加成型导热电子灌封胶的研制

王轲，王成雷，徐晓明，孔建安

（1.浙江新安化工集团股份有限公司，浙江 建德 311600，2.浙江新安迈图有机硅有限责任公司，浙江 建德 311600）

加成型硅橡胶是一种具有三维网状结构的弹性体。它的获取一般以含乙烯基的聚二甲基硅氧烷为基胶，以含氢硅油为交联剂，通过铂系催化剂的作用，发生硅氢加成反应，最终获取成品。其产品具有很多优异的特点，例如优异的耐高低温、耐候、电绝缘性能，在硫化过程中可不放出低分子副产物，收缩率极小，可深度固化，且交联结构易控制，产品既可在常温下硫化，又可加热硫化。因此，它被认为是电子电气组装件灌封的首选材料［2］。但其产品同样存在缺点，例如它的导热性差，导热系数仅有0.2 W/（m·K）左右，造成电子设备产生的热量无法及时散发出去，降低了电子元器件的可靠性和寿命。据统计，电子元器件的温度每升高2℃，可靠性下降10%；50℃时的寿命只有25℃时的 1/6［3］。 因此，制备导热型有机硅电子灌封胶具有非常重要的意义。

采用加成型硅橡胶做导热电子灌封胶，需添加大量的导热填料。目前在有机硅领域所使用的导热材料多数为氧化铝、氧化硅、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅等。尤其是以微米氧化铝、硅微粉为主体，纳米氧化铝、氮化物作为高导热领域的填充粉体。而氧化锌大多作为导热膏（导热硅脂）填料用［4］。氮化硼（BN）导热系数高达 125 W/（m·K），但其价格昂贵，且单独使用时体系粘度急剧上升；α-氧化铝（α-Al2O3）的导热系数仅有 30 W/（m·K），但其价格较低，可大量填充，并且增粘现象不显著。本研究选用不同的Al2O3和BN作为导热填料，研究了其种类、用量和配比对加成型灌封胶导热性能的影响。

1 实验

1.1 主要原料及仪器设备

α，ω-二乙烯基聚二甲基硅氧烷（粘度500 mPa·s、乙烯基摩尔分数 1.2%）、端含氢硅油（活性氢含量分数0.3%）、铂催化剂，浙江新安化工集团股份有限公司；氢氧化铝：25 μm，佛山维科德化工材料有限公司；Al2O3：α 型、β 型、γ 型，2.5 μm、5 μm、40 μm，佛山华雅超微粉体有限公司；氮化硼：六方、菱方、立方，丹东市化工研究所有限责任公司。

双行星混合搅拌机：KXJ-2L，无锡科越化工机械厂；旋转粘度计：BROOKFIELD RV，美国BROOKFIELD公司；高速剪切分散机：GFJ-0.8，江阴市双叶机械有限公司；硬度计：LX-A，上海六菱仪器厂；厚度计：HD-10，上海化工机械四厂；拉力试验机：XL-250A，广州实验仪器厂；导热系数测定仪，DRL-Ⅲ，湘潭湘仪仪器有限公司。

1.2 电子灌封胶的配制

基料的制备：将一定量的端乙烯基硅油、导热填料加入双行星混合搅拌机，真空混合2 h。

Ⅰ组分的制备：在常温下，取100份基料，加入适量的铂催化剂，在高速剪切分散机的作用下充分搅拌10 min。

Ⅱ组分的制备：在常温下，取100份基料，加入适量的含氢硅油，依据室温条件决定是否加入少量抑制剂，在高速剪切分散机的作用下充分搅拌10 min。

使用时，将Ⅰ、Ⅱ组分按1：1的质量比混合即得电子灌封胶。

1.3 试样的制备

将Ⅰ、Ⅱ组分按1：1的质量比在高速剪切分散机的作用下混合均匀，置于真空干燥箱中真空脱泡10 min，然后倒入模具中室温固化24 h，制成试片，并测试各项性能。

1.4 性能测试

粘度：按GB/T 2794-1995用旋转粘度计测定；邵A硬度：按GB/T 531-1999测定；拉伸强度和断裂伸长率：按GB/T 528-009测定；导热系数：按ASTM D5470测定。

2 结果与讨论

2.1 Al2O3的变体种类对加成型灌封胶性能的影响

在Al2O3用量相同的情况下，其变体种类对灌封胶性能的影响如表1所示。

表1 Al2O3的变体种类对灌封胶性能的影响

Al2O3有多种变体，不同的变体其性能不同，常见的是α型、γ型，两者都是白色晶体。自然界中的刚玉是α型，属于六方最密堆积，熔点、硬度高，不溶于酸碱，耐腐蚀，绝缘性好。β型有离子传导能力，不常见。

由表1可知，不同变体的Al2O3在相同填充量下，制得的灌封胶的黏度和力学性能均很接近；但是导热系数差异明显，α型的体系最高、γ型居中、β型最低。这可能是由于在α型氧化铝的晶格中，离子为六方紧密堆积，空隙和缺陷较少，使得灌封胶体系在传热时不至于中断，减少传导热量的损失，从而表现出较高的导热系数。

