一種導(dǎo)熱阻燃有機硅灌封膠的制備與性能研究

李 釩

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402)

一種導(dǎo)熱阻燃有機硅灌封膠的制備與性能研究

李 釩

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402)

高度集成的電路會產(chǎn)生大量的熱量，不利于電子元器件的保護，為此制備了一種加成型雙組份有機硅灌封膠，利用新型有機硅系阻燃劑和Al(OH)3復(fù)配出一種新的復(fù)合阻燃填料，并且研究了導(dǎo)熱填料Al2O3和復(fù)合阻燃填料對膠體導(dǎo)熱性能、阻燃性能和電氣性能的影響。

導(dǎo)熱；阻燃；加成型；雙組份；復(fù)合填料

前言

隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，大規(guī)模集成電路開始應(yīng)用于各種領(lǐng)域。集成電路的使用也為我們帶來了更小型化更便捷的產(chǎn)品。但是高度集成的電路會產(chǎn)生大量的熱量，不利于電子元器件的保護并且也有火災(zāi)的隱患。眾所周知，集成電路需要使用灌封膠進行封裝，目前使用的主要是有機硅電子灌封膠，而加成型硅橡膠因為其交聯(lián)反應(yīng)沒有副產(chǎn)物、固化收縮率低、可常溫或高溫固化等特點，是最有發(fā)展的電子封裝材料。而高分子樹脂的最大缺點就是導(dǎo)熱性能差，并且具有可燃性。有機硅橡膠的導(dǎo)熱率為0.168W/(m·K)，其極限氧指數(shù)為18%左右，阻燃級別FV-2。很明顯，單純使用有機硅橡膠不能滿足電路封裝的要求，特別是現(xiàn)在國家對于安全生產(chǎn)的重視，與人們環(huán)境保護意識的提升，迫切需要研究人員研制出一種高效、安全而又穩(wěn)定的電子灌封膠。這就需要對加成型有機硅膠進行改性，選擇高性能環(huán)保的填料，以提高膠體的導(dǎo)熱性與阻燃性。

目前對于有機硅橡膠的導(dǎo)熱和阻燃改性主要為添加填料和助劑，添加Al2O3可以有效改善樹脂的導(dǎo)熱性，添加Al(OH)3可以提高樹脂阻燃級別。但是添加的填料與樹脂在力學(xué)上不相容，若添加量少，導(dǎo)熱和阻燃效果不明顯，若添加量過大，又會影響灌封膠的力學(xué)性能，并且膠體粘度會增大，影響可操作性。因此從環(huán)境保護和阻燃效率的角度出發(fā)，本文選擇了一種新型有機硅系阻燃劑，是一種綠色環(huán)保的無鹵阻燃劑。與傳統(tǒng)Al(OH)3填料復(fù)配使用，在保證阻燃效果的前提下，又可以提高灌封膠的強度和可加工性能。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及設(shè)備

實驗原料：端乙烯基硅油(乙烯基含量: 0.45%，粘度1000cps)，化學(xué)純，安必亞特種有機硅有限公司；

含氫硅油(含氫量: 0.4%)，化學(xué)純，安必亞特種有機硅有限公司；

甲基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑，化學(xué)純，南京向前化工有限公司；

賀利氏鉑催化劑(3000ppm)，化學(xué)純，上海矽寶高新材料有限公司；

Al2O3粒徑5μm，工業(yè)品，晶瑞新材料有限公司；

Al(OH)3粒徑5μm，工業(yè)品，晶瑞新材料有限公司；

有機硅阻燃劑DC8008，化學(xué)純，道康寧。

實驗設(shè)備：高速分散機，江陰精細化工機械有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海和晟儀器科技有限公司；

真空干燥箱，上海和呈儀器有限公司；

導(dǎo)熱儀，北京中科路建儀器設(shè)備有限公司；

西林電橋，上海楊高電器有限公司；

高阻計，上海精密儀器儀表有限公司；

旋轉(zhuǎn)粘度計，上海上天精密儀器有限公司；

萬能力學(xué)試驗機，上海和晟儀器科技有限公司。

1.2 實驗步驟

1.2.1 復(fù)合填料的制備

將一定質(zhì)量配比的Al(OH)3填料和有機硅系阻燃劑DC8008放入燒杯中，在攪拌下倒入醇水溶液，加入填料質(zhì)量1%的硅烷偶聯(lián)劑，再攪拌20分鐘，然后將燒杯放入干燥箱，在100℃下干燥，后取出來復(fù)合填料，分散、待用。

