[發明專利]一種基于石墨烯材料的集成電路熱管理系統

有效

• 申請號: 201810686310.1
• 申請日: 2018-06-28
• 公開（公告）號: CN108987559B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 周偉;陳祥;沈德元;柳陽雨;吳倩倩;葛志祥;王敬如
• 申請（專利權）人: 江蘇師范大學
• 主分類號: H01L35/32
• 分類號: H01L35/32;H01L35/14;H01L35/34;H01L23/38
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 周敏

本發明公開了一種基于石墨烯材料的集成電路熱管理系統，包括電源系統、至少一個切換裝置、至少一個溫控單元以及至少一個電流控制器；溫控單元包括正電極、負電極以及多個P型石墨烯材料和N型石墨烯材料，P型石墨烯材料和N型石墨烯材料依次交替設置于正電極與負電極之間；電源系統正極連接切換裝置的一端，切換裝置的另一端連接溫控單元的正電極，溫控單元的負電極連接電流控制器的一端，電流控制器的另一端連接電源系統負極。本發明是基于帕爾帖效應實現的主動可控散熱，在切換裝置作用下實現熱場空間調制分布，在電流調節器作用下實現熱量時域上的調制分布。

技術領域

本發明屬于集成電路熱管理領域，涉及一種集成電路熱管理系統，具體涉及一種基于石墨烯材料的集成電路熱管理系統。

背景技術

隨著芯片的集成度日益提高，產品越來越微型化，熱量堆積問題也越來越亟待解決。在極其有限的空間內大規模集成電路的產品中，極易出現局部熱點，從而導致溫度分布不均，形成溫度梯度。由溫度梯度產生的熱應力對于結構具有很強破壞性。如果熱點的熱量不及時導出，短時間內急劇上升形成熱沖擊，將對電路產生不可逆轉的永久性損傷。

目前，散熱方式分為主動散熱和被動散熱。被動散熱技術是基于熱力學第二定律：熱量能自發的從溫度高的物體傳向低溫物體，材料自身通過原子、分子的熱振動傳導熱量，與空間進行熱量交換，達到散熱的目的。這種散熱方式主要依賴散熱材料的特性，效率較低，溫控精度和時間響應的可控性差。主動散熱技術主要有風冷、水冷、化學制冷以及半導體制冷，利用外部設備主動進行能量交換，外部設備的能量交換可以通過檢測手段形成反饋機制，實時調節交換的能量大小，從而實現精度和時間響應可控的散熱。由于其他形式能量的介入，比起依靠材料自身的被動傳導更高效。

石墨烯材料是世界上目前發現的唯一穩定存在的二維單原子層厚度碳材料。原子間作用力非常強，其破壞強度為42N/m,楊氏模量為1T帕。石墨烯材料的電學特性主要表現為室溫下電子遷移率高達35000cm2/Vs，是銻化銦材料(之前已知具有最高遷移率的材料)的兩倍，超過半導體硅遷移率的十倍，電流耐性最大可達2×108A/cm2。

石墨烯的熱學特性主要為熱導率以及負的膨脹系數。目前已知的理論上單層石墨烯的導熱系數為6000W/m·K，基于石墨烯材料的高熱導系數已經制備出石墨烯散熱膜。

公開號CN 202750382提出了一種由石墨烯、粘合層和保護層組成的復合散熱膜技術，該專利主要實現了石墨烯復合散熱膜的設計使用，解決石墨烯層間結構導致的散熱性能降低問題。該石墨烯散熱膜，便于集成，無噪聲，能實現快速地熱傳遞，目前，蘋果、華為等公司已經將石墨烯散熱膜應用到產品散熱模塊中。公開號CN 206380100U提出了一種石墨烯散熱裝置，在金屬導體上涂覆石墨烯，利用石墨烯的高熱導系數實現散熱。公開號CN105957952A提出了半導體制冷石墨烯芯片，利用半導體制冷片對用于紅外探測的石墨烯材料進行散熱，由于石墨烯材料的高熱導系數加速半導體制冷片冷、熱端的熱傳導，從而提高探測裝置整體散熱性能。以上研究都是基于石墨烯的高熱導系數實現散熱，仍屬于被動散熱，不可控，無法對急劇的溫度變化做出快速時間響應，對熱點不能迅速的導熱，仍會存在階段性熱量堆積問題，無法保證控溫精度。

發明內容

本發明的目的是提供一種高溫散熱快、低溫加熱快、溫度易控制、均熱性好的基于石墨烯材料的集成電路熱管理系統，結構簡單，安全可靠。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種基于石墨烯材料的集成電路熱管理系統，包括電源系統、至少一個切換裝置、至少一個溫控單元以及至少一個電流控制器；

所述溫控單元包括正電極、負電極以及多個P型石墨烯材料和N型石墨烯材料，P型石墨烯材料和N型石墨烯材料依次交替設置于正電極與負電極之間；所述溫控單元采用單行依次并列排布、多行多列交替排布、上下T型不對稱排布中一種組合形式進行空間分布；