功率芯片表面绝缘层厚度对石墨烯散热效果的影响

冯立康+戴立新+洪国东+王政留

摘 要 随着晶体管和集成电路尺寸的减小及密度的增加，芯片级的功率密度和空间分布给热管理带来了极大挑战。石墨烯作为新兴二维材料的代表，由于其优异的热传导性能，有希望在下一代电子器件中作为散热材料，将局部热点的热量横向重新分布。然而，由于石墨烯的电导特性，需要二氧化硅等绝缘层将其与电路隔开。研究发现，绝缘层的厚度对石墨烯应用于功率芯片表面的散热性能有着重要的影响，绝缘层越薄，局部热点的散热效果越好。

【关键词】石墨烯 二氧化硅 厚度 散热

在过去的半个世纪中，随着通信、汽车电子、消费类电子、军事和航空航天电子对微电子产品高性能、微型化、多功能化和低成本的需求，对现有材料、工具、工艺和设计方法的改进迫在眉睫。电子器件和它们的应用成为了发展最快的领域，特征尺寸从微米降到纳米。除此以外，还有很多新的尝试，如多核架构、三维芯片堆叠等。然而，这些技术发展和新兴应用都给热管理带来了极大挑战，直接关系到电子器件的应用局限性和整体可靠性。

近年来，石墨烯由于其非常高的热导率（5300W/m·K），被视为最有希望的散热材料。Gao等使用化学气相沉积（CVD）法合成了单层石墨烯，在热流密度为430 W/cm2时，石墨烯作为散热层可将热点温度从120℃降到108℃。但是石墨烯不仅是很好的热传导材料，也具备良好的电导特性，因此需要二氧化硅（SiO2）等绝缘材料将其与电路隔开，这些绝缘材料通常热传导性能较差，而厚绝缘层会使石墨烯层的散热效果大打折扣。

为了研究绝缘层厚度对石墨烯散热效果的影响，本文选用两种不同的功率芯片测试结构，即分别在210nm和600nm厚SiO2绝缘层的表面转移石墨烯作为功率芯片的散热层，观察不同测试结构中芯片热点最高温度的变化，从而研究石墨烯散热性能所受到的不同影响。

1 测试样品的制备

为了评估石墨烯作为散热层的性能，组装出硅热点测试芯片。热点由金属电阻形成，在硅片表面蒸镀铂金属，由于其电阻随温度线性变化，通过加载功率，可以用来模拟功率芯片的局部热点。在金属层表面分别溅射形成210nm和600nm厚的SiO2绝缘层。

本文选取南京先丰纳米材料科技有限公司制备的多层石墨烯，是在25μm厚的铜箔上用化学气相沉积法合成的。为了研究石墨烯散热层对热点温度的影响，必须将其从铜箔上转移到热点测试结构上。通常在石墨烯薄膜表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为支撑层，采用湿法刻蚀或气泡分离的方法将下面的铜箔去除。然后将PMMA/石墨烯放置于热点测试结构上，最后用热丙酮去除PMMA。

2 石墨烯的散热测试

在电路上加载同样的功率，通过红外热像仪，可以看到样品表面温度分布如图1所示。SiO2绝缘层为210nm厚时，无论从热点最高温度还是热区域面积大小来看，都要比600nm厚SiO2绝缘层的测试结构散热效果明显。

3 结论

通过对比两种不同的测试结构，即分别在石墨烯转移之前，在金属电路上溅射了210nm和600nm厚的SiO2绝缘层。可以发现，相同功率负载下，绝缘层越薄，热点的最高温度越低，说明石墨烯的散热效果越好。

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作者单位

1.黄山市七七七电子有限公司 安徽省黄山市 245600

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