1.2.2 有機硅膠體的制備

此灌封膠為雙組份加成型有機硅膠，A組分為一定質(zhì)量比例的乙烯基硅油、含氫硅油、Al2O3和復(fù)合填料，在500rpm下攪拌4小時；B組分為一定質(zhì)量比例的乙烯基硅油、鉑催化劑、Al2O3和復(fù)合填料，在500rpm下攪拌4小時。

1.2.3 測試樣條的制備

將A、B兩組分按照1:1的比例混合，在500rpm下攪拌1小時，放入真空干燥箱中脫泡處理10分鐘。取出倒入規(guī)定尺寸的模具中室溫固化24小時，制得樣條。

1.2.4 性能測試

導(dǎo)熱率：利用導(dǎo)熱儀進行測定；阻燃級別：按GB/T2408-2008進行測定；體積電阻率：按GB/T1410-2006進行測定；擊穿強度：按GB/T1408-89進行測定；硬度測定：按GB/T6031-1998進行測定；力學(xué)性能測定：按GB/T7762-2003進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al2O3含量對導(dǎo)熱性能的影響

有機硅橡膠的本身的導(dǎo)熱率很低，大約為0.168 W/(m·K)導(dǎo)熱效果極差，作為電子灌封膠的導(dǎo)熱性能主要依靠基膠中的導(dǎo)熱填料。填料的導(dǎo)熱性能和含量多少決定了灌封膠的導(dǎo)熱性能。本文研究選擇最常用的導(dǎo)熱填料Al2O3，研究了Al2O3的含量對灌封膠導(dǎo)熱性能的影響。如圖1所示，隨著Al2O3含量的增加，膠體的導(dǎo)熱性能逐漸上升，在Al2O3含量35%時，曲線斜率變大，導(dǎo)熱性能變化明顯。這是因為少量Al2O3填料在膠體中作為單獨的粒子游離存在，相互之間幾乎沒有接觸，導(dǎo)熱效率并不顯著，隨著Al2O3含量增加到大于35%的時候，填料與填料之間的接觸幾率增大，相互接觸的填料形成了導(dǎo)熱的通路，使熱量可以更有效傳遞，因此灌封膠的導(dǎo)熱率顯著提升。

2.2 復(fù)合填料含量對阻燃性能的影響

Al(OH)3是生產(chǎn)中最常用的無機阻燃劑，填料本身熱穩(wěn)定性好，腐蝕性小，燃燒不產(chǎn)生煙霧 ，并且成本低廉，但是為了使灌封膠達到很好的阻燃級別，需要很大的填充量，這往往導(dǎo)致硫化前的膠體粘度大幅上升影響脫泡和使用，并且硫化后的膠體力學(xué)性能變差。如表1所示，只添加Al(OH)3作為阻燃劑，在添加30%的時候，膠體阻燃性能依然為FV-1，添加40%的量才能達到FV-0級別。本文研究選擇了一種有機硅系阻燃劑與Al(OH)3復(fù)配使用。如表1所示添加了10% DC8008的復(fù)合填料，能明顯改善基膠的阻燃性能，當復(fù)合填料含量20%的時候，膠體的阻燃級別可以達到FV-0級，相比于單純添加Al(OH)3減少使用量20%，在阻燃效果相同的基礎(chǔ)上，使用復(fù)合填料可以減少Al(OH)3的使用量。分析其原因是因為由于加入的有機硅阻燃劑包裹在Al(OH)3顆粒表面，改善了填料的表面特性，并且在高溫下，Al(OH)3水解產(chǎn)生的Al2O3與有機硅形成一種保護膜，阻隔空氣中的氧氣，從而發(fā)揮了更好的協(xié)同效果，能夠在較少的使用量達到更好的效果。

表1 添加填料的膠體的阻燃性能

2.3 填料對電氣性能的影響

應(yīng)用于電子電路封裝的灌封膠需要具有很好的電氣性能。表2列出了填料添加量不同時，灌封膠的測試結(jié)果。由測試結(jié)果可知，添加了導(dǎo)熱和阻燃填料后的有機硅膠體積電阻率由1.7×1015變成3×1013，并且體積電阻率不隨填料的增加而繼續(xù)減小；同時，加入了導(dǎo)熱和阻燃填料對擊穿強度也有影響，隨著填料含量的增加，膠體擊穿強度隨之降低，因此為了保證一定的電氣性能，不能添加過多的填料。

表2 添加填料的膠體的電氣性能

2.4 填料對粘度的影響

為了使有機硅橡膠滿足一定的導(dǎo)熱性能和阻燃性能，需要向基膠中添加一定比例的填料，然而填料的加入勢必會對體系的粘度產(chǎn)生很大的影響，如圖2所示，加入填料后，液態(tài)有機硅膠的粘度變大，隨著填料含量的增加，粘度也隨之變大。在添加量較少時，粘度變化不大，當含量達到45%時，體系粘度激增，并直線上升。分析其原因，在小的添加量時，填料在有機硅體系中是游離的分散狀態(tài)，當添加量增加到一定程度，填料之間相互接觸的幾率增大，在微觀上更容易形成團聚，因此粘度會快速增長。

