雙組分電氣零部件灌封膠的制備及性能研究

周 健，曹 鶴，胡志國(guó)，王紅娜，劉盛楠

(1.河北省有機(jī)硅新材料工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063305；2.唐山三友硅業(yè)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063305)

近年來(lái)，隨著有機(jī)硅的各項(xiàng)優(yōu)異功能的陸續(xù)開發(fā)，有機(jī)硅行業(yè)迎來(lái)了新的迅速發(fā)展期，成為除C-C聚合物以外產(chǎn)業(yè)鏈最為完善的工業(yè)體系[1]。有機(jī)硅電氣封裝膠主要應(yīng)用于電路板、電氣元器件、LED電源、面板的灌封。有機(jī)硅封裝膠可有效保護(hù)元器件和整機(jī)，使其避免大氣中水氣、雜質(zhì)及各種化學(xué)氣氛的污染和侵蝕。有機(jī)硅材料具有優(yōu)異的介電性能、耐候性好、耐高低溫性能優(yōu)異以及防水性能良好等優(yōu)點(diǎn)。選擇適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)硅原料和加入功能性填料不僅能夠大幅增加有機(jī)硅材料原有的性能，充分發(fā)揮材料的特性，并且能賦予材料新的特性。

石英粉、鈣粉、氧化鋁粉、氫氧化鋁粉末等是制備灌封膠常用的填料，其中石英粉具有堆積密度低，介電性好等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠較大幅度提高灌封膠的導(dǎo)熱系數(shù)。作為補(bǔ)強(qiáng)填料，石英粉的粒徑和雜質(zhì)含量對(duì)灌封膠的力學(xué)性能、介電性能，導(dǎo)熱性等均有影響，填料的粒徑還會(huì)影響灌封膠的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和應(yīng)用性。本研究通過(guò)選擇低雜質(zhì)含量的石英粉，并實(shí)驗(yàn)確定最佳的石英粉填料粒徑范圍，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)選特定結(jié)構(gòu)和含氫量的側(cè)鏈含氫硅油，改善灌封膠固化后形成的交聯(lián)體系，制備出了具有高導(dǎo)熱、低密度、高強(qiáng)度和優(yōu)異介電性能的電氣零部件灌封膠。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

端乙烯基硅油，自制，黏度500cs，乙烯基含量0.41%，揮發(fā)份≤1%；側(cè)鏈含氫硅油，自制，揮發(fā)份≤1%；石英粉，浙江聯(lián)瑞新材料有限公司；鉑催化劑，Genesee Polymers Corporation，含量1%；乙烯基環(huán)體(VMC)，廣東翁江試劑公司。

1.2 主要設(shè)備和儀器

DLH-5動(dòng)力混合機(jī)，佛山市金銀河智能裝備有限公司；QLB-50平板硫化機(jī)，無(wú)錫市第一橡塑有限公司；真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；拉力機(jī)，高鐵檢測(cè)儀器有限公司；硬度計(jì)，高鐵檢測(cè)儀器有限公司；BEST-212體積表面電阻率測(cè)定儀，北京北廣精儀儀器有限公司；BDJC電壓擊穿試驗(yàn)儀，北京北廣精儀儀器有限公司；GT-300A比重計(jì)，高鐵檢測(cè)儀器有限公司；熱常數(shù)分析儀，HOT DISK。

1.3 試樣制備

1.3.1 側(cè)鏈含氫硅油的制備

二甲基硅氧烷混合環(huán)體(DMC)、高含氫硅油(MD64HM)與六甲基二硅氧烷(MM)，按比例混合，升溫至40～100℃，加入2%～10%酸性白土，進(jìn)行調(diào)聚反應(yīng)，黏度穩(wěn)定后反應(yīng)結(jié)束，過(guò)濾后升溫至140～180℃，氮?dú)夤呐荩婵?0.08MPa，脫低4～10 h，制備揮發(fā)分≤1%的硅氫交聯(lián)劑產(chǎn)品。

1.3.2 灌封膠制備

A組分膠料配制：按配比加入端乙烯基硅油，分批次加入石英粉，在動(dòng)力混合機(jī)中混合，升溫至60～120℃，抽真空脫出水分和小分子，攪拌2h。真空攪拌下將母料冷卻至40～50℃，破除真空，向攪拌缸內(nèi)加入一定量的鉑催化劑混勻，A組分膠料配制完成。

