發(fā)布時間：2019-09-19 13:14

【摘要】：隨著通信、汽車電子、消費類電子產(chǎn)業(yè)以及軍事、航空航天領(lǐng)域?qū)ξ㈦娮赢a(chǎn)品的高性能、小型化、微型化、多功能化以及低成本的發(fā)展要求,電子器件及其應用在短短20年內(nèi)已經(jīng)成為了發(fā)展最快的領(lǐng)域。特征尺寸從微米降到納米,同時在封裝集成度方面也有很多新興的做法,比如多核架構(gòu)、三維芯片堆疊等,都為提升計算性能提供了可能的方案。然而,這些技術(shù)發(fā)展和新興應用也帶來了熱處理的極大挑戰(zhàn),解決不好會局限應用效果、實施范圍和整體可行性。無論是單個晶體管還是芯片和封裝整體,都需要加強有效的散熱能力。新興材料的熱性能對提升下一代電子設備熱管理特性是至關(guān)重要的。而CPU微處理器、集成電子芯片、大功率LED燈具、電池組散熱設計等很多應用場合都需要導熱卻不導電的界面?zhèn)鲗Р牧?因此基于上述情況,本論文討論研究了使用新興二維層狀材料六方氮化硼(hBN)來解決高功率電子器件中的絕緣散熱問題。分別將化學氣相沉積(CVD)方法生長的單層六方氮化硼,液相剝離法制備的少層六方氮化硼,轉(zhuǎn)移到熱測試芯片表面,一方面替代傳統(tǒng)的二氧化硅(Si O2)等熱導率較差的材料做絕緣保護層,另一方面利用其特殊的二維結(jié)構(gòu)所帶來優(yōu)異的橫向傳熱能力,將高功率電子器件的局部熱點熱量迅速在橫向傳開,降低局部最高溫度,從而提升器件的壽命及可靠性。研究表明,單層六方氮化硼可以實現(xiàn)既絕緣又散熱的雙重目標,但其散熱效果與材料本身的生長質(zhì)量、從生長基底到芯片表面的轉(zhuǎn)移情況都有著密切的關(guān)系,技術(shù)重復性和大規(guī)模量產(chǎn)的可行性較差。在本論文中,選擇特定比例的乙醇/水溶液作為液相剝離溶劑,確定超聲、離心等步驟的具體參數(shù),制備出少層六方氮化硼,采用滴涂蒸發(fā)的方式在芯片表面成膜,該方法重復性好,且成本較低。少層六方氮化硼薄膜絕緣性能良好,且在熱流密度1000 W/cm2時可將芯片熱點溫度降低3-5°C左右。為了進一步提高二維層狀六方氮化硼基散熱薄膜的熱導率,分別制備石墨烯/六方氮化硼疊層結(jié)構(gòu)和復合結(jié)構(gòu)。研究表明,二者的疊層結(jié)構(gòu)絕緣性能不夠理想,而石墨烯添加量在一定比例時的復合結(jié)構(gòu)在保證絕緣良好的情況下,能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的散熱效果,在熱流密度1000 W/cm2時可將芯片熱點溫度降低8-10°C左右。石墨烯增強二維層狀六方氮化硼基薄膜的散熱效果,其得益于石墨烯添加后薄膜更為連續(xù)和平整,與芯片表面的結(jié)合力得以加強,從而減小了傳熱通路中的接觸熱阻。通過有限元模擬仿真實驗測試結(jié)構(gòu),得到了和實驗結(jié)果一致的結(jié)論,薄膜與芯片之間的接觸熱阻是限制高導熱薄膜散熱效果的重要因素,通過對薄膜或芯片進行功能化處理,增強薄膜和芯片之間的結(jié)合,是進一步增強二維層狀六方氮化硼基薄膜散熱效果的有效方案。
【圖文】：

二維材料的結(jié)構(gòu)示意圖

二維層狀氮化硼最常用的制備方法是機械剝離法、液相剝離法和化學沉積（CVD）法。機械剝離法是保留面內(nèi)結(jié)構(gòu)的 sp2鍵，，破壞層間的范德圖 1.3 典型的幾種二維材料[33]
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN604

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1 葛雷;楊建;丘泰;;六方氮化硼的制備方法研究進展[J];電子元件與材料;2008年06期

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2 宋秀菊;高騰;聶玉峰;孫靖宇;陳宇濱;張艷鋒;劉忠范;;利用化學氣相沉積法生長大疇區(qū)六方氮化硼[A];中國化學會第29屆學術(shù)年會摘要集——第30分會：低維碳材料[C];2014年

3 虞自由;侯新梅;嚴紅艷;李福q

本文編號：2538149