圖1 Al2O3含量與膠體導(dǎo)熱率的關(guān)系

圖2 填料含量對灌封膠粘度的影響

2.5 填料對力學(xué)性能的影響

添加了導(dǎo)熱填料和復(fù)合阻燃填料的有機硅膠粘劑，固化后的膠體力學(xué)性能相較于單純的基膠，有了很大變化。如表3所示，隨著填料含量的增加，灌封膠的硬度逐漸變大。這是由于無機填料本身的硬度很大，加入體系中改善了有機硅本身的硬度小的缺點；隨著填料含量的增加，灌封膠的斷裂強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。這是由于填料的加入一定程度上充當了體系增強劑的作用，添加量越大，這種作用愈發(fā)明顯，當填料含量60%的時候，斷裂強度反而下降，是因為過大的添加量，使填料在體系中占據(jù)主導(dǎo)，有機硅橡膠本身的化學(xué)交聯(lián)受到影響，填料之間的連接強度很低，因而體系強度下降；隨著填料含量增加，灌封膠的斷裂伸長率降低，這是由于，填料的加入使得體系的強度和硬度提高，但并沒有改善韌性，相反影響了灌封膠的斷裂伸長率。

表3 添加填料的膠體的力學(xué)性能

3 結(jié)論

本文利用加成型雙組份有機硅基膠，向其中添加導(dǎo)熱填料和阻燃填料，通過測試分析得到如下結(jié)論：隨著導(dǎo)熱填料Al2O3的加入，灌封膠的導(dǎo)熱率提高，并且添加量越大導(dǎo)熱率越大，當添加量大于35%時，膠體內(nèi)部形成導(dǎo)熱通路，導(dǎo)熱率增加速率變快，導(dǎo)熱效果更加明顯；本文選擇了一種新型有機硅系阻燃劑，與傳統(tǒng)的阻燃劑Al(OH)3復(fù)配使用，在保證阻燃性能的基礎(chǔ)上，可以減少Al(OH)3的添加量，并且隨著復(fù)合填料的增加，膠體阻燃性能逐漸改善；加入導(dǎo)熱和阻燃填料的膠體，體積電阻率下降到3×1013，隨著填料含量的增加，體積電阻率幾乎不變，但膠體的擊穿強度隨之下降；隨著填料含量的增加，體系的粘度隨之增加，并且當添加量為45%時，粘度變化劇烈；隨著填料含量的增加，灌封膠的硬度增加，斷裂伸長率減小，斷裂強度先增加當添加量60%的時候，強度減小。最終通過綜合各種性能，決定有機硅灌封膠的配比為：A組分：乙烯基硅油含量30%，含氫硅油含量5%，Al2O3含量45%，復(fù)合填料含量20%；B組分：乙烯基硅油含量37%，Al2O3含量42%，復(fù)合填料含量20.9%，鉑金催化劑含量0.1%。以此配比制得的有機硅灌封膠導(dǎo)熱系數(shù)0.8W/(m·K)，阻燃級別FV-0級，體積電阻率3.1×1013，擊穿強度20KV/mm。

[1]林修勇．硅橡膠在電氣絕緣方面的應(yīng)用進展[J]．特種橡膠制品，2003，(05)．

[2]幸松民，王一璐．有機硅合成工藝及產(chǎn)品應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000．

[3]周宇琳．有機硅聚合物導(dǎo)論[M]．北京：科學(xué)出版社，2005．

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Research on Preparation and Performance of A Kind of Flame Retardant and Thermal Conductive Organosilicone Pouring Sealant

LI Fan

(TianjinBohaiVocationalTechnicalCollege,Tianjin, 300402)

Highly integrated circuit generates lots of heat which is harmful to the protection of the electronic devices. Therefore, the preparation for an addition double quantity organosilicone pouring sealant is required. We use the new organosilicone pouring sealant and AL (OH) 3 to produce a new kind of compound flame retardant stuffing and research the effects on the performance of colloids’ thermal conductivity, flame retardant and electric function that produced by thermal conductive stuffing Al2O3 and compound flame retardant stuffing.

thermal conductivity; flame Retardant; addition type; double quantity; compound stuffing

2015-01-07

李釩(1987-)，女，天津市人，天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，主要從事精細化工、高分子化工專業(yè)的教學(xué)與研究工作。

TQ333.93

A

1673-582X(2015)04-0110-04