Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi

KAYILI, Serkan; ÖREN, Ersin Emre; BÜKE, Zarife Göknur

Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi

Yürütücü

Zarife Göknur BÜKE (TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Bölümü, Ankara, Türkiye)

Araştırmacı(lar)

Serkan KAYILI, (Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Ankara, Türkiye)

Ersin Emre ÖREN (TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Biyomedikal Mühendisliği Bölümü, Ankara, Türkiye)

1 1

Proje Grubu: MAG Sayfa Sayısı: 53 Proje No: 216M042 Proje Bitiş Tarihi: 01.01.2019 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 03-03-2020

Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi

Öz:

Günümüz mikroislemci teknolojilerinde, islemci bölgesinde olusan ısıyı, bu alandan uzaklastırmak için bakır gibi yüksek termal iletkenlige sahip ısı dagıtıcı plakalar kullanılmaktadır; ancak bakırın, artan akım kaynaklı ısı yükleri karsısında giderek yetersiz kalması, bu kullanım alanında alternatif malzeme arayısını zorunlu kılmıstır. Bu proje kapsamında, Aselsan?da aktif olarak elektronik kartlarda kullanılmakta olan bakır ısı dagıtıcının yerine; yanal yöndeki ısı iletimi arttırılarak ısı dagıtıcının tüm alanının efektif bir sekilde kullanımını saglayacak, yenilikçi bir malzeme gelistirilmesi amaçlanmıstır. Bu baglamda, Grafen-Cu lamine yapı tasarımı önerilmistir. Bunun için öncelikle genis kapsamda bakır yüzeyinde grafen olusumu üzerine çalısılmıs, sentez ve karakterizasyon çalısmaları ile grafen büyümesinde baskın deneysel parametrelerin etkileri sistematik bir sekilde incelenmis ve kimyasal buhardan çöktürme (KBÇ) yöntemi ile grafenin iki boyutlu çekirdeklenme ve büyüme mekanizması belirlenerek, bakır folyo yüzeyinde olabildigince sürekli ve kaliteli grafen sentezi için parametreler basarıyla optimize edilmistir. Öte yandan, hesaplamalı yöntemler ve deneysel termal ölçümler sonucunda Grafen-Cu lamine yapısında grafenin sistemde Cu katmana göre çok ince kalmasından dolayı, termal iletimde beklenen artısı saglayamadıgı görülmüstür. Böylece çalısmalardan edinilen bilgi ısıgında Grafen-Cu Köpük ve Cu-Grafen Sandviç olmak üzere iki yeni yapı tasarımı önerilmis, bunlardan Grafen-Cu Köpük sentezi, karakterizasyonu ayrıntılı sekilde çalısılarak, termal ölçümleri gerçeklestirilmis ve bu yapıda grafenin termal yayınım performansının tüm sıcaklık aralıgında (Oda sıcaklıgından 400 oC?ye kadar) arttırdıgı gösterilmistir. Grafenin termal özelliklere bu pozitif etkisi, grafenin yüksek termal yayınımının yanı sıra, bakırı oksitlenmeden koruması ile de açıklanmıstır.

Anahtar Kelime: kimyasal buhardan çöktürme grafen-bakır köpük ısı dagıtıcı lamine yapı bakır grafen

