導(dǎo)熱灌封膠填充體系的研究

曲雪麗

（唐山三友硅業(yè)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063305）

電子產(chǎn)品設(shè)備的小型化和高功率化，要求導(dǎo)熱灌封膠的導(dǎo)熱系數(shù)也要不斷提高，但導(dǎo)熱系數(shù)高的有機(jī)硅灌封膠，其觸變性相對較差，使用時很容易出現(xiàn)氣泡，或因涂抹不均勻而影響散熱效果。同時，高導(dǎo)熱產(chǎn)品的儲存穩(wěn)定性不好，短時間內(nèi)即會出現(xiàn)明顯的沉降現(xiàn)象，粉料板結(jié)嚴(yán)重，影響產(chǎn)品的正常使用，還會影響有機(jī)硅灌封膠的電絕緣性能。因此，導(dǎo)熱系數(shù)高、觸變性優(yōu)異、儲存穩(wěn)定性好，是導(dǎo)熱灌封膠重要的研究發(fā)展方向。

導(dǎo)熱填料是賦予有機(jī)硅灌封膠導(dǎo)熱性能的主要材料。氧化鋁、氧化鎂是生產(chǎn)中常用的導(dǎo)熱填料，價格適宜，具有較好的絕緣性、熱穩(wěn)定性及導(dǎo)熱率。本文研究了導(dǎo)熱填料的形態(tài)、粒徑、添加量以及不同的硅烷偶聯(lián)劑，對導(dǎo)熱灌封膠的黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、存儲穩(wěn)定性等性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

側(cè)含氫硅氧烷（結(jié)構(gòu)式MDnDmHM，其中，n=20，m=10，自制），端乙烯基硅氧烷（乙烯基鏈節(jié)的摩爾百分含量0.60%，揮發(fā)分＜1%，自制），鉑系催化劑（3000×10-6)，氧化鋁（市售，不同形態(tài)，不同粒徑），硅烷偶聯(lián)劑，色漿，炭黑，硅微粉，抑制劑VMC。

1.2 主要儀器和設(shè)備

數(shù)顯黏度計，立式行星動力混合機(jī)（5L），硬度計。

1.3 導(dǎo)熱灌封膠及膠片的制備

A組分的制備：將端乙烯基硅氧烷、硅微粉、導(dǎo)熱粉料和炭黑，按原料配比加入動力混合機(jī)中，在T=150℃、P≤-0.1MPa的條件下進(jìn)行脫真空處理2h，待物料溫度降至室溫后加入Pt催化劑。

B組分的制備：將端乙烯基硅氧烷、硅微粉、導(dǎo)熱粉料、抑制劑及側(cè)含氫硅氧烷，按原料配比加入動力混合機(jī)中，在T=150℃、P≤-0.1MPa的條件下進(jìn)行脫真空處理2h，物料降溫后待用。

將A、B組分膠按質(zhì)量比1∶1混合均勻后，在真空箱中進(jìn)行脫泡處理，然后將混合后的膠料倒入不銹鋼模具中，在50℃的硫化機(jī)上硫化20min，得到待檢測的樣品。

1.4 分析方法

黏度：使用數(shù)顯黏度計，根據(jù)GB/T 2794-2013《膠黏劑黏度的測定 單圓筒旋轉(zhuǎn)黏度計法》進(jìn)行測試。

導(dǎo)熱系數(shù)：使用Hot Disk導(dǎo)熱儀，根據(jù)ISO 22007導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

硬度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率等均按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同形態(tài)的氧化鋁對導(dǎo)熱灌封膠的影響

