单组分自粘性加成型导热灌封胶的研制

编辑:wangyun 时间:2018年12月10日 访问次数:594

单组分自粘性加成型导热灌封胶的研制

徐志飞,刘龙江,蔡公华

(上海康达化工新材料股份有限公司,上海201419


摘要:采用端乙烯基硅油、甲基含氢硅油为基础原料,氧化铝、氮化铝为导热填料及阻燃剂,通过添加增粘剂以及微胶囊型催化剂,制备了单组分自粘性加成型导热灌封胶。研究了基础原料、氧化铝、氮化铝、阻燃剂以及增粘剂对灌封胶性能的影响。结果表明,100份端乙烯基硅油、40份氧化铝、2份氮化铝、9份甲基侧含氢硅油、10份阻燃剂以及8份增粘剂,制得的灌封胶对铝剪切强度达到2 MPa,热导率1.0 W/mk),阻燃等级UL94V-0,能够满足大功率元器件的灌封要求。

关键词:自粘性;单组分;导热;灌封胶

中图分类号:TQ436+.6 文献标识码:A 文章编号:1001-5922201811-0000-00


随着电子工业的发展,电子设备不断小型化和集成化,电子元件对灌封胶的阻燃性和导热性提出了更加严格的要求。加成型硅胶分子为非极性[1],对多数基材粘接性较差,并且目前使用的双组分加成灌封胶在施胶过程中需要预先混合,导致气泡的产生,严重影响施工效率。

本实验以端乙烯基硅油、甲基含氢硅油为基础原料,氧化铝、氮化铝为导热填料,通过加入自制的增粘剂,微胶囊型催化剂,制备了单组分自粘性加成型导热有机硅电子灌封胶。考查了基础原料、氧化铝、氮化铝、阻燃剂以及增粘剂对灌封胶性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

端乙烯基硅油,黏度1000 mPas(乙烯基摩尔分数0.25%),上海华之润化工有限公司;甲基含氢硅油,黏度80 mPas(含氢质量分数0.18%),上海华之润化工有限公司;正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷、γ-2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷,湖北新蓝天新材料股份有限公司;氧化铝,平均粒径分别为5μm20μm,上海百图高新材料科技有限公司;氮化铝,平均粒径5μm,秦皇岛一诺高新材料开发有限公司;阻燃剂,Doher-6003,东莞市道尔新材料科技有限公司;增粘剂,自制;微胶囊型催化剂,自制。

1.2 仪器与设备

双行星搅拌机,DMP-1QT型,罗斯设备有限公司;旋转黏度计,LVDV-2型,上海伦捷机电仪表有限公司;拉力试验机,CMT4303,深圳市新三思计量技术有限公司;橡胶硬度计,LX-A,上海六菱仪器厂;扫描电子显微镜(SEM),JMS-6490LV,日本电子公司。

1.3 增粘剂的制备

250 mL三口烧瓶中,按照计量依次加入正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷,在150 ℃条件下反应6 h后减压蒸馏脱除小分子,得到浅黄色透明液体。

1.4 微胶囊型催化剂的制备

1步按比例将聚乙烯醇加入到装有去离子水的烧杯中溶解,将溶解好的聚乙烯醇水溶液加入到三口烧瓶中备用。第2步按比例依次将低软化点热塑性树脂、液体铂金催化剂溶解在石油醚中,然后将混合好的石油醚溶液通过恒压漏斗缓慢滴加到装有聚乙烯醇溶液的三口烧瓶中,边滴加边搅拌,滴加完后室温下搅拌24 h,减压蒸馏除去溶剂,用甲醇洗涤,抽滤即可制备得到微胶囊型催化剂。

1.5 灌封胶的制备

在双行星搅拌机中按照计量依次加入端乙烯基硅油、甲基侧含氢硅油、氧化铝、氮化铝以及阻燃剂Doher-6003,加热到120 ℃,搅拌抽真空1 h(真空度0.08 MPa),降温到25 ℃,按照计量依次加入增粘剂和微胶囊型催化剂,继续抽真空(真空度0.08 MPa)混合15 min,得到加成型单组分有机硅灌封胶。

