广东工业大学团队开发镍纳米颗粒修饰石墨烯/铜复合散热材料

半导体芯片的功率密度在过去几十年显著提升，这对兼具高导热和高温可靠性的新型热管理材料提出了更高的要求。鉴于铜纳米颗粒优异的烧结性能和石墨烯的高导热特性，石墨烯/铜复合材料已成为电子器件热管理研究的重要方向。然而，石墨烯缺乏能与金属纳米颗粒形成化学键的官能团，这限制了石墨烯-铜界面的热传递效率，因此亟需开发一种增强石墨烯/金属复合材料界面键合强度的方法。

广东工业大学省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室杨冠南、黄光汉团队开发了一种增强石墨烯与铜界面结合的改性工艺。首先通过氧等离子体处理石墨烯（OPTG），然后采用热还原法在OPTG上生长平均尺寸为72.8 nm、数量密度为70颗/μm²的Ni纳米颗粒，Ni-OPTG，Ni纳米颗粒在OPTG上的键合过程如图1所示。将Ni-OPTG与铜颗粒混合后，证实镍纳米颗粒既能与OPTG形成化学键，又能与铜烧结结合，成为两者间的桥梁。仅添加质量分数为0.1%的Ni-OPTG后，烧结Ni-OPTG/Cu复合材料的热导率达到216.2 W/(m·K)，剪切强度达56.26 MPa，分别比纯纳米铜烧结体提升105.3%和87.3%，纳米Cu、OPTG/Cu和Ni-OPTG/Cu烧结接头的性能如图2所示。这种Ni-OPTG/Cu复合材料在大功率电子芯片和器件的封装中具有应用潜力。

图1  Ni纳米颗粒在OPTG上的键合过程

氧等离子体处理石墨烯后，在石墨烯表面接枝了C=O/C—O—C等含氧官能团，创造了高密度键合位点；通过热还原法在OPTG表面生长出高密度Ni纳米颗粒，Ni与C形成了C—O—Ni化学键，在255 ℃、5 MPa下烧结30 min实现石墨烯与铜的冶金结合。Ni纳米颗粒作为石墨烯-Cu界面的桥梁，打通了声子传输通道。通过优化Ni负载量（质量分数为4.5%）及Ni-OPTG添加量（质量分数为0.1%），复合材料的性能实现大幅提升。

图2  纳米Cu、OPTG/Cu和Ni-OPTG/Cu烧结接头的性能

研究团队未来将聚焦于验证镍修饰石墨烯（Ni-OPTG）与其他金属（如银基焊料）的兼容性，探索其在银纳米颗粒烧结体或低熔点合金中的应用，研究热循环（-55~300 ℃）下界面化学键（C—O—Ni）的稳定性，积极推动其在大功率电子芯片和器件封装中的应用进程。

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