廣東工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)鎳納米顆粒修飾石墨烯/銅復(fù)合散熱材料

半導(dǎo)體芯片的功率密度在過去幾十年顯著提升，這對兼具高導(dǎo)熱和高溫可靠性的新型熱管理材料提出了更高的要求。鑒于銅納米顆粒優(yōu)異的燒結(jié)性能和石墨烯的高導(dǎo)熱特性，石墨烯/銅復(fù)合材料已成為電子器件熱管理研究的重要方向。然而，石墨烯缺乏能與金屬納米顆粒形成化學(xué)鍵的官能團(tuán)，這限制了石墨烯-銅界面的熱傳遞效率，因此亟需開發(fā)一種增強(qiáng)石墨烯/金屬復(fù)合材料界面鍵合強(qiáng)度的方法。

廣東工業(yè)大學(xué)省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊冠南、黃光漢團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種增強(qiáng)石墨烯與銅界面結(jié)合的改性工藝。首先通過氧等離子體處理石墨烯（OPTG），然后采用熱還原法在OPTG上生長平均尺寸為72.8 nm、數(shù)量密度為70顆/μm²的Ni納米顆粒，Ni-OPTG，Ni納米顆粒在OPTG上的鍵合過程如圖1所示。將Ni-OPTG與銅顆粒混合后，證實(shí)鎳納米顆粒既能與OPTG形成化學(xué)鍵，又能與銅燒結(jié)結(jié)合，成為兩者間的橋梁。僅添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的Ni-OPTG后，燒結(jié)Ni-OPTG/Cu復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到216.2 W/(m·K)，剪切強(qiáng)度達(dá)56.26 MPa，分別比純納米銅燒結(jié)體提升105.3%和87.3%，納米Cu、OPTG/Cu和Ni-OPTG/Cu燒結(jié)接頭的性能如圖2所示。這種Ni-OPTG/Cu復(fù)合材料在大功率電子芯片和器件的封裝中具有應(yīng)用潛力。

圖1  Ni納米顆粒在OPTG上的鍵合過程

氧等離子體處理石墨烯后，在石墨烯表面接枝了C=O/C—O—C等含氧官能團(tuán)，創(chuàng)造了高密度鍵合位點(diǎn)；通過熱還原法在OPTG表面生長出高密度Ni納米顆粒，Ni與C形成了C—O—Ni化學(xué)鍵，在255 ℃、5 MPa下燒結(jié)30 min實(shí)現(xiàn)石墨烯與銅的冶金結(jié)合。Ni納米顆粒作為石墨烯-Cu界面的橋梁，打通了聲子傳輸通道。通過優(yōu)化Ni負(fù)載量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%）及Ni-OPTG添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%），復(fù)合材料的性能實(shí)現(xiàn)大幅提升。

圖2  納米Cu、OPTG/Cu和Ni-OPTG/Cu燒結(jié)接頭的性能

研究團(tuán)隊(duì)未來將聚焦于驗(yàn)證鎳修飾石墨烯（Ni-OPTG）與其他金屬（如銀基焊料）的兼容性，探索其在銀納米顆粒燒結(jié)體或低熔點(diǎn)合金中的應(yīng)用，研究熱循環(huán)（-55~300 ℃）下界面化學(xué)鍵（C—O—Ni）的穩(wěn)定性，積極推動其在大功率電子芯片和器件封裝中的應(yīng)用進(jìn)程。

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