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

Semiconductor technology with wide band gap materials plays an important role in high power electronics, which can be widely used in many emerging industries. However, the high power density packaging and the high temperature operating are challenges for the die attach material. Thorough investigation and providing solutions to meet the challenges is strategically significant. 3D graphene with high thermal conductivity is promising to be a solution, as a component of die attach materials, to break through the thermal management bottle neck of power electronic packaging. The phonon heat transfer mechanism of graphene/metal interface will be investigated. Based on it, sintering nanocopper die attach materials with graphene will be designed. The interrelationship of microstructure of die attach materials and the thermal performance of power electronic packaging will be established. A simple electro-deposition method will be adopted to cotrollablly synthesize copper nano-particles as well as envelop for copper oxide resist. The thorough investigation will benefit the thermal management of wide band gap semiconductor power electronic packaging, and also be instructive on thermal management of high power density microelectronic packages. As a result, strong technical support will be provided for developing and producing the key materials for advanced semiconductor packaging in china. It is strategically significant and applicably instructive.

以宽禁带半导体材料为基础的第三代半导体技术，是电力电子器件的“核芯”，可广泛用于诸多新兴行业。但其高功率密度、高温服役的特点，给封装固晶材料带来新的挑战。研究并解决这一问题，具有前瞻性和战略意义。本项目拟借助高导热三维石墨烯构建新型铜基固晶材料。采用简单的电沉积法，可控制备纳米铜的同时，实现抗氧化包覆。将围绕石墨烯/金属界面热传递的微观机理，及固晶材料微观结构对封装散热宏观特性影响的内在机制，开展深入的理论和实验研究，建立准确预测界面热传递的声子传输模型。在此基础上，优化设计固晶材料，并在材料制备及封装关键工艺上实现技术创新。解决现有烧结纳米铜固晶材料易氧化、热导率低等问题，突破第三代半导体封装散热瓶颈。同时，也为高密度大功率微电子先进封装的散热研究打下良好的理论基础。本项目研究成果将有助于推进我国半导体封装材料的国产化进程，提升我国综合国力和科技实力，具有重要的科学意义和广泛的应用前景。

本项目按照计划书拟定的方案执行，完成了所有研究内容。以宽禁带半导体材料为基础的第三代半导体技术，是电力电子器件的“核芯”，可广泛用于诸多新兴行业。但其高功率密度、高温服役的特点，给封装固晶材料带来新的挑战。研究并解决这一问题，具有前瞻性和战略意义。本项目借助高导热三维石墨烯构建了新型铜基固晶材料，围绕石墨烯/金属界面热传递的微观机理，及固晶材料微观结构对封装散热宏观特性影响的内在机制，开展了深入的理论和实验研究，建立了准确预测界面热传递的声子传输模型。在此基础上，优化设计固晶材料，并在材料的可控制备及封装关键工艺上实现了技术创新。在250℃烧结温度下，新型固晶材料热导率可达到250-280W/mK，熔点高于1000℃，解决了现有烧结纳米铜固晶材料易氧化、热导率低等问题。同时，也为高密度大功率微电子先进封装的散热研究打下良好的理论基础。研究成果有助于推进我国半导体封装材料的国产化进程，具有重要的科学意义和广泛的应用前景。本项目发表高水平SCI论文7篇（中科院1-2区），申请发明专利11件（包括已授权发明专利3件），培养博士后、研究生12人。