LED顯示屏灌封用導(dǎo)熱膠研制

李勝華 馮小平 王雪琴 周先當(dāng) 王承光 姚艷麗

摘 要： 以α，ω-二羥基聚二甲基硅氧烷為基膠，配合導(dǎo)熱填料、稀釋劑、交聯(lián)劑和增粘劑等，制備了LED顯示屏灌封用導(dǎo)熱膠。研究了導(dǎo)熱填料和交聯(lián)劑用量對(duì)導(dǎo)熱膠性能的影響，探討了增粘劑種類(lèi)和用量對(duì)導(dǎo)熱膠粘接性能、力學(xué)性能的影響以及稀釋劑用量對(duì)出油情況的影響。結(jié)果表明：隨著導(dǎo)熱填料用量增大，導(dǎo)熱膠的拉伸強(qiáng)度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)和密度都增大，斷裂伸長(zhǎng)率先增大后減小；隨交聯(lián)劑用量增大，導(dǎo)熱膠的拉伸強(qiáng)度和硬度增大，斷裂伸長(zhǎng)率減??；含氨基的增粘劑對(duì)LED顯示屏粘接良好，鏈烷烴混合物稀釋效果好且不發(fā)生出油問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： LED顯示屏；灌封膠；導(dǎo)熱膠；粘接性能

中圖分類(lèi)號(hào)： TQ437+.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)： 1001-5922（2023）08-0038-04

Preparation of thermal conductive encapsulation for LED display

LI Shenghua1，F(xiàn)ENG Xiaoping1，WANG Xueqin1，ZHOU Xiandang2，

WANG Chengguang2，YAO Yanli3

（1.Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology，The Key Laboratory of Low Dimension Photoelectric Material and Devices of Hubei Province，Xiangyang 441003，Hubei China;

2.Hubei Aerospace Chemical New Materials Co.，Ltd.，Xiangyang 441057，Hubei China;

3.Hubei Sunvalor Power Source Aerospace Tech Co.，Ltd.，Xiangyang 441003，Hubei China.）

Abstract： The thermal conductive encapsulation for LED display was prepared with α，ω-dihydroxy polydimethylsiloxane as the basic resin and other processing aids such as thermal conductive filler，thinner，cross-linker，and tackifier，etc.The influences of conductive filler and cross-linker amount on the properties of thermal conductive encapsulation were investigated.The influence of tackifier sort and amount on bonding strength and mechanical property of thermal conductive encapsulation was discussed.The influence of thinner on the oil seepage was investigated.The results show that the tensile strength，hardness，thermal conductivity，density of the thermal conductive encapsulation decrease，and the elongation decreases at first and then increases as the amount of thermal conductive filler increases.The tensile strength and hardness increase，and the elongation decreases as the amount of cross-linker increases.The tackifier with amino has good bonding performance to LED display.The alkane thinner is good to diluted effect，and no oil seepage.

Key words： LED display;silicone encapsulation;thermal conductive adhesive;bonding performance

LED顯示屏因具有顯示信息量較大、壽命較長(zhǎng)、耗電量較小、質(zhì)量較輕、穩(wěn)定性較高、易操作和易安裝等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于樓體輪廓、展臺(tái)和酒店裝飾照明，以及廣告招牌制作、大型娛樂(lè)和體育賽事等場(chǎng)所[1-2]。

LED顯示屏的工作環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，為了保證顯示屏長(zhǎng)時(shí)間有效運(yùn)行，一般需要對(duì)其電子元器件模塊進(jìn)行灌封以起到固定LED燈以及防水、防潮、防風(fēng)和防靜電等作用[3-4]。LED顯示屏在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱，若散熱不充分，將縮短LED顯示屏的使用壽命，因此需要導(dǎo)熱膠進(jìn)行導(dǎo)熱。