1.5 性能测试

黏度:用旋转黏度计测定;

剪切强度:按GB/T 71242008进行测试;

断裂伸长率、本体强度:按GB/T 71242008进行测试;

硬度:按GB/T 531.12008测试;

热导率:按ASTM 54702006进行测试。


2 结果与讨论

2.1 不同粒径氧化铝复配对灌封胶热导率的影响

将不同粒径的氧化铝搭配使用,所得灌封胶的导热性能往往优于添加一种粒径的氧化铝。从导热通路形成的原理来看,将大小粒径的氧化铝搭配使用,可使得导热粉形成致密的堆积,更好地形成导热通路[2]

1为不同粒径氧化铝复配对有机硅灌封胶热导率的影响。从表1可以看出,与将单一粒径氧化铝添加到硅橡胶中,在总的添加量为40份时,在确定混合比例下,将不同粒径氧化铝混合添加到硅橡胶中导热性能更好,随着小粒径氧化铝比例的提高,体系黏度增大,当质量比为30/10时体系的热导率最高。

1不同粒径氧化铝复配对有机硅灌封胶热导率的影响

Tab.1 Effect of the combinedAl2O3 with different particle sizes on thermal conductivity of silicone encapsulant

不同粒径配比

M20/M5(份/份)

黏度/mPas

热导率/W/mK

40/0

3 800

0.902

35/5

3 870

0.941

30/10

3 978

1.031

25/15

4 109

0.964

20/20

4 269

0.920

15/25

4 450

0.889

10/30

4 620

0.862

5/35

4 786

0.805

0/40

5 023

0.782

注:1100份端乙烯基硅油、9份含氢硅油、40份氧化铝、2份氮化铝、10Doher-6003以及8份增粘剂。

1是灌封胶断面扫描电镜图,可见,不同粒径氧化铝粒子相互搭配使用时,小粒径的粒子能有效地填充到大粒径的粒子间隙中去,粒子之间的相互接触点大量增加,在灌封胶体系内形成了更为致密的堆积,体系内有效导热网链密度加大,从而有效提升了灌封胶的导热性能。


1有机硅灌封胶断面扫描电镜图

Fig.1 SEM images of silicone encapsulantsample surface

2.2 含氢硅油用量对灌封胶力学性能的影响

2是含氢硅油用量对灌封胶力学性能的影响。从表2可见,当含氢硅油比例增大时,胶的硬度依次增大,拉伸强度先增大后减少,断裂伸长率逐渐减小。这是因为当含氢硅油量的增加,灌封胶的交联密度增大,所以硬度增大,断裂伸长率下降。当含氢硅油用量为9份时,拉伸强度达到最大值,含氢硅油用量进一步增大时,灌封胶硬度变大并且韧性变差,导致拉伸强度降低。

2 含氢硅油用量对灌封胶力学性能的影响

Tab.2 Effect of mass fraction of hydrosilicone oilon mechanical properties of silicone encapsulant

项目

含氢硅油用量/

3

6

9

12

硬度/A

28

35

41

53

拉伸强度/MPa

0.8

1.2

1.5

1.3

断裂伸长率/%

98

86

74

63

注:1100份端乙烯基硅油、40份氧化铝、2份氮化铝、10Doher-6003以及8份增粘剂。

2.3 阻燃剂用量对灌封胶性能的影响

Doher-6003是具有油腻感的白色结晶粉末,是经过改性处理的一种性能优良、分散均匀、耐温高、粒径小的无卤阻燃剂,对环境友好。表3Doher-6003用量对灌封胶阻燃性能的影响。由表3可见,增加Doher-6003用量可以提高灌封胶的阻燃性能,当添加10Doher-6003时,灌封胶已经能达到UL94V-0等级,这是因为Doher-6003高温时可以在灌封胶的表面形成隔离层,使得可燃物与空气中的氧气隔绝并且起到阻热的作用,另外导热粉氧化铝和氮化铝也有阻燃的作用。考虑到成本和对灌封胶性能的影响,选择Doher-6003用量10份较合适。