氧化鋁的價格適中，導(dǎo)熱系數(shù)高，常作為絕緣導(dǎo)熱聚合物的填料[1]。氧化鋁的形貌不同，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也不相同，目前常用的導(dǎo)熱氧化鋁通常呈片狀、類球形和球形。表1是氧化鋁形貌對灌封膠性能的影響。從表1可以看出，相對于片狀與類球形氧化鋁，采用球形氧化鋁制備的導(dǎo)熱灌封膠，黏度更小，觸變性更優(yōu)。這是因為球狀結(jié)構(gòu)容易堆積緊密，使得填料間的接觸面積大，因而具有較強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，且表面能小，顆粒之間不容易粘結(jié)，觸變性好。片狀氧化鋁易形成橋狀網(wǎng)絡(luò)，填料顆粒之間容易粘附，造成流動阻力大[2]。因此，選擇球狀氧化鋁作為導(dǎo)熱填料時，綜合性能更優(yōu)。

表1 氧化鋁形貌對灌封膠性能的影響

2.2 不同粒徑的氧化鋁對導(dǎo)熱灌封膠的影響[3]

球形氧化鋁不僅具有更高的熱傳導(dǎo)率，還能賦予導(dǎo)熱灌封膠更好的力學(xué)性能，更適合作為補(bǔ)強(qiáng)填料使用。加入不同粒徑的球形氧化鋁，導(dǎo)熱灌封膠會產(chǎn)生不同的導(dǎo)熱及其他性能。表2是不同粒徑的球形氧化鋁對導(dǎo)熱灌封膠性能的影響。由表2可知，采用相同填充量的氧化鋁時，不同的粒徑對膠料的觸變性及機(jī)械強(qiáng)度等均有影響。采用小粒徑填料時，具有更好的補(bǔ)強(qiáng)效果與抗沉降性，但膠料的觸變性較差；隨著粒徑增大，灌封膠的黏度逐漸變小，力學(xué)性能和導(dǎo)熱系數(shù)變好；但粒徑過大會導(dǎo)致導(dǎo)熱灌封膠的強(qiáng)度下降，儲存穩(wěn)定性變差[4]。這是因為導(dǎo)熱粉料的粒徑越小，其比表面積越大，容易抱團(tuán)，導(dǎo)致膠料的黏度增大，觸變性變差。實驗結(jié)果表明，當(dāng)球形氧化鋁的粒徑為10~30μm時，導(dǎo)熱灌封膠在保持良好的觸變性和導(dǎo)熱性的同時，可實現(xiàn)對灌封膠較好的補(bǔ)強(qiáng)效果。

將不同粒徑的氧化鋁復(fù)配后再使用，可增加顆粒間的接觸面積，進(jìn)而提升灌封膠的觸變性和力學(xué)性能。表3是不同粒徑的氧化鋁復(fù)配使用對灌封膠性能的影響。由表3可知，用粒徑小于40μm與粒徑小于10μm的復(fù)配氧化鋁制備的導(dǎo)熱灌封膠，觸變性較差，隨著復(fù)配氧化鋁的粒徑增大，膠料的黏度逐漸減小，觸變性變好，導(dǎo)熱灌封膠的力學(xué)性能、抗沉降性能、導(dǎo)熱系數(shù)均逐漸變差[2]。這是因為復(fù)配導(dǎo)熱填料的粒徑較小時，比表面積較大，熱傳導(dǎo)能力較強(qiáng)，表面聚集的羥基含量較多，粒子之間的氫鍵較強(qiáng)，但黏度較大，會減緩填料的沉降。因此，將粒徑40μm與粒徑10μm的球形氧化鋁復(fù)配使用，不僅能在膠料體系中形成致密的堆積，而且小粒徑填料的加入還可以提高導(dǎo)熱性能和抗沉降性，大粒徑填料的加入則可以降低體系的黏度，使觸變性變好。

