大功率設備用導熱阻燃灌封膠的研制

賈立元,趙 潔,劉秋艷，周 健

(唐山三友硅業有限責任公司,河北省有機硅新材料技術創新中心，河北 唐山 063305)

加成型硅橡膠是用硅原子上帶乙烯基的硅氧烷與帶氫的硅氧烷在過渡金屬化合物(如鉑催化劑)作用下進行加成反應而交聯成高分子硅橡膠，它是一種重要的電子封裝材料，具有絕緣、導熱、耐高溫、耐老化性等優點[1]，是電子工業不可缺少的材料。

隨著電子工業的快速發展，電源模塊向小型化以及大功率化方向發展，工作溫度越來越高，散發熱量也就越來越多，因此對灌封膠的導熱性能和阻燃性能也提出了更高的要求。本文以乙烯基含量為0.59%的端乙烯基硅油為基礎聚合物，含氫硅油為擴鏈劑和交聯劑，鉑絡合物為催化劑，以氫氧化鋁和氧化鋁作為補強填料，制備一種具有導熱和阻燃性能的有機硅灌封膠，可滿足大功率設備的灌封要求。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

端乙烯基硅油(乙烯基含量0.59%，揮發分<1%)，自制；含氫硅油，自制；鉑催化劑(5000×10-6)，蘇州市貝特利高分子材料股份有限公司；氧化鋁，廣東樂圖新材料有限公司；氫氧化鋁，淄博萬斗新材料有限公司；乙炔基環己醇(ECH)，湖北手性化工助劑有限公司。

1.2 主要儀器和設備

數顯黏度計(NDJ-8S)，上海方瑞儀器有限公司，動力混合機(DLH)，佛山市邦德仕機械設備有限公司；平板硫化機(QLB-50)，無錫市中凱橡塑機械有限公司；硬度計，上海精密儀器有限公司；拉力機，高鐵檢測儀器有限公司；電壓擊穿試驗儀，北京中航時代儀器設備有限公司；導熱系數測定儀(TPS500S)，HOT DISK；水平垂直燃燒測定儀(CZF-5)，北京中航時代儀器設備有限公司；體積表面電阻率測試儀(BEST-212)，北京北廣儀器設備有限公司。

1.3 灌封膠制備

A組分膠料配制：將端乙烯基硅油、氧化鋁和氫氧化鋁按配比在動力混合機中混合均勻，升溫至120℃，抽真空至-0.1MPa脫出水分和小分子，攪拌2h。真空攪拌下冷卻至40～50℃，加入鉑催化劑攪拌30 min。

B組分膠料配制：將端乙烯基硅油和氧化鋁按配比在動力混合機中混合均勻，升溫至120℃，抽真空至-0.1MPa脫出水分和小分子，攪拌2h。真空攪拌下冷卻至40～50℃，向攪拌缸內加入含氫硅油和炭黑，真空攪拌30 min。

將A、B組分膠料(質量比1∶1)混合均勻，真空條件下脫泡15 min，倒入模具，150℃平板硫化機中硫化35 min，再150℃烘箱中進行硫化3h得到膠片。

2 結果與討論

2.1 氧化鋁形貌對灌封膠黏度的影響

有機硅橡膠的導熱性能主要依靠導熱填料的填充量和導熱性能[2]。氧化鋁是常用的導熱填料，具有較好的絕緣性好、熱穩定性及導熱率。氧化鋁形貌不同，其結構穩定性也不相同，目前市場上使用最多的氧化鋁通常承片狀，橢球狀和不規則狀[3]。表1考察了片狀、不規則狀和球狀氧化鋁對灌封膠性能的影響，結果如表1所示。

