全文总字数：5151字

石墨烯薄膜对三维芯片的热效应影响研究文献综述

摘要：三维芯片是把多层的平面元件堆叠起来，在垂直的方向是使用硅通孔连接起来，三维芯片具有高密度和低功耗的特点，但是其同时具有较高的功耗密度，导致了芯片内部产生的热量不易散发。本文设计了一种添加了石墨烯层的三维芯片结构，利用有限元分析软件ANSYS Workbench建立该结构单元的三维模型,连续改变石墨烯的层数，对其进行一系列的温度和热分布模拟，分析石墨烯对器件热效果热应力分布的影响,并在此基础上进行基于石墨烯的三维芯片的热管理分析与可靠性分析。

关键词：石墨烯薄膜 三维芯片 热效应

前言：

这些年来，得益于集成电路设计与制造技术的不断发展，集成电路集成的晶体管数量愈发巨大，但其总体的特征尺寸不断变小，集成度不断提高。这也导致芯片的单位面积上功耗不断上升，致使芯片的温度和整个芯片的热密度不断变高。如果不能有效的使芯片内部温度降低，就会造成芯片内部的热量累积，并使芯片内部器件的结温升高。

若芯片的工作温度太高，会使得芯片的一些特性参数逐步退化，从而影响芯片的可靠性，甚至会造成芯片的功能失效，而最终影响芯片的使用寿命。因此，在进行集成电路芯片的设计时，需要考虑对峰值温度的处理与散热问题^[1]。本文针对三维集成电路芯片结构，通过使用石墨烯层对芯片进行散热，利用有限元分析软件ANSYS Workbench建立该结构单元的三维模型,连续改变石墨烯的层数，对其进行一系列的温度和热分布模拟，分析石墨烯对器件热效果热应力分布的影响,并在此基础上进行基于石墨烯的三维芯片的热管理分析与可靠性分析。

国内外研究现状：

微电子技术的发展：

国外：1947年发明的晶体管是被认为电子工业最重要发明，它在1956年为John Bardeen，Walter Brattain和William Shockley赢得了诺贝尔物理学奖。1958年Jack Kilby发明了集成电路，为此他于2000年获得了诺贝尔物理学奖，六个月后Robert Noyce促成了IC集成的发展。1965年Gordon Moore提出的每24个月在IC芯片上将增加一倍晶体管的假说，一直是过去50年来微电子工业发展最强大的动力。这个假说也得到了验证，自那以后，全球的微电子行业经历了从小规模集成电路，到中规模集成电路到大规模集成电路再到超大规模集成电路以及特大规模集成电路^[2]。到如今，微电子的工艺已经发展到相当成熟的地步，工艺尺寸也进入近3ns级别，在这种级别已经快要达到材料的物理极限，所以新的IC集成工艺在这些年被大力发展，其中，三维封装技术作为最有希望的新技术，得到全球工业界广泛地关注和加速的研发^[3]。

国内：我国的集成电路产业起步于 1965 年，先后经历了自主创业（1965 年—1980年）、引进提高（1981 年—1989 年）、重点建设（1990 年—1999 年）和全面发展（2000 至今）四个发展阶段。经过几十年的发展，中国大陆的集成电路产业从无到有，从小到大，目前已初具规模^[4]。但伴随着中美关系恶化，芯片制造行业被外国企业遏制的情况《中国制造 2025》更是将芯片产业放在重点聚焦发展的十大领域之首，提出了产业发展的重点方向和关键技术。科技部有针对性地构建了“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两大国家重点科技专项，聚焦芯片、软件和电子器件领域组织开展重大科学技术攻关，力争通过持续创新，攻克一批关键技术，研发一批战略性核心产品，提升对战略性技术的自主可控能力^[5]。

石墨烯散热技术：

2004年，英国科学家在实验中用微机剥离法分离制备出了石墨烯，石墨烯具有极高的热导率，单层悬空的石墨烯高达5300W/(m·K)，远远大于传统的金属散热材料如铜（约400W/(m·K)）和铝（约240W/(m·K)）。较高的热导率和其他方面的优异性质，使石墨烯成为极具潜力的下一代的散热和热管理材料^[6]。