导热灌封胶填充体系的研究
时间：2023-06-27 11:20:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
曲雪丽
（唐山三友硅业有限责任公司，河北 唐山 063305）
电子产品设备的小型化和高功率化，要求导热灌封胶的导热系数也要不断提高，但导热系数高的有机硅灌封胶，其触变性相对较差，使用时很容易出现气泡，或因涂抹不均匀而影响散热效果。同时，高导热产品的储存稳定性不好，短时间内即会出现明显的沉降现象，粉料板结严重，影响产品的正常使用，还会影响有机硅灌封胶的电绝缘性能。因此，导热系数高、触变性优异、储存稳定性好，是导热灌封胶重要的研究发展方向。
导热填料是赋予有机硅灌封胶导热性能的主要材料。氧化铝、氧化镁是生产中常用的导热填料，价格适宜，具有较好的绝缘性、热稳定性及导热率。本文研究了导热填料的形态、粒径、添加量以及不同的硅烷偶联剂，对导热灌封胶的黏度、导热系数、存储稳定性等性能的影响。
1.1 实验原料
侧含氢硅氧烷（结构式MDnDmHM，其中，n=20，m=10，自制），端乙烯基硅氧烷（乙烯基链节的摩尔百分含量0.60%，挥发分＜1%，自制），铂系催化剂（3000×10-6)，氧化铝（市售，不同形态，不同粒径），硅烷偶联剂，色浆，炭黑，硅微粉，抑制剂VMC。
1.2 主要仪器和设备
数显黏度计，立式行星动力混合机（5L），硬度计。
1.3 导热灌封胶及胶片的制备
A组分的制备：将端乙烯基硅氧烷、硅微粉、导热粉料和炭黑，按原料配比加入动力混合机中，在T=150℃、P≤-0.1MPa的条件下进行脱真空处理2h，待物料温度降至室温后加入Pt催化剂。
B组分的制备：将端乙烯基硅氧烷、硅微粉、导热粉料、抑制剂及侧含氢硅氧烷，按原料配比加入动力混合机中，在T=150℃、P≤-0.1MPa的条件下进行脱真空处理2h，物料降温后待用。
将A、B组分胶按质量比1∶1混合均匀后，在真空箱中进行脱泡处理，然后将混合后的胶料倒入不锈钢模具中，在50℃的硫化机上硫化20min，得到待检测的样品。
1.4 分析方法
黏度：使用数显黏度计，根据GB/T 2794-2013《胶黏剂黏度的测定 单圆筒旋转黏度计法》进行测试。
导热系数：使用Hot Disk导热仪，根据ISO 22007导热率和热扩散率的标准进行测试。
硬度、拉伸强度、断裂伸长率等均按照国家标准进行测试。
2.1 不同形态的氧化铝对导热灌封胶的影响
氧化铝的价格适中，导热系数高，常作为绝缘导热聚合物的填料[1]。氧化铝的形貌不同，结构稳定性也不相同，目前常用的导热氧化铝通常呈片状、类球形和球形。表1是氧化铝形貌对灌封胶性能的影响。从表1可以看出，相对于片状与类球形氧化铝，采用球形氧化铝制备的导热灌封胶，黏度更小，触变性更优。这是因为球状结构容易堆积紧密，使得填料间的接触面积大，因而具有较强的拉伸强度；
结构稳定性强，且表面能小，颗粒之间不容易粘结，触变性好。片状氧化铝易形成桥状网络，填料颗粒之间容易粘附，造成流动阻力大[2]。因此，选择球状氧化铝作为导热填料时，综合性能更优。
表1 氧化铝形貌对灌封胶性能的影响
2.2 不同粒径的氧化铝对导热灌封胶的影响[3]
球形氧化铝不仅具有更高的热传导率，还能赋予导热灌封胶更好的力学性能，更适合作为补强填料使用。加入不同粒径的球形氧化铝，导热灌封胶会产生不同的导热及其他性能。表2是不同粒径的球形氧化铝对导热灌封胶性能的影响。由表2可知，采用相同填充量的氧化铝时，不同的粒径对胶料的触变性及机械强度等均有影响。采用小粒径填料时，具有更好的补强效果与抗沉降性，但胶料的触变性较差；
随着粒径增大，灌封胶的黏度逐渐变小，力学性能和导热系数变好；
但粒径过大会导致导热灌封胶的强度下降，储存稳定性变差[4]。这是因为导热粉料的粒径越小，其比表面积越大，容易抱团，导致胶料的黏度增大，触变性变差。实验结果表明，当球形氧化铝的粒径为10~30μm时，导热灌封胶在保持良好的触变性和导热性的同时，可实现对灌封胶较好的补强效果。
