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。石墨烯作為新興二維材料的代表，由于其優異的熱傳導性能，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，由于石墨烯的電導特性，需要二氧化硅等絕緣層將其與電路隔開。研究發現，絕緣層的厚度對石墨烯應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品高性能、微型化、多功能化和低成本的需求，對現有材料、工具、工藝和設計方法的改進迫在眉睫。電子器件和它們的應用成為了發展最快的領域，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、三維芯片堆疊等。然而，這些技術發展和新興應用都給熱管理帶來了極大挑戰，直接關系到電子器件的應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材料，也具備良好的電導特性，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構，即分別在210nm和600nm厚SiO2絕緣層的表面轉移石墨烯作為功率芯片的散熱層，觀察不同測試結構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移到熱點測試結構上。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構上，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域面積大小來看，都要比600nm厚SiO2絕緣層的測試結構散熱效果明顯。

3 結論

通過對比兩種不同的測試結構，即分別在石墨烯轉移之前，在金屬電路上濺射了210nm和600nm厚的SiO2絕緣層。可以發現，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。

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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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