目前LED顯示屏模塊或燈條的灌封普遍采用雙組分縮合型硅膠。隨著LED顯示屏的普及，顯示屏的畫(huà)面清晰度和逼真性要求越來(lái)越高，在更小的LED顯示屏上顯示清晰的圖像，使LED顯示屏向高密度小間距方向發(fā)展，為此，需要新型的有機(jī)硅導(dǎo)熱灌封膠來(lái)適應(yīng)新的要求[5]。

本研究以低黏度α，ω-二羥基聚二甲基硅氧烷為基膠，配合導(dǎo)熱填料、炭黑、稀釋劑、交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑及催化劑制得一種較低黏度、較高柔韌性和良好粘接性能的LED顯示屏灌封用雙組分有機(jī)硅導(dǎo)熱膠。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

α，ω-二羥基聚二甲基硅氧烷（107膠，黏度為700～800 mm2/s），廣州天疆高新材料有限公司；二甲基硅油（黏度為100、500 mm2/s），道康寧公司；鏈烷烴混合物（10 mm2/s），茂名市宏泰石化有限公司；乙烯基三甲氧基硅烷（A-171）、γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）、γ-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-560）、γ-（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅烷（KH-570）、 N -（β-氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（KH-792）、γ-異氰酸酯基丙基三乙氧基硅（KH-907）：工業(yè)級(jí)，杭州杰西卡化工有限公司；正硅酸乙酯（Si-28）、正硅酸乙酯縮合物（Si-40）、二丁基二月桂酸錫：工業(yè)級(jí)，湖北新藍(lán)天新材料股份有限公司；硅微粉FCJ-402（ d ?50=3～6 μm），廣東金戈新材料股份有限公司；炭黑：工業(yè)級(jí)，上海復(fù)瑞化工有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

JSF-550A型攪拌砂磨分散多用機(jī)，普申檢測(cè)儀器（上海）有限公司；ZYMC-180V型非介入式材料均質(zhì)機(jī)，深圳市中毅科技有限公司；DRL-Ⅲ型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，湘潭湘儀儀器有限公司；WBE-9000B電腦伺服拉力試驗(yàn)機(jī)，廣東威邦儀器科技股份有限公司；NDJ-8S型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，上海精天電子儀器有限公司；LX-A邵氏橡膠硬度計(jì)，重慶里博儀器有限公司。

1.3 膠液及膠片的制備

A組分：稱(chēng)取107膠、稀釋劑、炭黑和導(dǎo)熱填料于容器中，用分散機(jī)分散攪拌均勻，然后用均質(zhì)機(jī)真空脫泡20 s，既得LED顯示屏灌封用導(dǎo)熱膠A組分。

B組分：稱(chēng)取稀釋劑、催化劑、交聯(lián)劑和增粘劑于容器中，用攪拌電機(jī)攪拌均勻，然后用均質(zhì)機(jī)真空脫泡20 s，既得LED顯示屏灌封用導(dǎo)熱膠B組分。

固化膠片：稱(chēng)取一定量的A組分于容器中，再稱(chēng)取A、B組分質(zhì)量10 ∶1的于同一容器中，在均質(zhì)機(jī)上攪拌30 s，并同時(shí)真空脫泡。將混合均勻的導(dǎo)熱膠倒入聚四氟模具中，室溫下固化7 d。力學(xué)性能的測(cè)試膠片制作厚度為（2±0.2）mm，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試用膠片分別制作（2±0.2）、（3±0.2）和（4±0.2）mm的3種厚度的膠片。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 黏度測(cè)試

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2794—2013《膠粘劑黏度的測(cè)定單圓筒旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法》，用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在（23±0.5）℃進(jìn)行測(cè)試。

1.4.2 表干時(shí)間

按GB/T 13477.5—2002標(biāo)準(zhǔn)《建筑密封材料試驗(yàn)方法：表干時(shí)間的測(cè)定》測(cè)試表干時(shí)間。

