣。

為了研究絕緣層厚度對(duì)石墨烯散熱效果的影響，本文選用兩種不同的功率芯片測(cè)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(cè)試結(jié)構(gòu)中芯片熱點(diǎn)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(cè)試樣品的制備

為了評(píng)估石墨烯作為散熱層的性能，組裝出硅熱點(diǎn)測(cè)試芯片。熱點(diǎn)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(diǎn)。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(xué)氣相沉積法合成的。為了研究石墨烯散熱層對(duì)熱點(diǎn)溫度的影響，必須將其從銅箔上轉(zhuǎn)移到熱點(diǎn)測(cè)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(diǎn)測(cè)試結(jié)構(gòu)上，最后用熱丙酮去除PMMA。

2 石墨烯的散熱測(cè)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(shí)，無論從熱點(diǎn)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(cè)試結(jié)構(gòu)散熱效果明顯。

3 結(jié)論

通過對(duì)比兩種不同的測(cè)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(fù)載下，絕緣層越薄，熱點(diǎn)的最高溫度越低，說明石墨烯的散熱效果越好。

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作者單位

1.黃山市七七七電子有限公司 安徽省黃山市 245600

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