有機硅導(dǎo)熱灌封膠的研究進(jìn)展

摘 要：有機硅導(dǎo)熱灌封膠作為一種性能優(yōu)異的密封材料，在很多的工業(yè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，有機硅導(dǎo)熱灌封膠憑借其良好的導(dǎo)熱性，優(yōu)異的防護(hù)性在電子元器件的灌封保護(hù)方面得到大量應(yīng)用。電子器件在使用過程中發(fā)熱越來越多，進(jìn)而對散熱的要求越來越高，所以對灌封膠提出越來越多的要求。對于高導(dǎo)熱、低粘度、低密度、具有阻燃功能并且粘接可靠的導(dǎo)熱灌封膠的需求是一個趨勢，圍繞導(dǎo)熱灌封膠的性能改進(jìn)，概述了有機硅導(dǎo)熱灌封膠性能改進(jìn)方面的研究工作，并對未來的發(fā)展方向做出了展望。

關(guān)鍵詞：有機硅；導(dǎo)熱灌封膠；研究進(jìn)展

中圖分類號：

TQ437+.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0061-03

Research progress of organic silicone thermally conductive potting adhesive

YANG Zhen，LI Yujie，ZHAO Jingduo，ZHANG Zhen，YANG Xiaoke ，ZHANG Yanhong

（Zhengzhou Zhongyuan Silande High Technology Co.，Ltd.，Zhengzhou 450007，China）

Abstract：Organic silicone thermally conductive potting adhesive is a kind of sealing material with excellent performance，which has applications in many industrial fields.Organic silicone thermally conductive potting adhesive has been widely used in the sealing and protection of electronic components due to its good thermal conductivity and excellent protection.Electronic devices generate more and more heat during use，which leads to higher and higher requirements for heat dissipation，so more and more requirements are put forward for potting compounds.The demand for high thermally conductivity，low viscosity，low-density，flame-retardant function and reliable bonding is a trend.Focusing on the performance improvement of thermally conductive potting compounds，the research work on the performance improvement of organic silicone thermally conductive potting adhesives was summarized，and the future development direction was prospected.

Key words：organic silicon; thermally conductive potting adhesive; research advance

隨著現(xiàn)代電子科技的快速發(fā)展，電子元器件的微型化以及元器件功率的提升，對電子電器散熱問題的要求變得越來越高。對于此類問題，常用的方法是使用具有導(dǎo)熱性能的灌封膠，導(dǎo)熱灌封膠可將電子元器件在使用過程中產(chǎn)生的熱量有效地傳到殼體，同時還起到固定、防水、防塵和防震的作用。有機硅灌封膠具有良好的脫泡性，與天然橡膠及其他合成橡膠相比，其特殊的硅氧主鏈結(jié)構(gòu)使其在防震性能、電性能、防水性能、耐高低溫性能、防老化性能等方面表現(xiàn)優(yōu)異，并在航空航天、電子電器、化工、機械、建筑、交通運輸?shù)确矫娴玫搅藦V泛的應(yīng)用［1-3］。

1 導(dǎo)熱體的研究

目前，改善導(dǎo)熱灌封膠的導(dǎo)熱性能同時保證低黏度的方法：一般采用導(dǎo)熱粉體的復(fù)配和粉體表面處理。以Al2O3做熱填料，研究了其不同粒徑的配比及添加KH-570偶聯(lián)劑對灌封膠性能的影響，發(fā)現(xiàn)Al2O3的粒徑越大，灌封膠的熱導(dǎo)率越大，但拉伸強度和扯斷伸長率減小［4］。當(dāng)粒徑分別為18 μm和5 μm的 Al2O3按質(zhì)量比120∶80復(fù)配時，灌封膠導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.716 W/（m·K），且對灌封膠的黏度和力學(xué)性能基本沒影響，KH-570偶聯(lián)劑的加入可提高力學(xué)性能，但會降低灌封膠的導(dǎo)熱系數(shù)。采用計算機模擬的方法，建立了氮化鋁（AlN）增強有機灌封硅橡膠的三維有限元模型，對不同填充量的導(dǎo)熱灌封膠的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果顯示，灌封膠的導(dǎo)熱系數(shù)隨著AlN含量的增加而增大，并且質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%時增大的幅度越來越大；填料粒徑呈正態(tài)分布時，能夠在硅橡膠基體中有效堆積而提高填充量；2種粒徑比例不同時，導(dǎo)熱系數(shù)也不同［5］。將不同粒徑的球形氧化鋁合理復(fù)配使用進(jìn)一步提高填充量，形成更高效的導(dǎo)熱通路，并具有良好的流動性能，制備得到的有機硅灌封膠導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到2.08 W/［6］。以碳化硅（SiC）、Al2O3、碳化硅晶須（SiCw）、碳納米管（CNT）為導(dǎo)熱填料，從增加填料添加量、填料粒度復(fù)配、添加纖維狀高導(dǎo)熱填料等角度出發(fā)來提高灌封膠的導(dǎo)熱性能，制備了加成型液體導(dǎo)熱灌封膠復(fù)合材料［7］。