1.4.3 深度固化性測(cè)試

將A、B組分膠液按10 ∶1混合均勻，真空脫泡20 s，倒入容器中，膠液高度10 cm，室溫固化7 d，測(cè)試從表面到固化部位的厚度。

1.4.4 硬度測(cè)試

按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法：邵氏硬度計(jì)法（ 邵氏硬度） 》測(cè)試室溫固化7 d后膠片的硬度。

1.4.5 密度測(cè)定

按GB/T 533—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠密度的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試室溫固化7 d后膠片的密度。

1.4.6 拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試

按照GB/T 528—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)， 采用智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定。

1.4.7 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

按 ASTM D5470—2012《導(dǎo)熱絕緣材料的熱傳輸特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》 標(biāo)準(zhǔn)用DRL-Ⅲ型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)熱填料的影響

導(dǎo)熱填料主要有金屬、無(wú)機(jī)導(dǎo)熱粒子和碳材料，由于LED顯示屏灌封用導(dǎo)熱膠要求具有一定絕緣性。因此，導(dǎo)熱填料選用無(wú)機(jī)導(dǎo)熱粒子類(lèi)導(dǎo)熱填料，主要無(wú)機(jī)導(dǎo)熱粒子類(lèi)導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱性如表1所示[6-7]。

氮化物和碳化物導(dǎo)熱性很好，但價(jià)格較高；氧化物的導(dǎo)熱性多數(shù)較低，幾種氧化物中SiO 2（硅微粉）導(dǎo)熱率最小，成本最低。由于LED顯示屏灌封用導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱性要求不高，綜合考慮選用SiO 2類(lèi)作為本產(chǎn)品的導(dǎo)熱填料。

由于LED顯示屏灌封用導(dǎo)熱膠除了常規(guī)的LED顯示屏灌封外，還要能應(yīng)用于小間距LED顯示屏灌封，因此，應(yīng)選用粒徑小一些二氧化硅粒子。選用粒徑 d ?50為3～6 μm的硅微粉FCJ-402，其對(duì)導(dǎo)熱膠性能的影響如表2所示。

由表2可見(jiàn)，隨著導(dǎo)熱填料FCJ-402用量增大，導(dǎo)熱膠的拉伸強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)熱系數(shù)和密度都增大;伸長(zhǎng)率先增大后減小。這是由于硅橡膠的聚硅氧鏈較易吸附在硅微粉粒子表面，并使部分鏈節(jié)有序，這樣不僅使硅微粉成為物理交聯(lián)點(diǎn)，而且還能產(chǎn)生結(jié)晶化效果，使硅橡膠強(qiáng)度變大；硅橡膠強(qiáng)度增大，分子鏈間作用力增強(qiáng)，使橡膠不易被拉斷，橡膠的伸長(zhǎng)率增大。但當(dāng)強(qiáng)度繼續(xù)增大，使橡膠分子鏈移動(dòng)受阻，伸長(zhǎng)率將下降；硅微粉表面的羥基與硅橡膠分子鏈上的羥基會(huì)發(fā)生化學(xué)吸附，引起硅橡膠硬度增加，用量越大，硬度將越大。綜合硅橡膠的性能，導(dǎo)熱填料用量在25%～35%為宜。

2.2 稀釋劑的影響

室溫硫化硅橡膠常用的稀釋劑主要有：MDT 型硅油、α，ω-二甲氧基聚二甲基硅氧烷、二甲基硅油、鏈烷烴混合物、烷基芳香族化合物等[8]。這些稀釋劑不參與體系反應(yīng)，因此需要與體系相容性好，避免固化后游離出體系。選用黏度為100 mm2/s和500 mm2/s的2種二甲基硅油和黏度為10 mm2/s鏈烷烴混合物作為稀釋劑進(jìn)行試驗(yàn)，主要試驗(yàn)固化后膠片常溫放置7 d及高溫80 ℃條件下烘3 h后表面是否出油，結(jié)果如表3所示。

