一种基于石墨烯材料的集成电路热管理系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯材料的集成电路热管理系统，包括电源系统、至少一个切换装置、至少一个温控单元以及至少一个电流控制器；温控单元包括正电极、负电极以及多个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设置于正电极与负电极之间；电源系统正极连接切换装置的一端，切换装置的另一端连接温控单元的正电极，温控单元的负电极连接电流控制器的一端，电流控制器的另一端连接电源系统负极。本发明专利技术是基于帕尔帖效应实现的主动可控散热，在切换装置作用下实现热场空间调制分布，在电流调节器作用下实现热量时域上的调制分布。

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯材料的集成电路热管理系统
本专利技术属于集成电路热管理领域，涉及一种集成电路热管理系统，具体涉及一种基于石墨烯材料的集成电路热管理系统。
技术介绍
随着芯片的集成度日益提高，产品越来越微型化，热量堆积问题也越来越亟待解决。在极其有限的空间内大规模集成电路的产品中，极易出现局部热点，从而导致温度分布不均，形成温度梯度。由温度梯度产生的热应力对于结构具有很强破坏性。如果热点的热量不及时导出，短时间内急剧上升形成热冲击，将对电路产生不可逆转的永久性损伤。目前，散热方式分为主动散热和被动散热。被动散热技术是基于热力学第二定律：热量能自发的从温度高的物体传向低温物体，材料自身通过原子、分子的热振动传导热量，与空间进行热量交换，达到散热的目的。这种散热方式主要依赖散热材料的特性，效率较低，温控精度和时间响应的可控性差。主动散热技术主要有风冷、水冷、化学制冷以及半导体制冷，利用外部设备主动进行能量交换，外部设备的能量交换可以通过检测手段形成反馈机制，实时调节交换的能量大小，从而实现精度和时间响应可控的散热。由于其他形式能量的介入，比起依靠材料自身的被动传导更高效。石墨烯材料是世界上目前发现的唯一稳定存在的二维单原子层厚度碳材料。原子间作用力非常强，其破坏强度为42N/m,杨氏模量为1T帕。石墨烯材料的电学特性主要表现为室温下电子迁移率高达35000cm2/Vs，是锑化铟材料(之前已知具有最高迁移率的材料)的两倍，超过半导体硅迁移率的十倍，电流耐性最大可达2×108A/cm2。石墨烯的热学特性主要为热导率以及负的膨胀系数。目前已知的理论上单层石墨烯的导热系数为6000W/m·K，基于石墨烯材料的高热导系数已经制备出石墨烯散热膜。公开号CN202750382提出了一种由石墨烯、粘合层和保护层组成的复合散热膜技术，该专利主要实现了石墨烯复合散热膜的设计使用，解决石墨烯层间结构导致的散热性能降低问题。该石墨烯散热膜，便于集成，无噪声，能实现快速地热传递，目前，苹果、华为等公司已经将石墨烯散热膜应用到产品散热模块中。公开号CN206380100U提出了一种石墨烯散热装置，在金属导体上涂覆石墨烯，利用石墨烯的高热导系数实现散热。公开号CN105957952A提出了半导体制冷石墨烯芯片，利用半导体制冷片对用于红外探测的石墨烯材料进行散热，由于石墨烯材料的高热导系数加速半导体制冷片冷、热端的热传导，从而提高探测装置整体散热性能。以上研究都是基于石墨烯的高热导系数实现散热，仍属于被动散热，不可控，无法对急剧的温度变化做出快速时间响应，对热点不能迅速的导热，仍会存在阶段性热量堆积问题，无法保证控温精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高温散热快、低温加热快、温度易控制、均热性好的基于石墨烯材料的集成电路热管理系统，结构简单，安全可靠。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于石墨烯材料的集成电路热管理系统，包括电源系统、至少一个切换装置、至少一个温控单元以及至少一个电流控制器；所述温控单元包括正电极、负电极以及多个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设置于正电极与负电极之间；所述温控单元采用单行依次并列排布、多行多列交替排布、上下T型不对称排布中一种组合形式进行空间分布；所述电源系统正极连接切换装置的一端，切换装置的另一端连接温控单元的正电极，温控单元的负电极连接电流控制器的一端，电流控制器的另一端连接电源系统负极。进一步地，所述P型石墨烯材料是采用化学气相沉积法制备石墨烯膜，再通过晶格掺杂氮元素制备得到；所述N型石墨烯材料是采用化学气相沉积法制备石墨烯膜，再通过晶格掺杂硼元素制备得到。进一步地，所述切换装置的电路包括开关K和开关Z，开关K的1端连接电源正极，开关K的3端连接电源负极，开关K的2端连接开关Z。进一步地，所述电流控制器的电路包括芯片A、电阻R1-R9、开关S1-S4，芯片A的引脚1连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接芯片A的引脚2，芯片A的引脚3连接GND，芯片A的引脚4连接VEE，芯片A的引脚8连接VCC，开关S1-S4的1端分别连接GND，开关S1-S4的3端分别连接芯片A的引脚2，开关S4的2端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接VCC，开关S3的2端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接VCC，开关S2的2端连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电阻R2的一端，开关S1的2端连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接电阻R4的一端，电阻R8的一端连接GND，电阻R8的另一端连接电阻R6的一端，芯片A为运算放大器OP07。