2.2 α-Al2O3的粒径对加成型灌封胶性能的影响

在α-Al2O3用量相同的情况下，其粒径对灌封胶性能的影响如表2所示。

表2 α-Al2O3粒径对灌封胶性能的影响

由表2可以发现，α-Al2O3粒径越大，灌封胶的导热系数越高。这是由于大粒径导热填料的比表面积小，受到的接触热阻较小［5］，但拉伸强度和断裂伸长率减小；当粒径小到2.5 μm，导热系数有所增大，这是由于导热填料的填充量达到一定值时，粒径越小，粒体之间的距离越小，所以导热系数越高［6］。 40 μm 的 α-Al2O3填充得到的灌封胶沉降现象十分严重，不适宜用作灌封胶的导热填料。

2.3 BN的种类对加成型灌封胶性能的影响

选用BN作为导热填料，考察其晶体类型对灌封胶性能的影响，结果如表3所示。从表3可以看出，不同晶体类型的BN，添加份数相同时，灌封胶的粘度、硬度、拉伸强度和断裂伸长率均比较接近，这是由于BN的晶体类型虽然不同，但是粒径相同，对灌封胶体系的增稠和增粘特性相似。可是，在相同的添加份数下，不同晶体类型的BN做出的灌封胶的导热系数差别较大，立方BN做出的灌封胶的导热系数最高，这可能是由于其立方型的晶体形状在该灌封胶体系中有利于紧密排列，便于形成导热通路，从而提高体系的导热系数。

BN的种类黏度/mPa·s硬度/邵A拉伸强度/MPa断裂伸长率/%导热系数/W/(m·K)六方 5600 35 1.03 77 0.35菱方 5300 34 1.12 70 0.41立方 5500 36 1.31 80 0.67

2.4 α-Al2O3与立方BN并用对加成型灌封胶性能的影响

固定2.5μm的α-Al2O3的用量为150份，BN的用量对灌封胶性能的影响见表4。

表4 α-Al2O3与立方BN并用对灌封胶性能的影响

由表4可见，随着立方BN用量的增大，灌封胶的黏度有所变化，拉伸强度和断裂伸长率有所增加，但并不显著；但当立方BN的用量超过1份时，体系的黏度和硬度均有一个较大幅度的增长，而断裂伸长率也下降明显。

从表4还可见，α-Al2O3和立方BN并用可以明显提高灌封胶的导热系数，且BN的添加量越大导热系数越高；但当BN的添加量超过1份以后，灌封胶体系的导热系数增大较小，而粘度却又较明显地增长，因此，适宜的立方BN添加量为0.8～1份。

3 结论

以端乙烯基硅油为基胶、含氢硅油为交联剂、α-Al2O3与 立方BN为导热填料，制得加成型导热电子灌封胶。不同变体的Al2O3制备出的灌封胶的黏度和力学性能相接近，但是α型Al2O3体系的导热系数最高，并且粒径越大，灌封胶的导热系数越大，但拉伸强度和断裂伸长率减小，适宜的α-Al2O3粒径为 2.5 μm 或 5 μm；立方 BN 更有利于提高该灌封胶体系的导热系数；α-Al2O3用量相同时，随着BN用量的增加，灌封胶的导热系数先增后减，本体系中，当α-Al2O3的添加量为150份，在此基础上再添加0.8～1份立方BN可较大幅度地提高灌封胶的导热系数，且对其粘度和力学性能基本无影响，当150份2.5 μm的α-Al2O3搭配1份的立方BN时，灌封胶的导热系数达到0.70 W/（m·K）。

［1］戚云霞，赵士贵，姜伟峰，等.加成型室温硫化硅橡胶的研究进展［J］.有机硅材料，2006，20（1）：34-37.

［2］吴敏娟，周玲娟，汪国栋，等.导热电子灌封硅橡胶的研究进展［J］.有机硅材料，2006，20（2）：81-85.

［3］周玲娟，王庭慰.导热室温硫化硅橡胶的研究进展［J］.合成橡胶工业，2007，30（6）：475-479.

［4］李冰.氧化铝在导热绝缘高分子复合材料中的应用［J］.塑料助剂，2008，12（3）：14-16.

［5］赵红振，齐暑华，周文英.氧化铝粒子对导热硅橡胶性能的影响［J］.特种橡胶制品，2007，28（5）：19-21.

［6］张军营，冒小峰.橡胶基导热复合材料中填充粉体粒径对导热性能的影响 ［J］.化工新型材料，2009，37（10）：43-45.

［7］陈琪，卢咏来，丁雪佳，等.氧化铝/MVQ导热复合材料的结构与性能 ［J］.橡胶工业，2008，55 （10）：581-587.

［8］Mu QH，Feng SY，Diao GZ.Thermal conductivity of silicone rubber filled with ZnO ［J］.Polym Compos，2007，28：125-130.