由表3可見(jiàn)，當(dāng)100 mm2/s的二甲基硅油用量小于或等于16%時(shí)，制作的膠片不出油；當(dāng)500 mm2/s的二甲基硅油用量小于或等于8%時(shí)，制作的膠片不出油；使用10 mm2/s的鏈烷烴在用量為20%時(shí)也不會(huì)發(fā)生出油問(wèn)題。

低黏度的二甲基硅油優(yōu)于高黏度的二甲基硅油，鏈烷烴混合物優(yōu)于二甲基硅油，表明低黏度的稀釋劑與硅橡膠體系相容性更好。

2.3 增粘劑的影響

選用了幾種含不同官能團(tuán)的偶聯(lián)劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)熱膠固化24 h后的粘接結(jié)果如表4所示。

由表4可見(jiàn)，含氨基的增粘劑對(duì)LED顯示屏粘接效果較好，特別是同時(shí)含有伯氨基和仲氨基的增粘劑KH-792完全滿足LED顯示屏粘接要求。選用KH-550和KH-792復(fù)配，試驗(yàn)了不同用量與比例，對(duì)導(dǎo)熱膠性能影響結(jié)果如表5和圖1所示。

由表5和圖1可見(jiàn)，隨著增粘劑用量的增加，導(dǎo)熱膠的拉伸強(qiáng)度和硬度降低，表干時(shí)間減小，斷裂伸長(zhǎng)率變大，增粘劑KH-550/KH-792質(zhì)量比從0.5 ∶0.5到1.5 ∶1.5，都能實(shí)現(xiàn)很好的粘接。當(dāng)KH-550與KH-792質(zhì)量比大于或等于1.0 ∶0.5時(shí)，深度固化性能良好。

導(dǎo)熱膠灌封后，其中的硅烷偶聯(lián)劑首先水解成硅醇，硅醇中的一個(gè)羥基與基材表面鍵合，增加粘接強(qiáng)度，另外的羥基則與自身的羥基或107膠中的羥基發(fā)生縮合反應(yīng)，增加膠的柔韌性，同時(shí)強(qiáng)度降低。隨偶聯(lián)劑用量增加，表干時(shí)間減小，由于KH-792氨基含量更大，在相同用量時(shí)比KH-550的表干時(shí)間更短。

2.4 交聯(lián)劑的影響

脫醇型雙組分室溫硫化硅橡膠的交聯(lián)劑主要是多官能烷氧基硅烷及硅氧烷，最常用的是正硅酸乙酯或其水解聚合物——聚正硅酸乙酯，選用正硅酸乙酯Si-28和Si-40進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

由表6可見(jiàn)，隨著交聯(lián)劑Si-28和Si-40質(zhì)量比的增大，拉伸強(qiáng)度和硬度增大，斷裂伸長(zhǎng)率減??；當(dāng)交聯(lián)劑總量一定時(shí)，隨Si-40用量的增加，拉伸強(qiáng)度增大，斷裂伸長(zhǎng)率減小，硬度增大；Si-40對(duì)硅橡膠的性能影響大于Si-28。隨著交聯(lián)劑Si-28、Si-40用量增大，聚合物交聯(lián)度增大，聚合物強(qiáng)度和硬度增大，斷裂伸長(zhǎng)率減小。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著導(dǎo)熱填料用量增大，導(dǎo)熱膠的強(qiáng)度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)和密度都增大，伸長(zhǎng)率先增大后減小，導(dǎo)熱填料用量占膠料的25%～35%為宜。

稀釋劑中低黏度的二甲基硅油優(yōu)于高黏度的二甲基硅油，鏈烷烴混合物優(yōu)于二甲基硅油。

含仲氨基的增粘劑對(duì)LED顯示屏有很好的粘接效果。交聯(lián)劑Si-28和Si-40用量增大，拉伸強(qiáng)度和硬度增大，斷裂伸長(zhǎng)率減小。

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