Konular: Mühendislik, Makine Malzeme Bilimleri, Özellik ve Test

Erişim Türü: Erişime Açık

Balandin, A. A., Kotchetkov, D., Ghosh, S. 2010. "Lateral graphene heat spreaders for electronic and optoelectronic devices and circuits", US20100085713 A1.
1- The effects of acid pretreatment and surface stresses on the evolution of impurity clusters and graphene formation on Cu foil (Makale - Indeksli Makale),
Bao, W., Miao, F., Chen, Z., Zhang, H., Jang, W., Dames, C., Lau, C. 2009. “Controlled ripple texturing of suspended graphene and ultrathin graphite membranes”, Nature Nanotechnology, 4(9), 562-566.
2- Wrinkling of graphene because of the thermal expansion mismatch between graphene and copper (Makale - Indeksli Makale),
Barua, A., Hossain, M. S., Masood, K. I., Subrina, S. 2012. "Thermal Management in 3-D Integrated Circuits with Graphene Heat Spreaders", Physics Procedia, 25, 311-316.
3- Comparison of Graphene Growth on Different Cu Subst. via CVD (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Sözlü Sunum),
Cerda, E., Mahadevan, L. 2003. “Geometry and Physics of Wrinkling”, Physical Review Letters, 90(7).
4- Wrinkling of graphene on copper (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Sözlü Sunum),
Chen, S., Li, Q., Zhang, Q., Qu, Y., Ji, H., Ruoff, R. S., Cai, W. 2012. “Thermal conductivity measurements of suspended graphene with and without wrinkles by micro Raman mapping”, Nanotechnology, 23(36), 365701.
5- Wrinkling of Graphene Synthesized on Copper via CVD (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Sözlü Sunum),
Chiba, A., Shimizu, S., Kuniya, K., Onuki, J. 1984. "Stacked structure having matrix-fibered composite layers and a metal layer ", US4482912 A.
6- The Effect of Graphene on Thermal Properties of Copper (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Sözlü Sunum),
Corbin, S. F., Turriff, D. M. 2012. “Thermal Diffusivity by The Laser Flash Technique”, Characterization of Materials.
7- Graphene Growth on Cu Foil via CVD - Acid Pretreatment Effect (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Sözlü Sunum),
Gao, Z., Zhang, Y., Fu, Y., Yuen, M.M., Liu, J. 2013. “Thermal chemical vapor deposition grown graphene heat spreader for thermal management of hot spots”, Carbon, 61, 342-348.
8- Form.&Charact. of Graphene-Cu Nanocomp. and High Surface Area Graphene Foams (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Poster Sunum),
Goli, P., Ning, H., Li, X., Lu, C. Y., Novoselov, K. S., Balandin, A. A. 2014. "Thermal Properties of Graphene–Copper–Graphene Heterogeneous Films", Nano Letters, 14(3), 1497-1503.
9- Grafen ve Savunma Uygulamaları (Bildiri - Ulusal Konferans - Davetli Konusmacı),
Grishakov, K. S., Elesin, V. F., Ryzhuk, R. V., Kargin, N. I., Minnebaev, S. V. 2015. "Effect of Diamond and Graphene Heat Spreaders on Characteristics of AlGaN/GaN HEMT", Physics Procedia, 72, 460-464.
Iida, T. 1985. "Copper-foiled laminate for base plate ", US4615945 A.
I, J. R. 1969. "Sandwich structures and method", US3427706 A.
Jagannadham, K. 2011. "Thermal Conductivity of Copper-Graphene Composite Films Synthesized by Electrochemical Deposition with Exfoliated Graphene Platelets", Metallurgical and Materials Transactions B, 43(2), 316-324.
Jin, S., Gao, Q., Zeng, X., Zhang, R., Liu, K., Shao, X., Jin, M. 2015. “Effects of reduction methods on the structure and thermal conductivity of free-standing reduced graphene oxide films”, Diamond and Related Materials, 58, 54-61.
Kibler, J. J., Cassin, T. G. 1994. "High conductivity hydrid material for thermal management ", CA2128872 C.
Lin, Y.-J., Zhamu, A., Jang, B. Z. 2014. "Nano graphene platelet-reinforced composite heat sinks and process for producing same ", US20140224466 A1.
Lutz, R. G., Gergen, W. P. 1984. "High heat metal-polymer laminate ", US4601941 A.
Nath, P.,Chopra, K.L. 1974. “Thermal conductivity of copper films”, Thin Solid Films, 20(1), 53-62.
Netzsh Gmbh. “LFA 427 schematical drawing”. https://www.netzsch-thermal-analysis.com/en/products-solutions/thermal-diffusivityconductivity/ lfa-427/# Son erişim tarihi: 28 Şubat 2019.
Novoselov, K. S., Geim, A. K., Morozov, S. V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos, S. V., Firsov, A. A. 2004. "Electric field effect in atomically thin carbon films", Science, 306(5696), 666- 669.
Ogurtani, O. T., Senyildiz, D., Buke, G. 2018. “Wrinkling of graphene because of the thermal expansion mismatch between graphene and copper”, Surface and Interface Analysis.
Parker, W. J., Jenkins, R. J., Butler, C. P., Abbott, G. L. 1961. “Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity”, Journal of Applied Physics,32(9), 1679-1684.
Pereira, V. M., Neto, A. H., Liang, H. Y., Mahadevan, L. 2010. “Geometry, Mechanics, and Electronics of Singular Structures and Wrinkles in Graphene”, Physical Review Letters,105(15).
Provence Technology (Shenzhen) Co., Ltd., 2015. "Graphene coating, graphene cooling fin and manufacturing methods of graphene coating and graphene cooling fin ", CN104861831 A
Senyildiz, D., Ogurtani, O. T., Buke, G. C. 2017. “The effects of acid pretreatment and surface stresses on the evolution of impurity clusters and graphene formation on Cu foil”, Applied Surface Science,425, 873-878.
Stojanovic, N., Yun, J., Washington, E.B., Berg, J.M., Holtz, M.W.,Temkin, H. 2007. “Thinfilm thermal conductivity measurement using microelectrothermal test structures and finiteelement- model-based data analysis”, Journal of microelectromechanical systems, 16(5), 1269-1275.
Tapasztó, L., Dumitrică, T., Kim, S. J., Nemes-Incze, P., Hwang, C., Biró, L. P. 2012. “Breakdown of continuum mechanics for nanometre-wavelength rippling of graphene”, Nature Physics,8(10), 739-742.
Teodorczyk, M., Dabrowska, T. E., Jakubowska, M., Malag, A., Mlozniak, A. 2014. "Method of manufacturing a spacer - graphene heat-spreader, in electronic power devices, especially in laser diodes", EP2792719 A3.
Tilak, V., Nagarkar, K. R., Tsakalakos, L., Wetzel, T. G. 2010. "Thermal management system with graphene-based thermal interface material", US20100128439 A1.
Tritt, T.M. 2004. Thermal Conductivity: Theory. Properties, and Applications, 168-169.
Wang, M., Xiong, W., Zhamu, A., Jang, B. Z. 2013. "Integrated graphene film heat spreader for display devices", US20130329366 A1.
Yan, Z., Liu, G., Khan, J.M., Balandin, A.A. 2012. “Graphene quilts for thermal management of high-power GaN transistors”, Nature communications, 3, 827.
Yuen, M. M. F., Zhang, X., Yeung, K. K., Gao, Z., Zhang, K., Zhang, M., Xu, H. 2014. "Three Dimensional Interconnected Porous Graphene-Based Thermal Interface Materials", US20140110049 A1.
Zhamu, A., Wang, M., Xiong, W., Jang, B. Z., Yi-jun, L. 2014. "Unitary graphene materialbased integrated finned heat sink", US20140190676 A1.
Zhang, Y., Wang, B., Zhang, H., Chen, Z., Zhang, Y., Wang, B., Zhang, H., Chen, Z., Zhang, Y., Sui, Y., Li, X., Xie, X., Yu, G., Jin, Z., Liu, X. 2014. “The distribution of wrinkles and their effects on the oxidation resistance of chemical vapor deposition graphene”, Carbon,70, 81- 86.
Zhu, W., Low, T., Perebeinos, V., Bol, A. A., Zhu, Y., Yan, H., Tersoff J., Avouris, P. 2012. “Structure and Electronic Transport in Graphene Wrinkles”, Nano Letters,12(7), 3431-3436.
Zweben, C. H., Mogle, R. A., Jr., B. T. R., Thaw, C. L. 1989. "Low-thermal-expansion, heat conducting laminates having layers of metal and reinforced polymer matrix composite", US4888247 A.

