石墨烯轉移工藝對功率芯片絕緣層的影響

黃山市七七七電子有限公司 洪國東 戴立新 馮立康

黃山市供電公司 王政留

石墨烯轉移工藝對功率芯片絕緣層的影響

黃山市七七七電子有限公司 洪國東 戴立新 馮立康

黃山市供電公司 王政留

隨著微電子產品高性能、微型化、多功能化的發展需求，電子器件及應用發展迅速，新興技術給電子產品的熱管理帶來了極大挑戰。石墨烯由于其極高的橫向熱導率，有希望成為下一代電子器件散熱材料的最佳選擇。然而，由于石墨烯的超薄尺寸，應用于功率芯片表面進行散熱時需要經過復雜的轉移工藝。研究發現，石墨烯的轉移工藝對芯片表面絕緣層有一定的破壞作用，從而在一定程度上影響芯片的電特性。

石墨烯；絕緣；轉移工藝

隨著電子元件和系統的體積不斷減小，運行速度不斷加快，電子產品的熱處理成了影響它們壽命和可靠性的關鍵問題［1，2］。局部高熱流熱點的冷卻技術是大功率電子器件發展的關鍵［3］。

目前業界的方法可分為主動散熱和被動式散熱，主動式散熱需要安裝熱電轉化器等固體器件，雖然能滿足一些熱點的散熱要求，但是需要一定的空間和功率消耗，不適合本來就空間有限的電子產品；而被動式散熱，如使用散熱墊、導熱油脂、散熱帶、導熱膠、相變材料等，其突出優點是不消耗功率，綠色環保。缺點是由于這些材料具有有限的幾何形狀和較低的熱導率，其散熱效果遠不能滿足大功率熱管理的需要［4］。

近年來，石墨烯由于強sp2鍵帶來超高的熱導率5300W/m●K，被提出可以作為最有希望的散熱材料。Yan等［5］使用機械剝離法剝落了石墨烯絮，用于大功率晶體管的熱管理，將熱點溫度降低了20°C，從而將晶體管壽命延長了一個數量級。但是石墨烯由于其特殊的二維結構以及超薄的厚度，應用于功率芯片表面進行散熱時需要復雜的轉移工藝，而轉移工藝對芯片表面絕緣層有一定影響。

本文選用兩種不同的方法將雙層石墨烯轉移到功率芯片表面做散熱層，通過觀察芯片電路電阻的變化，從而研究石墨烯轉移工藝對絕緣層的影響。

1　測試樣品的制備

本文中的測試用功率芯片是由硅晶圓表面濺射金屬電路制成的，由于鉑金屬的熱敏特性，其電阻隨溫度呈很好的線性關系。由鉑金屬形成的蛇形電阻作為芯片電路，通過加載不同功率，電阻發熱形成局部熱點。在電路上方濺射形成210nm厚的SiO2絕緣保護層。

本文選取南京先豐納米材料科技有限公司通過化學氣相沉積（CVD）法制備的石墨烯，是在25μm厚的銅箔上生長的單層或多層石墨烯。為了將石墨烯應用于功率芯片對局部熱點進行散熱，必須將其從生長基底上轉移到目標芯片上。本文采用濕法刻蝕［6，7］工藝進行兩種不同方式的轉移，即生長出單層石墨烯并兩次轉移，另一種是直接生長雙層石墨烯，然后進行一次轉移。首先要在石墨烯薄膜表面旋涂一層很薄的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為薄膜支撐層，烘干后將其放入一定濃度的FeCl3溶液中對銅基底進行腐蝕，經過去離子水的多次清洗后，將PMMA/石墨烯放置于被測芯片表面，烘干后用熱丙酮去除PMMA，得到待測樣品。

2　芯片電路的電阻測試

室溫下對芯片電路的電阻值進行不同頻率下的測試，結果如圖1所示。在50Hz～50kHz的范圍內，電阻值不隨頻率發生變化。在未轉移石墨烯之前，電路電阻在80Ω左右；兩次轉移單層石墨烯之后，電路電阻出現明顯減小，下降了約31.3%；而雙層石墨烯單次轉移得到的電阻值略有回升，和轉移之前相比下降了25%。從測試結果可以推斷，濺射的SiO2絕緣層在石墨烯轉移過程中會受到一定程度的破壞，沒有起到理想的絕緣保護作用，而且轉移次數越多，絕緣層受損的程度越嚴重。

3　結論

通過兩種不同的方式組裝雙層石墨烯的測試樣品，即生長出單層石墨烯，分兩次進行轉移，另一種是直接生長雙層石墨烯，然后進行單次轉移。可以發現，轉移石墨烯之后芯片電路的電阻值都受到影響，轉移次數越多，芯片表面絕緣層受損程度越嚴重。因此，在石墨烯應用于功率芯片進行散熱時，要有致密的絕緣保護層，保證芯片電路的電特性不會受到影響，同時，轉移次數越少越好。

圖1　轉移石墨烯前后芯片電路的室溫下電阻對比

［1］Fu Y，Wang T，Jonsson O，et al.Application of through silicon via technology for in situ temperature monitoring on thermal interfaces［J］. Journal of Micromechanics and Microengineering.20（2）（2010）025027.

［2］Lv Y G，Zhou Y X，Liu J.Experimental validation of a conceptual vapor-based air-conditioning system for the reduction of chip temperature through environmental cooling in a computer closet［J］.Journal of Basic Science and Engineering.15（4）（2007）531-546.

［3］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用［J］.應用基礎與工程科學學報，24（1）（2016）：210-217.

［4］張勇.石墨烯在高功率密度系統級封裝的熱管理問題研究［D］.上海大學，2016.

［5］Yan Z，Liu G，Khan J M，et al.Graphene quilts for thermal management of high-power GaN transistors［J］.Nature Communications.3（2012）827.

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

［7］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）.

洪國東，男，安徽黃山七七七電子有限公司工程師。

The influence of transfer process of graphene on the insulated layers in power chips

HONG Guo-dong1，DAI Li-xin1，FENG Likang1，WANG Zheng-liu2
（1.Huangshan Qiqiqi Electron Company，Huangshan 245600，China；2.State Grid Huangshan Power Supply Company，Huangshan 245000，China）

As the development of high performance，miniaturization and multifunctional demand of the microelectronics products，electronic devices and their applications are developing rapidly.Emerging technologies have brought great challenges to thermal management of the electronic products.Due to its high in-plane thermal conductivity，graphene is promising to be the best choice of heat dissipation materials in the next generation of electronic devices.However，because of the ultrathin size of graphene，it needs complex transfer processes to be used as the heat spreader in power chips.It can be found that the transfer processes of graphene have bad influence on the insulated layers and electric properties of the power chips.

graphene；insulation；transfer process