石墨烯轉(zhuǎn)移工藝對(duì)功率芯片絕緣層的影響

黃山市七七七電子有限公司 洪國(guó)東 戴立新 馮立康

黃山市供電公司 王政留

石墨烯轉(zhuǎn)移工藝對(duì)功率芯片絕緣層的影響

黃山市七七七電子有限公司 洪國(guó)東 戴立新 馮立康

黃山市供電公司 王政留

隨著微電子產(chǎn)品高性能、微型化、多功能化的發(fā)展需求，電子器件及應(yīng)用發(fā)展迅速，新興技術(shù)給電子產(chǎn)品的熱管理帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。石墨烯由于其極高的橫向熱導(dǎo)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(yīng)用于功率芯片表面進(jìn)行散熱時(shí)需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的轉(zhuǎn)移工藝。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的轉(zhuǎn)移工藝對(duì)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(zhuǎn)移工藝

隨著電子元件和系統(tǒng)的體積不斷減小，運(yùn)行速度不斷加快，電子產(chǎn)品的熱處理成了影響它們壽命和可靠性的關(guān)鍵問(wèn)題［1，2］。局部高熱流熱點(diǎn)的冷卻技術(shù)是大功率電子器件發(fā)展的關(guān)鍵［3］。

目前業(yè)界的方法可分為主動(dòng)散熱和被動(dòng)式散熱，主動(dòng)式散熱需要安裝熱電轉(zhuǎn)化器等固體器件，雖然能滿(mǎn)足一些熱點(diǎn)的散熱要求，但是需要一定的空間和功率消耗，不適合本來(lái)就空間有限的電子產(chǎn)品；而被動(dòng)式散熱，如使用散熱墊、導(dǎo)熱油脂、散熱帶、導(dǎo)熱膠、相變材料等，其突出優(yōu)點(diǎn)是不消耗功率，綠色環(huán)保。缺點(diǎn)是由于這些材料具有有限的幾何形狀和較低的熱導(dǎo)率，其散熱效果遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足大功率熱管理的需要［4］。

近年來(lái)，石墨烯由于強(qiáng)sp2鍵帶來(lái)超高的熱導(dǎo)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(jī)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(diǎn)溫度降低了20°C，從而將晶體管壽命延長(zhǎng)了一個(gè)數(shù)量級(jí)。但是石墨烯由于其特殊的二維結(jié)構(gòu)以及超薄的厚度，應(yīng)用于功率芯片表面進(jìn)行散熱時(shí)需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)移工藝，而轉(zhuǎn)移工藝對(duì)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(zhuǎn)移到功率芯片表面做散熱層，通過(guò)觀察芯片電路電阻的變化，從而研究石墨烯轉(zhuǎn)移工藝對(duì)絕緣層的影響。

1　測(cè)試樣品的制備

本文中的測(cè)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(guān)系。由鉑金屬形成的蛇形電阻作為芯片電路，通過(guò)加載不同功率，電阻發(fā)熱形成局部熱點(diǎn)。在電路上方濺射形成210nm厚的SiO2絕緣保護(hù)層。

本文選取南京先豐納米材料科技有限公司通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備的石墨烯，是在25μm厚的銅箔上生長(zhǎng)的單層或多層石墨烯。為了將石墨烯應(yīng)用于功率芯片對(duì)局部熱點(diǎn)進(jìn)行散熱，必須將其從生長(zhǎng)基底上轉(zhuǎn)移到目標(biāo)芯片上。本文采用濕法刻蝕［6，7］工藝進(jìn)行兩種不同方式的轉(zhuǎn)移，即生長(zhǎng)出單層石墨烯并兩次轉(zhuǎn)移，另一種是直接生長(zhǎng)雙層石墨烯，然后進(jìn)行一次轉(zhuǎn)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(duì)銅基底進(jìn)行腐蝕，經(jīng)過(guò)去離子水的多次清洗后，將PMMA/石墨烯放置于被測(cè)芯片表面，烘干后用熱丙酮去除PMMA，得到待測(cè)樣品。

2　芯片電路的電阻測(cè)試

室溫下對(duì)芯片電路的電阻值進(jìn)行不同頻率下的測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。在50Hz～50kHz的范圍內(nèi)，電阻值不隨頻率發(fā)生變化。在未轉(zhuǎn)移石墨烯之前，電路電阻在80Ω左右；兩次轉(zhuǎn)移單層石墨烯之后，電路電阻出現(xiàn)明顯減小，下降了約31.3%；而雙層石墨烯單次轉(zhuǎn)移得到的電阻值略有回升，和轉(zhuǎn)移之前相比下降了25%。從測(cè)試結(jié)果可以推斷，濺射的SiO2絕緣層在石墨烯轉(zhuǎn)移過(guò)程中會(huì)受到一定程度的破壞，沒(méi)有起到理想的絕緣保護(hù)作用，而且轉(zhuǎn)移次數(shù)越多，絕緣層受損的程度越嚴(yán)重。

3　結(jié)論

通過(guò)兩種不同的方式組裝雙層石墨烯的測(cè)試樣品，即生長(zhǎng)出單層石墨烯，分兩次進(jìn)行轉(zhuǎn)移，另一種是直接生長(zhǎng)雙層石墨烯，然后進(jìn)行單次轉(zhuǎn)移?？梢园l(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)移石墨烯之后芯片電路的電阻值都受到影響，轉(zhuǎn)移次數(shù)越多，芯片表面絕緣層受損程度越嚴(yán)重。因此，在石墨烯應(yīng)用于功率芯片進(jìn)行散熱時(shí)，要有致密的絕緣保護(hù)層，保證芯片電路的電特性不會(huì)受到影響，同時(shí)，轉(zhuǎn)移次數(shù)越少越好。

圖1　轉(zhuǎn)移石墨烯前后芯片電路的室溫下電阻對(duì)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(shí)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(xué)學(xué)報(bào)，24（1）（2016）：210-217.

［4］張勇.石墨烯在高功率密度系統(tǒng)級(jí)封裝的熱管理問(wèn)題研究［D］.上海大學(xué)，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(guó)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，F(xiàn)ENG 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