Grafin ‘Adiwira’ Karbon Penyelamat Peranti Elektronik daripada Kepanasan Melampau

Penulis: Dr. Nurain Najihah Alias¹ & Dr.Muhammad Aniq Shazni Mohammad Haniff²

¹Penyelidik Pasca Kedoktoran, Institute of Microengineering and Nanoelectronics, Universiti Kebangsaan Malaysia
²Felo Penyelidik, Institute of Microengineering and Nanoelectronics, Universiti Kebangsaan Malaysia

Cip semikonduktor memainkan peranan penting dalam hampir semua teknologi terkini seperti telefon pintar, kenderaan elektrik (EV), komputer dan peranti elektronik yang lain. Di sebalik kehebatan mikrocip semikonduktor, terdapat kelemahan yang ketara padanya iaitu masalah haba.

Industri semikonduktor di Malaysia merupakan salah satu tulang belakang kekuatan ekonomi negara. Baru-baru ini, YAB Perdana Menteri, Dato’ Seri Anwar Ibrahim, dalam pelancaran Malaysia Semiconductor IC Design Park, telah menekankan kepentingan Strategi Semikonduktor Kebangsaan (NSS). Beliau menegaskan bahawa Malaysia perlu beralih daripada sekadar aktiviti “pembungkusan dan ujian” kepada aktiviti bernilai tinggi seperti reka bentuk litar bersepadu dan pembuatan termaju ¹.

Namun, untuk mencapai impian menjadi hab semikonduktor global ini, Malaysia perlu menguasai teknologi pengurusan suhu tinggi di dalam teknologi mikrocip semikonduktor. Di sinilah penyelidikan mengenai grafin sebagai penyebar haba  menjadi sangat kritikal dan relevan dengan visi negara.

Dilema Semikonduktor: Semakin Kecil, Semakin Panas

Industri semikonduktor kini bergerak pantas ke arah reka bentuk peranti berskala nanometer. Menurut Hukum Moore, jumlah transistor dalam sesuatu cip akan meningkat dua kali ganda setiap dua tahun (Rajah 1). Walaupun ini menjadikan peranti kita lebih berkuasa, ia juga membawa kepada peningkatan penggunaan kuasa dan penjanaan suhu atau haba yang ekstrem ².

Dalam teknologi silikon konvensional, haba yang berlebihan boleh menyebabkan kerosakan kekal. Lebih mencabar lagi apabila industri beralih kepada bahan seperti Galium Nitrida (GaN) untuk aplikasi 5G dan radar. GaN mampu beroperasi pada voltan tinggi, namun ia menghasilkan titik panas yang suhunya boleh melonjak melebihi 180°C dalam masa yang singkat ³. Jika haba ini tidak dialirkan keluar, prestasi arus elektrik akan merosot, dan jangka hayat peranti akan menjadi sangat singkat.

Mengapa NSS Memerlukan Inovasi Bahan Tempatan?

Dalam ucapan Perdana Menteri mengenai NSS, beliau mensasarkan Malaysia untuk menarik pelaburan dalam bidang pembuatan semikonduktor peringkat awal. Untuk memikat gergasi teknologi dunia, Malaysia bukan sahaja perlu menyediakan tenaga kerja mahir, tetapi juga penyelesaian inovatif terhadap masalah industri, seperti pengurusan haba.

Penyelidikan yang dijalankan di Institut Kejuruteraan Mikro dan Nanoelektronik (IMEN), UKM, menyahut cabaran ini dengan menerokai potensi grafin berlapis. Grafin bukan sekadar bahan biasa; ia adalah lapisan karbon setebal satu atom yang mempunyai kekonduksian haba sehingga 2,000 W m⁻¹ K⁻¹ ⁴. Sebagai perbandingan, logam kuprum yang kita anggap sebagai pengalir haba terbaik hanya mempunyai kadar sekitar 400 W m⁻¹ K⁻¹. Dengan kata lain, grafin adalah lebuh raya ekspres untuk haba keluar daripada cip (Rajah 2).

Sains di Sebalik Grafin: Dari Grafit ke Lapisan Nano

Bagaimanakah kita menghasilkan grafin? Proses yang dijalankan oleh para saintis di IMEN melibatkan teknik yang dipanggil pengelupasan fasa cecair ⁵. Bayangkan anda mempunyai seketul grafit (bahan dalam pensel), dan anda ingin mengupasnya lapisan demi lapisan sehingga menjadi helaian yang sangat nipis.

i -Pembersihan dan Pengelupasan: Serbuk grafit dibersihkan menggunakan asid untuk membuang segala bendasing. Kemudian, ia dimasukkan ke dalam pelarut kimia seperti dimetilformamida (DMF). Melalui proses ultrasonik, lapisan-lapisan grafit dipisahkan menjadi kepingan grafin yang halus.

ii- Optimasi Larutan: Kunci kejayaan adalah memastikan kepingan grafin ini tidak mendap semula. Penyelidik mendapati bahawa konsentrasi larutan yang tepat adalah kritikal untuk memastikan salutan yang terhasil nanti adalah seragam.

iii- Teknik Salutan Berputar: Untuk meletakkan grafin ke atas cip, teknik salutan berputar digunakan. Cip diputar pada kelajuan tinggi sementara larutan grafin dititiskan. Daya memusat akan meratakan larutan tersebut menjadi lapisan nipis yang sangat sekata. Penyelidikan menunjukkan bahawa empat pusingan salutan memberikan ketebalan optimum (10-30 nanometer) yang menutup 80% permukaan cip, memberikan perlindungan haba yang paling berkesan.