表3 不同粒徑的氧化鋁復(fù)配對導(dǎo)熱灌封膠性能的影響

2.3 不同添加量的氧化鋁對導(dǎo)熱灌封膠性能的影響

氧化鋁的用量增加可有效提高灌封膠的導(dǎo)熱性能，但用量過多會造成灌封膠的觸變性能變差，黏度增大，機(jī)械性能變差[5]。按質(zhì)量比2∶1，將40μm與10μm的球形氧化鋁復(fù)配使用，考察了不同用量的復(fù)配氧化鋁對灌封膠性能的影響，結(jié)果見表4。由表4可知，隨著復(fù)配氧化鋁的用量增加，膠料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，抗沉降性變好，膠料黏度也隨之增大。這是因為膠料的熱量傳遞主要靠聲子完成，氧化鋁用量較少時，其在膠料中可充分地分散，導(dǎo)熱填料粒子之間未產(chǎn)生接觸和作用，導(dǎo)熱系數(shù)低；當(dāng)導(dǎo)熱填料用量達(dá)到一定值時，導(dǎo)熱填料粒子間相互接觸，形成鏈狀或者網(wǎng)狀的導(dǎo)熱通路，膠料的導(dǎo)熱率得到大幅度提升[6]。但填料超過一定量后，膠料的黏度增加，觸變性不太好，使用時容易出現(xiàn)氣泡，或因涂抹不均勻而影響散熱效果?？紤]到導(dǎo)熱灌封膠的綜合性能，選擇350~400份的氧化鋁制備的膠料，應(yīng)用效果較好。

表4 不同的氧化鋁用量對導(dǎo)熱灌封膠性能的影響

2.4 用不同的硅烷偶聯(lián)劑處理填料對膠料性能的影響[7]

無機(jī)填料在有機(jī)硅聚合物體系內(nèi)的分散性較差，需用硅烷偶聯(lián)劑對無機(jī)填料進(jìn)行特定的表面改性處理，從而在其表面引入非極性基團(tuán)，使之具有親油性，在硅氧烷體系中的浸潤性好，可均勻分散，進(jìn)而提高導(dǎo)熱填料的用量和導(dǎo)熱系數(shù)。因此，無機(jī)填料表面改性處理劑的選擇，會直接影響導(dǎo)熱灌封膠的性能。硅烷偶聯(lián)劑種類對導(dǎo)熱灌封膠性能的影響結(jié)果見表5。由表5可知，與未經(jīng)表面處理的填料相比，處理后的填料與有機(jī)硅氧烷之間的界面張力降低了，分散性得到有效改善，粒子之間不易黏結(jié)聚集，膠料黏度得以降低。用十六烷基三甲氧基硅烷改性填料后制備的導(dǎo)熱灌封膠，黏度下降明顯，原因是十六烷基三甲氧基硅烷是長鏈烷基硅烷偶聯(lián)劑，更容易在填料的表面包覆，相比另外2種硅烷偶聯(lián)劑，它的極性最小，因此降低了無機(jī)粉料的表面極性，與有機(jī)硅氧烷的相容性更好，從而極大降低了流動阻力和體系黏度。但過多的硅烷偶聯(lián)劑有助于膠體的燃燒，因此十六烷基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑的加入量為1%時，填料的處理效果較好，膠片的阻燃性能可達(dá)FV-0級，膠料具有良好的觸變性。

表5 不同的硅烷偶聯(lián)劑對導(dǎo)熱灌封膠性能的影響

3 結(jié)論

在導(dǎo)熱填料的篩選過程中，推薦采用球形氧化鋁，其價格適宜，導(dǎo)熱系數(shù)高，制備的導(dǎo)熱灌封膠的黏度小、觸變性好。將粒徑40μm與粒徑10μm的球形氧化鋁按質(zhì)量比2∶1進(jìn)行復(fù)配使用，既提高了填料的加入量，進(jìn)而提高了導(dǎo)熱系數(shù)，又降低了灌封膠的整體黏度。選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的十六烷基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑處理導(dǎo)熱填料，可提高其在硅氧烷體系中的相容性，同時具有抗沉降性。導(dǎo)熱填料的總添加量為350~400份時，可以制備出導(dǎo)熱系數(shù)在1W?m-1?K-1以上、阻燃為FV-0級、具有優(yōu)良的觸變性和導(dǎo)電性能的導(dǎo)熱灌封膠。