优选的，所述温控单元的正电极和负电极采用金、银、铜或铝等金属材料。更优选的，所述正电极和负电极均采用银电极。本专利技术采用化学气相沉积法制备石墨烯膜，在此方法基础上通过晶格掺杂氮元素和硼元素，石墨烯的六角晶格中有一部分碳原子被氮原子和硼原子取代，从而制备出具有一定电子能隙的P型和N型石墨烯薄膜，实现了基于石墨烯材料的帕尔帖效应，从而论证了基于石墨烯进行热量管理的可控性。依据帕尔帖效应，其发热和吸热功率与通过接触面电流大小成正比，通过控制电流大小即可控制热量大小，改变电流方向可控制热传导方向。依据帕尔帖效应，当一定的电流流经不同材料的交界处时除产生焦耳热以外还会分别在两个不同接触面产生吸热和放热现象。由帕尔帖效应引起的热现象是可逆的，改变电流流向时，放热和吸热的接触面随着改变，吸热和放热的热量大小，与电流强度成正比，与两种导体的性质和接点的温度有关，用相对帕尔帖系数来衡量。以P型石墨烯材料形成的回路为例，电流由Ag流向P型石墨烯材料时，在接触面会产生吸热现象。电流由P型石墨烯材料流向Ag时，在接触面会产生发热现象。N型石墨烯材料现象与上述相反。相同的是通过改变回路中的电流大小可以控制吸热和放热的热量大小，从而实现对石墨烯材料的主动控制，从而能快速响应外界温度的时间变化，达到一定精度的温度控制，可直接作为集成电路热管理方案的执行机构。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术突出热管理的可控性，控制电流信号可实现热量控制。与已经应用的石墨烯散热膜相比，本专利技术的基本散热结构基于石墨烯膜，但是本专利技术所述的石墨烯膜为具有电子能隙的半导型石墨烯材料。此外，基于帕尔帖效应实现的主动可控散热与直接使用石墨烯膜散热被动散热相比，本专利技术中改变回路中的电流大小可以控制吸热和放热的热量大小，这是传统被动散热不可控难以实现的效果。(2)本专利技术使用石墨烯材料，与TEC制冷技术相比，石墨烯材料的电子迁移率是TEC制冷片所采用的碲化铋材料的两倍，因此本专利技术散热更高效。此外，由于石墨烯散热膜体积小，重量轻，形状可任意弯曲裁剪，与TEC体块状结构相比使用更方便，由于石墨烯材料超薄便于集成，其散热单元可集成于芯片或是散热对象的内部，更适用于一些微型化的散热。(3)本专利技术基于石墨烯材料实现热量管理不仅限于散热应用。由于石墨烯材料组成的散热结构便于集成，基本的散热单元可空间分布组合成多种形式，在切换装置的作用下实现热场空间调制分布。基本散热单元可在时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯材料的集成电路热管理系统，其特征在于，包括电源系统、至少一个切换装置、至少一个温控单元以及至少一个电流控制器；所述温控单元包括正电极、负电极以及多个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设置于正电极与负电极之间；所述温控单元采用单行依次并列排布、多行多列交替排布、上下T型不对称排布中一种组合形式进行空间分布；所述电源系统正极连接切换装置的一端，切换装置的另一端连接温控单元的正电极，温控单元的负电极连接电流控制器的一端，电流控制器的另一端连接电源系统负极。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯材料的集成电路热管理系统，其特征在于，包括电源系统、至少一个切换装置、至少一个温控单元以及至少一个电流控制器；所述温控单元包括正电极、负电极以及多个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设置于正电极与负电极之间；所述温控单元采用单行依次并列排布、多行多列交替排布、上下T型不对称排布中一种组合形式进行空间分布；所述电源系统正极连接切换装置的一端，切换装置的另一端连接温控单元的正电极，温控单元的负电极连接电流控制器的一端，电流控制器的另一端连接电源系统负极。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯材料的集成电路热管理系统，其特征在于，所述P型石墨烯材料是采用化学气相沉积法制备石墨烯膜，再通过晶格掺杂氮元素制备得到；所述N型石墨烯材料是采用化学气相沉积法制备石墨烯膜，再通过晶格掺杂硼元素制备得到。3.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯材料的集成电路热管理系统，其特征在于，所述温控单元的正电极和负电极采用金、银、铜、铝中的一种金属材料。4.根据权利要求3所述的基于石墨烯材料的集成电路热管理系统，其特征在于，所述温控单元的正电极和负电极均采用银电极。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：周伟，陈祥，沈德元，柳阳雨，吴倩倩，葛志祥，王敬如，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32