Membuktikan Keberkesanan: Ujian di Makmal

Adakah pelaburan dalam teknologi nano ini berbaloi? Melalui ujian pengimejan terma inframerah, keberkesanan grafin terbukti dengan jelas. Berbanding cip silikon biasa yang “demam” panas, cip yang mempunyai lapisan grafin menunjukkan penurunan suhu antara 4°C hingga 10°C.

Mungkin angka itu nampak kecil bagi kita, tetapi bagi sebuah cip mikro, penurunan 10°C boleh bermaksud perbezaan antara operasi yang stabil dan kegagalan sistem. Lebih hebat lagi, dalam ujian transistor GaN-on-Si, penggunaan grafin membolehkan peranti tersebut mengendalikan arus elektrik 25% lebih tinggi. Ini bermakna telefon pintar masa depan mungkin boleh mengecas lebih laju tanpa menjadi terlalu panas, atau stesen pangkalan 5G kita boleh berfungsi lebih efisien di bawah cuaca panas terik Malaysia.

Kelestarian dan Ketahanan

Satu lagi aspek penting dalam NSS ialah kemampanan. Teknologi yang kita bangunkan mestilah tahan lama. Dalam eksperimen kitaran haba, lapisan grafin diuji dengan suhu tinggi dan rendah berulang kali sebanyak 1,000 kali. Hasilnya sangat mengujakan yang mana prestasi grafin tidak merosot. Ini membuktikan bahawa ia adalah penyelesaian jangka panjang yang stabil untuk industri elektronik.

Selain itu, grafin adalah berasaskan karbon, bahan yang melimpah ruah di bumi. Jika dibandingkan dengan penggunaan berlian sintetik untuk penyejukan cip (yang sangat mahal), grafin menawarkan alternatif yang jauh lebih ekonomikal untuk pengeluaran besar-besaran di Malaysia.

Dari Makmal ke Visi Negara

Apabila Perdana Menteri bercakap mengenai visi Malaysia menjadi pusat kecemerlangan semikonduktor, beliau merujuk kepada keupayaan kita untuk berinovasi. Penyelidikan grafin di IMEN, UKM adalah contoh nyata bagaimana bakat tempatan sedang menyelesaikan masalah global di peringkat atom.

Penyepaduan grafin ke dalam proses pembuatan semikonduktor bukan sahaja akan meningkatkan nilai produk “Made in Malaysia”, tetapi juga meletakkan negara kita di hadapan dalam rantaian bekalan teknologi tinggi. Kita bukan lagi sekadar memasang komponen orang lain; kita sedang mencipta cara untuk menjadikan komponen tersebut lebih hebat.

Masa Depan 

Langkah Malaysia melalui Strategi Semikonduktor Kebangsaan adalah satu langkah berani ke arah ekonomi berpendapatan tinggi. Namun, kecanggihan digital memerlukan asas fizikal yang kukuh dan asas itu adalah sains bahan. Grafin, dengan segala sifat luar biasanya, menjanjikan masa depan di mana peranti elektronik kita lebih berkuasa, lebih kecil, dan yang paling penting, lebih sejuk. Melalui kerjasama antara universiti, industri, dan sokongan kerajaan melalui polisi seperti NSS, Malaysia berada di landasan yang betul untuk menjadi pemain utama dalam revolusi semikonduktor dunia. Seperti yang sering ditekankan, masa depan tidak menunggu kita, kitalah yang harus membentuknya. Dan di Malaysia, masa depan itu mungkin sedang dibina, satu lapisan atom pada satu masa, melalui kelebihan grafin.

Kredit foto utama- Royal Society of Chemistry

Rujukan:

(1) Ibrahim, A. Teks ucapan YAB Perdana Menteri: Pelancaran Malaysia Semiconductor IC Design Park. https://www.pmo.gov.my/ms/ucapanterkini/teks-ucapan-yab-perdana-menteri-pelancaran-malaysia-semiconductor-ic-design-park-2/.

(2) Siddique, M. Z.;  Hossain, J. A.; Kim, B. Nanoscale thermal transport at metal-semiconductor interfaces: size-dependent exponential scaling. Results in Engineering 2025, 27. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.106632

(3) Zhan, T.;  Xu, M.;  Cao, Z.;  Zheng, C.;  Kurita, H.;  Narita, F.;  Wu, Y.-J.;  Xu, Y.;  Wang, H.;  Song, M.;  Wang, W.;  Zhou, Y.;  Liu, X.;  Shi, Y.;  Jia, Y.;  Guan, S.;  Hanajiri, T.;  Maekawa, T.;  Okino, A.; Watanabe, T. Effects of Thermal Boundary Resistance on Thermal Management of Gallium-Nitride-Based Semiconductor Devices: A Review Micromachines [Online], 2023.

(4) Zheng, H.;  He, P.;  Yang, S.;  Lu, Y.;  Guo, N.;  Li, Y.;  Wang, G.; Ding, G. Achieving Ultra-High Heat Flux Transfer in Graphene Films via Tunable Gas Escape Channels. Advanced Science 2025, 12 (1), 2410913. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/advs.202410913

(5) Moosa, A. A.; Abed, M. S. Graphene preparation and graphite exfoliation. Turkish journal of chemistry 2021, 45 (3), 493-519. https://doi.org/10.3906/kim-2101-19