【摘 要】
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第三代半导体是以氮化镓（Ga N）和碳化硅（Si C）为代表的宽禁带半导体材料,第三代半导体拥有更宽的禁带宽度,在热导率、工作温度、工作电压、开关损耗方面都要优于硅基半导体。随着第三代半导体功率器件的发展与应用不断扩大,在第三代半导体功率器件的封装领域出现了一个亟待解决的问题,即如何在保证第三代半导体的正常工作和可靠性的前提下尽可能的提高散热性能,为此本文通过对国内外的研究现状的分析,提出了一种使
【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）的部分内容；
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第三代半导体是以氮化镓（Ga N）和碳化硅（Si C）为代表的宽禁带半导体材料,第三代半导体拥有更宽的禁带宽度,在热导率、工作温度、工作电压、开关损耗方面都要优于硅基半导体。随着第三代半导体功率器件的发展与应用不断扩大,在第三代半导体功率器件的封装领域出现了一个亟待解决的问题,即如何在保证第三代半导体的正常工作和可靠性的前提下尽可能的提高散热性能,为此本文通过对国内外的研究现状的分析,提出了一种使用低温低压烧结的方式制备以铜为基体材料,石墨烯为增强相的复合材料作为第三代半导体在封装工艺中的固晶材料,以此来提高高功率器件散热能力。本文提出采用分子级石墨烯-铜界面制备工艺,通过石墨烯表面氧等离子处理的方法,使石墨烯表面氧化生成含氧官能团,提高石墨烯的亲水性和润湿性。并采用氧等离子处理石墨烯（OPTG）表面制备纳米铜颗粒（Cu NP@OPTG）的方法,成功在石墨烯-纳米铜界面处形成C-O-Cu共价键,并通过改变材料配比实现石墨烯表面纳米铜颗粒数量和粒径的可控制备,促进石墨烯强化纳米铜复合材料的性能。采用石墨烯-铜界面具有C-O-Cu共价键的Cu NP@OPTG增强相,制备石墨烯强化纳米铜基固晶材料。在255℃、5MPa的低温低压烧结条件下,加入0.1wt%Cu NP@OPTG的纳米铜固晶材料热导率达250.8W/m·K,较烧结纯铜固晶材料热导率147.2W/m·K提高了70.4%;较加入0.1wt%未经处理的石墨烯（UTG）的固晶材料热导率130.7W/m·K提高了91.9%。除此之外,添加0.1wt%Cu NP@OPTG的复合固晶材料剪切强度也从烧结纯纳米铜的25.1MPa提高到34.2MPa,提高了36.3%。复合固晶材料的热膨胀系数则随着Cu NP@OPTG量的增加而降低,与第三代半导体材料的热膨胀系数更加匹配,提升了第三代半导体芯片封装系统的可靠性。经实验结果和分析证明,采用分子级石墨烯-铜界面制备工艺,石墨烯-纳米铜界面在半导体封装固晶烧结前已形成界面结合力较强的C-O-Cu共价键,即使在低温低压的封装烧结条件下,也可显著提高复合材料的热传导性能、机械强度和可靠性,非常有利于作为固晶材料用于第三代半导体功率器件的封装工艺。采用场发射透射电镜（FETEM）,X射线光电子能谱（XPS）和红外光谱（FTIR）分析验证了石墨烯-纳米铜界面C-O-Cu键的存在及生成条件,深入分析了复合材料基体内部的热传递机理,并解释了新型石墨烯强化纳米铜复合材料体系大幅提高复合材料热导率的原因,为进一步研究开发新型高导热材料打下良好的理论基础。
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