【摘 要】
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随着第三代半导体材料的应用越加广泛,研发满足第三代半导体功率器件应用所需的低温封装、高温工作且高性能封装固晶材料的需求也越加急需。纳米铜固晶材料因具有低温烧结、高温工作且成本低廉的特点受到广泛关注。但是在实际应用中,由于纳米铜易氧化的特性,导致其在低温低压烧结时性能较差。石墨烯因其具有极高的导热性能常用来作为与纳米金属制备成复合材料提高纳米金属性能。而石墨烯的晶格结构质量和与铜的结合力是提高纳米铜
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“第三代半导体封装新型固晶材料的可控制备及微纳尺度热传递机理研究”（项目编号:61874035）; 广东省科技计划工业高新技术领域项目“第三代半导体封装高温固晶材料及关键技术的研发”（项目编号:2017A010106005）
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随着第三代半导体材料的应用越加广泛,研发满足第三代半导体功率器件应用所需的低温封装、高温工作且高性能封装固晶材料的需求也越加急需。纳米铜固晶材料因具有低温烧结、高温工作且成本低廉的特点受到广泛关注。但是在实际应用中,由于纳米铜易氧化的特性,导致其在低温低压烧结时性能较差。石墨烯因其具有极高的导热性能常用来作为与纳米金属制备成复合材料提高纳米金属性能。而石墨烯的晶格结构质量和与铜的结合力是提高纳米铜固晶材料导热性能的关键因素,因此研究如何改善石墨烯使其具有高导热性同时又与铜基体良好结合是本文研究的重点。（1）研究了纳米铜固晶材料制备及烧结工艺优化设计。在烧结前通过对纳米铜进行抗氧化处理,优化制备纳米铜膏的有机溶剂和纳米铜烧结工艺,在300℃、5 MPa、30 min烧结条件下达到热导率为97.5 W/（m·K）。（2）研究了石墨烯及其衍生物的不同特性对纳米铜固晶材料导热性能的影响。比较了原始石墨烯（Gr）、氧等离子处理石墨烯（PTG）、氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（r GO）作为纳米铜固晶材料的增强相。研究结果表明,Gr晶格结构质量高但润湿性差;PTG很大程度上保留了晶格结构质量又提高了润湿性和与铜的界面结合力;r GO晶格结构质量差;GO的润湿性优异,但晶格结构遭到较大程度的破坏。热导率测试结果表明,在同等烧结工艺下,添加了0.1 wt%含量r GO、Gr、GO、PTG的复合固晶材料的热导率分别为75.6、80.6、125.4和143.4 W/（m·K）,其中添加0.1 wt%含量PTG的复合固晶材料热导率提升幅度最大,达到了49.5%。（3）研究了在石墨烯表面负载铜颗粒来进一步强化纳米铜固晶材料导热性能。通过热分解醋酸铜,分别在PTG和GO表面负载铜颗粒来制备PTG/Cu-Cu2O及GO/Cu,并在石墨烯-铜界面形成了C-O-Cu键,使PTG以及GO和铜基体界面的结合强度得到提高,从而进一步地提高了复合固晶材料的热导率。热导率测试结果表明,在同等烧结工艺下,添加含量为0.1 wt%的GO/Cu及PTG/Cu-Cu2O的复合固晶材料热导率分别为156.2和177.7 W/（m·K）,相比纳米铜固晶材料分别提高了60.2%和85.3%。研究所得新型固晶材料的性能满足第三代半导体功率器件封装和工作的要求。
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