表1 氧化鋁形貌對灌封膠性能的影響

由表1可以看出，球狀氧化鋁相較于不規則狀和片狀氧化鋁，膠料的黏度小，流動性好。這是因為球狀結構易于堆積緊密，所以抗壓能力強，結構穩定性強，且表面能小，顆粒之間不容易粘結，流動性好。而片狀氧化鋁易于形成橋狀網絡，填料顆粒之間容易粘附，造成流動阻力大，但對灌封膠的導熱率貢獻較大。綜合考慮灌封膠的整體性能，選擇球狀氧化鋁為宜。

2.2 不同粒徑氧化鋁復配比例對灌封膠黏度的影響

采用相同填充量的氧化鋁填料，填料粒徑對灌封膠的機械強度、流動性及阻燃等性能均有影響。小粒徑填料具有更好的補強效果，但膠料的流動性較差；大粒徑填料制得的膠料流動性好，黏度小，但力學性能較差。采用不同粒徑的氧化鋁進行復配使用，可增加顆粒間的接觸面積，進而改變灌封膠的流動性和力學性能。表2考察了不同粒徑的氧化鋁進行復配使用對灌封膠黏度的影響。

表2 不同粒徑氧化鋁復配對膠料黏度的影響

由表2可知，氧化鋁1粒徑小于40μm，氧化鋁2粒徑小于10μm時膠料的流動性較差，隨著氧化鋁粒徑的增大，膠料的黏度逐漸減小，流動性變好，但力學性能變差。綜合考慮膠料的黏度、流動性和膠片的力學性能，選擇40μm球形氧化鋁和10μm球形氧化鋁復配使用效果最好。

2.3 復配氧化鋁用量對灌封膠性能的影響

氧化鋁作為導熱填料，其用量增加可有效提高灌封膠的導熱系數，但用量過多又會造成灌封膠的流動性能變差，黏度增大。表3固定氧化鋁1和氧化鋁2配比，考察了復配氧化鋁用量對灌封膠性能的影響。

表3 復配氧化鋁用量對灌封膠性能的影響

由表3可知，隨著復配氧化鋁用量的增加，膠料的導熱系數增大，黏度增大。當氧化鋁用量大于440份時，膠料流動性開始變差。考慮灌封膠的綜合性能，選擇430份的氧化鋁相對較好。

2.4 氫氧化鋁用量對灌封膠性能的影響

氫氧化鋁是一種對環境友好的無機阻燃填料，具有導熱和阻燃雙重優勢。受熱時會釋放結晶水，吸收大量熱量，從而降低硅橡膠的溫度；汽化后又能降低可燃氣體濃度，減小燃燒速率，還可避免灰燼和煙氣形成[4]。氫氧化鋁用量越大，其阻燃效果越好，但會造成膠料流動性能變差且生產成本增加，表4考察了氫氧化鋁用量對灌封膠性能的影響。

表4 氫氧化鋁用量對灌封膠性能的影響

由表4可知，氫氧化鋁用量為65份時，灌封膠流動性好，阻燃等級能達到UL94-V0；當氫氧化鋁用量超過70份時，膠料的流動性變差；綜合考慮灌封膠的成本及其他性能，選擇氫氧化鋁用量65份為宜。

2.5 導熱阻燃灌封膠的性能

按照以上配方進行優化后，制得加成型導熱阻燃灌封膠，其性能指標見表5。

表5 導熱阻燃灌封膠的性能

由表5可知，制得的灌封膠流動性好、黏度低、導熱系數高、阻燃性能好，具有較好的綜合性能。

3 結論

制備一種具有導熱和阻燃性能的有機硅灌封膠，研究了氧化鋁和氫氧化鋁對灌封膠導熱性能、阻燃性能及其它性能的影響。結果表明：端乙烯基硅油100份，含氫硅油35份，鉑催化劑質量分數為8×10-6，1%ECH 2份，復配球形氧化鋁(40μmAl2O3與10μmAl2O3質量比為2∶1)430份，氫氧化鋁65份，制得的灌封膠黏度低、流動性好，導熱系數1.10W/m·K，阻燃等級UL 94-V0，可滿足大功率設備的灌封要求。