半導體芯片的功率密度在過去幾十年顯著提升，這對兼具高導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熱特性，石墨烯/銅復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鍵的官能團，這限制了石墨烯-銅界面的熱傳遞效率，因此亟需開發(fā)一種增強石墨烯/金屬復合材料界面鍵合強度的方法。

廣東工業(yè)大學省部共建精密電子制造技術與裝備國家重點實驗室楊冠南、黃光漢團隊開發(fā)了一種增強石墨烯與銅界面結(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�；旌虾�，證實鎳納米顆粒既能與OPTG形成化學鍵，又能與銅燒結(jié)結(jié)合，成為兩者間的橋梁。僅添加質(zhì)量分數(shù)為0.1%的Ni-OPTG后，燒結(jié)Ni-OPTG/Cu復合材料的熱導率達到216.2 W/(m·K)，剪切強度達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復合材料在大功率電子芯片和器件的封裝中具有應用潛力。

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，創(chuàng)造了高密度鍵合位點；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化學鍵，在255 ℃、5 MPa下燒結(jié)30 min實現(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負載量（質(zhì)量分數(shù)為4.5%）及Ni-OPTG添加量（質(zhì)量分數(shù)為0.1%），復合材料的性能實現(xiàn)大幅提升。

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

研究團隊未來將聚焦于驗證鎳修飾石墨烯（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)體或低熔點合金中的應用，研究熱循環(huán)（-55~300 ℃）下界面化學鍵（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用進程。