将不同粒径的氧化铝复配后再使用，可增加颗粒间的接触面积，进而提升灌封胶的触变性和力学性能。表3是不同粒径的氧化铝复配使用对灌封胶性能的影响。由表3可知，用粒径小于40μm与粒径小于10μm的复配氧化铝制备的导热灌封胶，触变性较差，随着复配氧化铝的粒径增大，胶料的黏度逐渐减小，触变性变好，导热灌封胶的力学性能、抗沉降性能、导热系数均逐渐变差[2]。这是因为复配导热填料的粒径较小时，比表面积较大，热传导能力较强，表面聚集的羟基含量较多，粒子之间的氢键较强，但黏度较大，会减缓填料的沉降。因此，将粒径40μm与粒径10μm的球形氧化铝复配使用，不仅能在胶料体系中形成致密的堆积，而且小粒径填料的加入还可以提高导热性能和抗沉降性，大粒径填料的加入则可以降低体系的黏度，使触变性变好。
表3 不同粒径的氧化铝复配对导热灌封胶性能的影响
2.3 不同添加量的氧化铝对导热灌封胶性能的影响
氧化铝的用量增加可有效提高灌封胶的导热性能，但用量过多会造成灌封胶的触变性能变差，黏度增大，机械性能变差[5]。按质量比2∶1，将40μm与10μm的球形氧化铝复配使用，考察了不同用量的复配氧化铝对灌封胶性能的影响，结果见表4。由表4可知，随着复配氧化铝的用量增加，胶料的导热系数逐渐增大，抗沉降性变好，胶料黏度也随之增大。这是因为胶料的热量传递主要靠声子完成，氧化铝用量较少时，其在胶料中可充分地分散，导热填料粒子之间未产生接触和作用，导热系数低；
当导热填料用量达到一定值时，导热填料粒子间相互接触，形成链状或者网状的导热通路，胶料的导热率得到大幅度提升[6]。但填料超过一定量后，胶料的黏度增加，触变性不太好，使用时容易出现气泡，或因涂抹不均匀而影响散热效果。考虑到导热灌封胶的综合性能，选择350~400份的氧化铝制备的胶料，应用效果较好。
表4 不同的氧化铝用量对导热灌封胶性能的影响
2.4 用不同的硅烷偶联剂处理填料对胶料性能的影响[7]
无机填料在有机硅聚合物体系内的分散性较差，需用硅烷偶联剂对无机填料进行特定的表面改性处理，从而在其表面引入非极性基团，使之具有亲油性，在硅氧烷体系中的浸润性好，可均匀分散，进而提高导热填料的用量和导热系数。因此，无机填料表面改性处理剂的选择，会直接影响导热灌封胶的性能。硅烷偶联剂种类对导热灌封胶性能的影响结果见表5。由表5可知，与未经表面处理的填料相比，处理后的填料与有机硅氧烷之间的界面张力降低了，分散性得到有效改善，粒子之间不易黏结聚集，胶料黏度得以降低。用十六烷基三甲氧基硅烷改性填料后制备的导热灌封胶，黏度下降明显，原因是十六烷基三甲氧基硅烷是长链烷基硅烷偶联剂，更容易在填料的表面包覆，相比另外2种硅烷偶联剂，它的极性最小，因此降低了无机粉料的表面极性，与有机硅氧烷的相容性更好，从而极大降低了流动阻力和体系黏度。但过多的硅烷偶联剂有助于胶体的燃烧，因此十六烷基三甲氧基硅烷偶联剂的加入量为1%时，填料的处理效果较好，胶片的阻燃性能可达FV-0级，胶料具有良好的触变性。
表5 不同的硅烷偶联剂对导热灌封胶性能的影响
在导热填料的筛选过程中，推荐采用球形氧化铝，其价格适宜，导热系数高，制备的导热灌封胶的黏度小、触变性好。将粒径40μm与粒径10μm的球形氧化铝按质量比2∶1进行复配使用，既提高了填料的加入量，进而提高了导热系数，又降低了灌封胶的整体黏度。选用质量分数为1%的十六烷基三甲氧基硅烷偶联剂处理导热填料，可提高其在硅氧烷体系中的相容性，同时具有抗沉降性。导热填料的总添加量为350~400份时，可以制备出导热系数在1W・m-1・K-1以上、阻燃为FV-0级、具有优良的触变性和导电性能的导热灌封胶。
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