APA	BÜKE Z, KAYILI S, ÖREN E (2019). Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi. , 1 - 53.
Chicago	BÜKE Zarife Göknur,KAYILI Serkan,ÖREN Ersin Emre Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi. (2019): 1 - 53.
MLA	BÜKE Zarife Göknur,KAYILI Serkan,ÖREN Ersin Emre Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi. , 2019, ss.1 - 53.
AMA	BÜKE Z,KAYILI S,ÖREN E Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi. . 2019; 1 - 53.
Vancouver	BÜKE Z,KAYILI S,ÖREN E Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi. . 2019; 1 - 53.
IEEE	BÜKE Z,KAYILI S,ÖREN E "Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi." , ss.1 - 53, 2019.
ISNAD	BÜKE, Zarife Göknur vd. "Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi". (2019), 1-53.

APA	BÜKE Z, KAYILI S, ÖREN E (2019). Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi. , 1 - 53.
Chicago	BÜKE Zarife Göknur,KAYILI Serkan,ÖREN Ersin Emre Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi. (2019): 1 - 53.
MLA	BÜKE Zarife Göknur,KAYILI Serkan,ÖREN Ersin Emre Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi. , 2019, ss.1 - 53.
AMA	BÜKE Z,KAYILI S,ÖREN E Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi. . 2019; 1 - 53.
Vancouver	BÜKE Z,KAYILI S,ÖREN E Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi. . 2019; 1 - 53.
IEEE	BÜKE Z,KAYILI S,ÖREN E "Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi." , ss.1 - 53, 2019.
ISNAD	BÜKE, Zarife Göknur vd. "Grafen – Bakır Lamine Yapılı Isı Dağıtıcı Plaka Geliştirilmesi". (2019), 1-53.