[发明专利]一种用于各向异性材料不同晶向导热系数比检测的装置与方法

说明书

一种用于各向异性材料不同晶向导热系数比检测的装置与方法属于新型半导体材料及其可靠性研究领域。针对一些新型半导体器件材料具有明显的散热各向异性(如CNT、GaO等)问题，通过自主设计的高灵敏度、高精度热源芯片和测温芯片对薄层材料表面各向异性导热性能进行测试与表征。将热源芯片置于薄层材料表面，在不同晶向上分别放置双测温芯片，对热源芯片设定周期性变化的热源、测定不同晶向上双测温芯片的热传输延迟时间和热扩散速度，进而测量不同晶向导热系数比，实现对各向异性材料面内导热性能有效表征。该方法深入研究了材料横向传热的各向异性，弥补了对各向异性材料实现三维热特性测试的不足。

技术领域

本发明属于新型半导体材料及其可靠性研究领域，是一种通过对各向异性材料表面施加电学调制的周期性热源，依靠双测温芯片获取不同晶向导热系数比，实现对各向异性材料面内散热特性有效表征。

背景技术

随着半导体技术的快速提升与发展，一些新兴高性能芯片材料由于其出色的优点逐渐被应用于新型半导体器件中。如碳纳米管(CNTs)具有高热导率、优越的机械性能等特性；GaO具有宽禁带，其导电性能和发光特性长期以来一直引起人们的注意，在光电子器件方面有广阔的应用前景，被用作于Ga基半导体材料的绝缘层以及紫外线滤光片。在实际应用中，这些材料除了存在纵向界面热阻问题之外，面内各向异性热导率性质也成为了需要亟待关注与解决的问题。比如CNT结构，其轴向和垂直向热导率存在较大的差异性，当作为热界面材料应用于半导体器件时，需要对其横向和纵向两方面综合考量。已成熟的结构函数法能够对纵向散热进行有效评估与检测，如何对其面内不同晶向的热导率进行测试与表征是其作为半导体材料应用中的一个研究热点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于各向异性材料不同晶向导热系数比检测的装置与方法。

本发明的技术方法如下：

为了准确快速测量各向异性材料面内不同晶向导热性能的差异，本发明设计了一套用于各向异性材料不同晶向导热系数比检测的装置，通过制备集成热源和测温二极管阵列芯片作为热源，将设计好的集加热和测温一体的芯片用于温度检测，给热源芯片施加一个呈正弦变化的热流脉冲，通过对热源施加电学调制的周期性热源，热量依次流经双测温芯片，记录热量流经时的温度和时间，能够检测出双测温芯片达到峰值的时间，根据双测温芯片的时间差和二者之间的固定距离可获取热扩散速度，进而获取导热系数比，实现对各向异性面内散热特性的表征测试，包括以下步骤：

设计集成加热和测温一体的二极管阵列芯片，流片高精度测温芯片四块，用于温度检测；

将测温热源芯片置于各向异性材料表面，在两个不同的晶向上分别放置双测温探头用于检测该方向上的热流；

给热源芯片施加一个呈正弦变化的热流脉冲，通过对热源施加电学调制的周期性热源，热量依次流经不同晶向上的双测温芯片，分别记录四测温芯片热流流过的时间和温度；

记录各晶向双测温芯片之间的距离固定距离d₀，当热量分别经过双测温芯片时，由于存在d₀距离，上测温芯片传热存在延迟。检测通过测温芯片正弦峰值的时间差Δt,即可测量出热量传输速度；

根据热传输速度和热导率之间的关系，即可得出不同晶向之间的导热系数比，据此可判断出各向异性材料面内的导热性能。

具体测试方法包括以下步骤：

步骤一：设计集成加热和测温一体的二极管阵列芯片，该芯片由多二极管串联成一维线阵，具有高灵敏度、高精度采样等特点。流片该测温芯片四块分别用于两不同晶向上的温度检测。

步骤二：将已流片完成的加热芯片做热源，该热源芯片由4×4矩阵的二极管串联而成。首先将热源芯片置于各向异性材料表面，在热源两个不同的晶向上分别放置双集成加热和测温一体的探头用于检测不同方向上的热流；