导热电子灌封硅橡胶的研究进展

导热电子灌封硅橡胶的研究进展

吴敏娟,周玲娟,江国栋,王庭慰＊

(南京工业大学材料科学与工程学院,南京21009)

摘要:概述了导热电子灌封硅橡胶的研究背景。综述了导热电子灌封硅橡胶的组成,提高导热电子灌封硅橡胶导热性的途径及灌封工艺,灌封中常见的问题及改进措施,灌封材料的性能要求等,对导热电子灌封硅橡胶未来的研究方向进行了展望。

关键词:导热,灌封,有机硅,硅橡胶中图分类号:T Q333.93 文献标识码:A

文章编号:1009-4369(2006)02-0081-05

收稿日期:2006-01-06。作者简介:吴敏娟(1981—),女,研究生,主要从事有机硅产品的开发。＊联系人。

随着科学技术的发展,电子元件、逻辑电路趋于密集化和小型化;因而对电器的稳定性提出了更高的要求。为了防止水分、尘埃及有害气体对电子元器件的侵入,减缓震动,防止外力损伤和稳定元器件参数,将外界的不良影响降到最低,需对电子元件等进行灌封。电器功率的提高要求灌封料同时具有良好的导热和绝缘性能。因为若热量不能及时传导,易形成局部高温,进而可能损伤元器件、组件,从而影响系统的可靠性及正常工作周期。硅橡胶因其优良的物理化学性能和工艺性能成为灌封料基胶的首选,再加入高导热性填料便能得到导热绝缘的电子灌封硅橡胶。随着工艺的不断成熟,导热电子灌封硅橡胶在装备的防护,尤其是在高压大功率元器件、组件的防护中将起着越来越重要的作用。

1　导热电子灌封硅橡胶的组成

1.1　基胶

目前使用较多的灌封材料是各种合成聚合物。其中以环氧树脂、聚氨酯及橡胶的应用最广[1]。硅橡胶可在很宽的温度范围内长期保持弹性,硫化时不吸热、不放热,并具有优良的电气性能和化学稳定性能,是电子电气组装件灌封的首选材料[2]。

室温硫化(RTV )硅橡胶按硫化机理分为缩合型和加成型[3],按包装形式分为单组分型和双组分型。缩合型RTV 硅橡胶是羟基封端的聚硅氧烷与缩合型多官能团硅烷或硅氧烷在有机

锡、铅等催化剂的作用下,在室温通过缩合反应硫化成缩合型双组分RTV 硅橡胶,特别适宜作深层灌封材料,其硫化时间比单组分RTV 硅橡胶短[4]

。缩合型硅橡胶硫化时通常会放出低分子物;因此,在灌封后应放置一段时间,待低分子物尽量挥发后方可使用。

加成型RTV 硅橡胶是端乙烯基(或丙烯基)的聚硅氧烷与含氢聚硅氧烷在铂催化剂作用下通过硅氢加成反应硫化。此类硅橡胶具有优良的电气强度和化学稳定性,耐候、防水、防潮、防震、无腐蚀且无毒、无味,易于灌注、能深部硫化,收缩率低、操作简单,能在-65～200℃下长期使用;但在使用过程中应注意不要与N 、P 以及金属有机盐等接触,否则胶料不能硫化[4]。1.2　导热填料

常用的导热填料有金属及其氧化物(如铜粉、铝粉,M gO 、Al 2O 3等),非金属及其化合物(如碳纤维、炭黑、AlN 、SiC 等)。这些导热填料各有优缺点,金属以及非金属填料具有较好的导热性和导电性,而其化合物则具有较高的电绝缘性。填料的热导率不仅与材料本身有关,而且与导热填料的粒径分布、形态、界面接触,分子内部的结合程度等密切相关。一般而言,纤维