3  Doher-6003用量对灌封胶的阻燃性能的影响

Tab.3 Effect of mass fraction ofDoher-6003 on flame resistance of silicone encapsulant

项目

Doher-6003用量/

5

10

15

20

阻燃等级

V1

V0

V0

V0

注:1100份端乙烯基硅油、9份含氢硅油、40份氧化铝、2份氮化铝以及8份增粘剂。

2.4 增粘剂用量对灌封胶粘接性的影响

4是增粘剂用量对灌封胶粘接性的影响。由表4可见,随着增粘剂量的加大,剪切强度逐渐增大,当增粘剂达到8份时,剪切强度达到2 MPa,继续提高增粘剂的量,剪切强度有所下降。这是因为增粘剂通过内部扩散湿润粘接表面,当增粘剂适量时,很容易从灌封胶内部迁移到基材表面形成粘接,当增粘剂量进一步增大时,过量的增粘剂在与空气接触中未来得及迁移到基材表面就已经水解失去活性,从而导致粘接性的下降。

4 增粘剂用量对灌封胶粘接性的影响

Tab.4 Effect of mass fraction oftackifier on cohesiveness of silicone encapsulant

增粘剂用量/

剪切强度/MPa(铝)

0

0.43

5

1.23

8

2.00

11

1.85

注:1100份端乙烯基硅油、9份含氢硅油、40份氧化铝、2份氮化铝、10Doher-6003以及8份增粘剂。


3 结论

采用端乙烯基硅油、甲基含氢硅油为基础原料,氧化铝、氮化铝为导热填料及阻燃剂,通过添加增粘剂以及微胶囊型催化剂,制备了单组分自粘性加成型导热灌封胶。较佳配方为:100份端乙烯基硅油、40份氧化铝、2份氮化铝、9份甲基含氢硅油、10Doher-6003以及8份增粘剂,制得的灌封胶对铝剪切强度达到2 MPa,热导率1.0 W/mk),阻燃等级UL94V-0,综合性能优异。

参考文献

[1]凌钦才,谢国庆,郭文欣.加成型液体硅橡胶用含环氧基的有机硅增粘剂的制备、表征及性能[J].有机硅材料,2012,26(2):87-92.

[2]周文英,齐暑华,涂春潮,.混杂填料填充导热硅橡胶性能研究[J].材料工程,2006,(8):15-19.

Development of one-component self-adhesive addition molding thermal conductive potting adhesive

XU Zhi-fei, LIU Long-jiang,CAI Gong-hua

(Shanghai Kangda New Material Co., Ltd.,Shanghai 201419, China)

AbstractIn this paper, one-component self-adhesive addition molding thermal conductive potting adhesive was prepared using vinyl-terminated silicone oil and hydrosilicone oil as the basic materials, aluminum oxide and  aluminum nitride as the thermally conductive filler, flame retardant, self-regulatingtackifier, and self-regulating microencapsulated catalyst. The effect of basic materials, thermally conductive filler, flame retardant, self-regulatingtackifier, and self-regulating microencapsulated catalyston the properties ofthermal conductive potting adhesive was investigated.The adhesive was prepared usingvinyl-terminated silicone oil 100phr, aluminum oxide 40phr, aluminum nitride 2phr, hydrosilicone oil 9phr, flame retardant 10phr, and tackifier 8phr can meet the potting requirements of high power components. The results are as follows:Shear strength to aluminum, thermal conductivity, flame retardant rating were 2MPa, 1.0W/(m▪k)and UL94V-0, respectively.

Key wordsself-adhesive; one-component; heat conduction; potting