B組分膠料配制：按配比加入端乙烯基硅油，分批次加入石英粉，在動(dòng)力混合機(jī)中混合，升溫至60～120℃，抽真空脫出水分和小分子，攪拌2h。真空攪拌下將母料冷卻至40～50℃，破除真空，向攪拌缸內(nèi)加入硅氫交聯(lián)劑，架橋劑，炭黑和甲基乙烯基環(huán)體(VMC)，混勻，B組分膠料配制完成。

1.4 性能檢測(cè)

A、B組分按質(zhì)量比1∶1混合，真空脫泡20min，在模具內(nèi)150℃加壓固化，硫化時(shí)間25min，制成規(guī)定尺寸的膠片。

各項(xiàng)性能均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 石英粉填料對(duì)灌封膠性能的影響

2.1.1 粒徑對(duì)灌封膠性能的影響

使用500cs的端乙烯基硅油與不同粒徑的石英粉按照相同的比例混合，其他原料的添加量相同，對(duì)比各組膠料的性能差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 石英粉粒徑對(duì)膠料性能的影響

表1(續(xù))

石英粉填料對(duì)有機(jī)硅聚合物的相互作用為化學(xué)鍵合，范德華力或兩者的混合作用 ，填料的補(bǔ)強(qiáng)作用主要由粒子粒徑大小、顆粒性狀、粒子聚集體和凝聚體的程度及結(jié)構(gòu)等因素決定[2]。

由表1可知，在灌封膠體系中大粒徑的石英粉顆粒(≥50μm)，比表面積小，顆粒與顆粒，顆粒與硅油分子間的相互作用變?nèi)酰⒎垲w粒在硅油中的分散性變差，石英粉顆粒以近似單顆粒的狀態(tài)存在，由于存在密度差，顆粒逐漸下沉，宏觀表現(xiàn)為粉料沉降，膠料的應(yīng)用性能變差；石英粉粒徑過(guò)小(≤0.5μm)，微粒的比表面積大，顆粒間表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附作用，顆粒以大的團(tuán)簇形式存在，增稠作用明顯，膠料黏度明顯增大；石英粉粒徑在3～15μm范圍內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)效果最好，允許有較高的添加量，且膠料具有較好的流動(dòng)性。

2.1.2 雜質(zhì)含量對(duì)電性能的影響

表2 石英粉中的主要雜質(zhì)及其含量

如表2所示，石英粉中的主要成分為二氧化硅，含量能夠達(dá)到98%以上，純度較高的石英粉中二氧化硅的含量在99%以上。石英粉中的雜質(zhì)主要為三氧化二鋁和三氧化二鐵等，金屬氧化物雜質(zhì)在電場(chǎng)的作用下容易形成雜質(zhì)小橋[2]，使膠片的體積電阻率降低，更容易在高電壓下被擊穿。

2.2 側(cè)鏈含氫硅油對(duì)灌封膠性能的影響

合成結(jié)構(gòu)為MD25D10HM 、MD12D5HM 、MD40D5HM、MD80D10HM的側(cè)鏈含氫硅油，對(duì)應(yīng)的含氫量分別為0.38%、0.38%、0.16%，0.16%。SiH∶SiVi為1.5∶1，填料的加入比例為65%,其他的實(shí)驗(yàn)條件均相同。

表3 側(cè)鏈含氫硅油對(duì)灌封膠性能的影響

石英粉的添加量達(dá)到一定程度后，封裝膠體系中已經(jīng)形成有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)[3]，再多添加對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響不大，反而會(huì)降低膠料的流動(dòng)性。

由表3可知，各組實(shí)驗(yàn)添加相同的石英粉，含氫量較高的含氫硅油能夠增加體系的交聯(lián)密度，提高灌封膠的強(qiáng)度；含氫量低，需要加入更多的硅油，有助于降低膠料的黏度，但含氫量低，灌封膠固化后的交聯(lián)密度低，強(qiáng)度差；鏈節(jié)數(shù)少的含氫硅油，黏度低，使用低黏度的側(cè)鏈含氫硅油有利于降低膠料的整體黏度，改善其流動(dòng)性。

3 結(jié)論

(1)作為灌封膠的補(bǔ)強(qiáng)填料，石英粉最佳的粒徑范圍為3～15μm，純度高的石英粉，SiO2含量為99%以上，利于灌封膠的介電性能。

(2)選擇結(jié)構(gòu)為MD25D10HM，含氫量為0.38%的側(cè)鏈含氫硅油，膠料具有較好的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性，膠料的流動(dòng)性好。