综述·专论

有机硅材料,2006,20(2):81～85

SI LICON E M A T ERIAL

状或箔片状的导热填料的导热效果更好。

2　提高导热电子灌封硅橡胶导热性的途径

2.1　提高填料的导热性

提高填料的导热性途径除选好填料的种类、形态、粒径及其分布、用量外,还可以从以下几方面着手。

2.1.1　对填料进行表面处理

对填料进行表面处理可以提高填料与基胶的相容性,增加填充量,实现灌封胶导热性大幅度提高。如采用经硅烷偶联剂KH-550、A-151、六甲基二硅氮烷、二甲基二甲氧基硅烷表面处理的刚玉粉填充RTV导热硅橡胶,材料的热导率可从1.16W/(m·K)提高到2.10W/(m·K),导热性能提高近一倍[5]。将表面处理后的SiC、BaSO4和Al粉加到液体硅橡胶中,然后将此混合物放在两个电极间,加上电场,使导热填料取向,可制得导热性能非常好的硅橡胶材料,可用于电子元件和电器[6]。若在硅橡胶中添加金属粉(如Al粉、AlN等)和经硬脂酸表面处理的Al(OH)3粉末,可制得具有高导热性和良好阻燃性能的硅橡胶,其热导率可达到1.095 W/(m·K)[7]。将经过预处理和抗氧化处理后的Cu粉加到硅橡胶中后,虽然硅橡胶的拉伸性能有所下降,但热导率明显增大,约为1.6～1.7 W/(m·K),电绝缘性能为3～4MV/m[8]。David Dean Hirschi指出,在有机硅氧烷中加入质量分数为60%～90%的经硅烷偶联剂进行表面处理的Al粉填料,有机硅弹性体的热导率至少为0.8W/(m·K),甚至可以达到1.5 W/(m·K)[9]。

2.1.2　将填料超细化和纤维化

如果把无机填料的尺寸减小到纳米级,其本身的导热性会因粒子内部原子间距和结构的变化而发生质的变化。如常规氮化铝(AlN)的热导率约为36W/(m·K),而纳米级AlN却为320 W/(m·K)。潘大海等人发现,当粒径为5～20μm的氮化硅(SiN)的用量为150～250份(基体为100份)时,RTV硅橡胶的热导率为0.9 W/(m·K),且物理性能及加工性能良好。相同种类及用量的球形、片状、纤维填料对硅橡胶热导率的影响不同,其中晶须对提高硅橡胶的热导率最有效;球形最差[10]。J.M a等人发现将各种尺寸的碳纤维加到传统的Al2O3中热导率提高大约6倍[11]。

根据Y.Agari等人提出的模型,当填料聚集成的传导块与聚合物传导块在热流方向平行时,热导率最高;因此,制造高取向的填料可大大提高硅橡胶的热导率[12-13]。美国AMOCO公司生产的碳纤维K1100,其轴向热导率高达1100 W/(m·K),加上其负的热膨胀系数、高模量、低密度,使其特别适合于制成高导热及尺寸稳定或热膨胀系数匹配的复合材料[14]。芦时林和英国利兹大学合作研究的中间相沥青碳纤维由于其石墨晶体结构沿纤维轴高度取向,具有极高的热导率[15]。

2.1.3　将不同粒径分布的填料并用

填料的热导率与其颗粒的尺寸比密切相关。当一种粒径均一的粒子以某种形式堆积,再在其中的空隙中加入另一种粒径的颗粒时,可使填料颗粒之间紧密堆砌,形成导热通路。通过特殊的工艺使导热填料间形成隔离分布态时,即使用量很小也会赋予复合材料较高的导热性。

谢择民等人采用不同粒径的α-Al2O3和SiC填充硅橡胶,当填料的总用量为55份时,硅橡胶具有较低的粘度,且硅橡胶硫化后胶料的热导率可达1.48W/(m·K)[16]。汪倩等人使用不同粒径的Al2O3和SiC来制备RTV导热硅橡胶,发现不同粒径填料的组成变化时,体系的导热性和粘度会发生规律性的变化,在填料粒径分布适当时,可同时获得最高的热导率和最低的体系粘度[17]。B.Dalbe在羟基封端的硅氧烷中加入交联剂、催化剂及体积分数为35%～70%的导热填料,制得的硅橡胶热导率超过1.2 W/(m·K)[18]。

2.2　改善加工工艺

决定灌封硅橡胶导热性的另一个主要因素是其加工工艺[19]。

复合材料成型过程中的温度、压力、填料及各种助剂的加料顺序也会对材料的导热性能产生明显的影响,如热硫化硅橡胶的热导率大多数高于RTV硅橡胶[20]。这一方面是由于RTV硅橡胶要求具有较好的工艺操作性能,所以胶料的粘度不能太大,因此不能加入太多的导热填料;另

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　·有机硅材料第20卷