石墨烯转移工艺对功率芯片绝缘层的影响

黄山市七七七电子有限公司 洪国东 戴立新 冯立康

黄山市供电公司 王政留

石墨烯转移工艺对功率芯片绝缘层的影响

黄山市七七七电子有限公司 洪国东 戴立新 冯立康

黄山市供电公司 王政留

随着微电子产品高性能、微型化、多功能化的发展需求，电子器件及应用发展迅速，新兴技术给电子产品的热管理带来了极大挑战。石墨烯由于其极高的横向热导率，有希望成为下一代电子器件散热材料的最佳选择。然而，由于石墨烯的超薄尺寸，应用于功率芯片表面进行散热时需要经过复杂的转移工艺。研究发现，石墨烯的转移工艺对芯片表面绝缘层有一定的破坏作用，从而在一定程度上影响芯片的电特性。

石墨烯；绝缘；转移工艺

随着电子元件和系统的体积不断减小，运行速度不断加快，电子产品的热处理成了影响它们寿命和可靠性的关键问题［1，2］。局部高热流热点的冷却技术是大功率电子器件发展的关键［3］。

目前业界的方法可分为主动散热和被动式散热，主动式散热需要安装热电转化器等固体器件，虽然能满足一些热点的散热要求，但是需要一定的空间和功率消耗，不适合本来就空间有限的电子产品；而被动式散热，如使用散热垫、导热油脂、散热带、导热胶、相变材料等，其突出优点是不消耗功率，绿色环保。缺点是由于这些材料具有有限的几何形状和较低的热导率，其散热效果远不能满足大功率热管理的需要［4］。

近年来，石墨烯由于强sp2键带来超高的热导率5300W/m●K，被提出可以作为最有希望的散热材料。Yan等［5］使用机械剥离法剥落了石墨烯絮，用于大功率晶体管的热管理，将热点温度降低了20°C，从而将晶体管寿命延长了一个数量级。但是石墨烯由于其特殊的二维结构以及超薄的厚度，应用于功率芯片表面进行散热时需要复杂的转移工艺，而转移工艺对芯片表面绝缘层有一定影响。

本文选用两种不同的方法将双层石墨烯转移到功率芯片表面做散热层，通过观察芯片电路电阻的变化，从而研究石墨烯转移工艺对绝缘层的影响。

1　测试样品的制备

本文中的测试用功率芯片是由硅晶圆表面溅射金属电路制成的，由于铂金属的热敏特性，其电阻随温度呈很好的线性关系。由铂金属形成的蛇形电阻作为芯片电路，通过加载不同功率，电阻发热形成局部热点。在电路上方溅射形成210nm厚的SiO2绝缘保护层。

本文选取南京先丰纳米材料科技有限公司通过化学气相沉积（CVD）法制备的石墨烯，是在25μm厚的铜箔上生长的单层或多层石墨烯。为了将石墨烯应用于功率芯片对局部热点进行散热，必须将其从生长基底上转移到目标芯片上。本文采用湿法刻蚀［6，7］工艺进行两种不同方式的转移，即生长出单层石墨烯并两次转移，另一种是直接生长双层石墨烯，然后进行一次转移。首先要在石墨烯薄膜表面旋涂一层很薄的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为薄膜支撑层，烘干后将其放入一定浓度的FeCl3溶液中对铜基底进行腐蚀，经过去离子水的多次清洗后，将PMMA/石墨烯放置于被测芯片表面，烘干后用热丙酮去除PMMA，得到待测样品。

2　芯片电路的电阻测试

室温下对芯片电路的电阻值进行不同频率下的测试，结果如图1所示。在50Hz～50kHz的范围内，电阻值不随频率发生变化。在未转移石墨烯之前，电路电阻在80Ω左右；两次转移单层石墨烯之后，电路电阻出现明显减小，下降了约31.3%；而双层石墨烯单次转移得到的电阻值略有回升，和转移之前相比下降了25%。从测试结果可以推断，溅射的SiO2绝缘层在石墨烯转移过程中会受到一定程度的破坏，没有起到理想的绝缘保护作用，而且转移次数越多，绝缘层受损的程度越严重。

3　结论

通过两种不同的方式组装双层石墨烯的测试样品，即生长出单层石墨烯，分两次进行转移，另一种是直接生长双层石墨烯，然后进行单次转移。可以发现，转移石墨烯之后芯片电路的电阻值都受到影响，转移次数越多，芯片表面绝缘层受损程度越严重。因此，在石墨烯应用于功率芯片进行散热时，要有致密的绝缘保护层，保证芯片电路的电特性不会受到影响，同时，转移次数越少越好。

图1　转移石墨烯前后芯片电路的室温下电阻对比

［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］鲍婕，张勇，黄时荣等.二维层状六方氮化硼在芯片散热中的应用［J］.应用基础与工程科学学报，24（1）（2016）：210-217.

［4］张勇.石墨烯在高功率密度系统级封装的热管理问题研究［D］.上海大学，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）.

洪国东，男，安徽黄山七七七电子有限公司工程师。

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