2 粘接性能的研究

為保證取得良好的粘接效果，常用的方法是向其中加入合適的偶聯(lián)劑或增粘劑。采用聚合的方法制備了2類含有活性反應(yīng)基團(tuán)的增粘劑，含有硅氫鍵和環(huán)氧基團(tuán)的增粘劑，含有乙烯基和環(huán)氧基團(tuán)的增粘劑。利用合成的增粘劑配合Al2O3和Al（OH）3制備了一種具有導(dǎo)熱、阻燃、粘接型的導(dǎo)熱灌封膠，并取得了良好的散熱和防護(hù)效果［8］。對比了各種常見偶聯(lián)劑及自制了2種類型的增粘劑對粘接的影響，發(fā)現(xiàn)乙烯基三甲氧基硅烷（A171）、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑（KH570）均能對粘接有較好的改善作用，而γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）則不能大幅提高灌封膠的粘接性能［9］。以1，6-己二醇二甲基丙烯酸酯 （HDDMA） 、四甲基四氫基環(huán)四硅氧烷（D4H）為原料合成增粘劑，并通過調(diào)整乙烯基硅油和含氫硅油的比例，制備了對鋁、PCB、PC良好效果的導(dǎo)熱灌封膠［10］。采用乙烯基三甲氧基硅烷及γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的混合物為偶聯(lián)劑，并添加三羥甲基丙烷二烯丙酯、γ-環(huán)氧丙氧丙基三甲氧基硅烷及正硅酸乙酯的反應(yīng)產(chǎn)物作增粘劑，以氧化鋁和氫氧化鋁為導(dǎo)熱填料制備了一種自粘型導(dǎo)熱灌封膠，所得灌封膠在90 ℃下加熱使用，可以對PC及鋁具有良好的粘接效果［11］。采用正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷、γ-（2，3-環(huán)氧丙氧基）丙基三甲氧基硅烷為原料制備了一種增粘劑，配合氧化鋁、氮化鋁導(dǎo)熱填料，并采用微膠囊鉑金催化劑，制備了一種單組份加成型導(dǎo)熱灌封膠，此種灌封膠的導(dǎo)熱系數(shù)為1 W/（m·K），對鋁的剪切強度可達(dá)2 MPa，綜合性能優(yōu)異［12］。

3 阻燃性能的研究

阻燃劑的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的歷史，從鹵系阻燃劑到磷系阻燃劑、氮系阻燃劑，金屬氫氧化物阻燃劑再到近年來膨脹型阻燃劑、納米阻燃劑和生物基阻燃劑［13］。目前采用的阻燃劑是以金屬氫氧化物（如氫氧化鋁）及其無鹵阻燃劑為主。以氫氧化鋁為阻燃劑研究了不同添加量對阻燃性能和黏度的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧化鋁65份時即可實現(xiàn)UL94V0阻燃等級，而繼續(xù)添加對膠的黏度增加較大［16］。研究了氫氧化鋁不同粒徑及不同比例的添加，對灌封膠黏度及阻燃性能的影響，發(fā)現(xiàn)氫氧化鋁比例越大其阻燃效果越優(yōu)，粒徑越小對灌封膠的補強效果越好，增粘效果越明顯，最終以5 μm粒徑氫氧化鋁為阻燃劑制備了FV-0等級的導(dǎo)熱灌封膠［17］。采用氧化鋁為導(dǎo)熱填料，以氫氧化鋁為阻燃劑，制備了無鹵導(dǎo)熱灌封膠，并確定了添加量為60份時，可以達(dá)到較好的綜合性能［18］。在采用氫氧化鋁作為阻燃劑的基礎(chǔ)上，選擇有機硅阻燃劑DC8008添作為復(fù)配，研究發(fā)現(xiàn)在保證阻燃性能的基礎(chǔ)上采用2種阻燃劑復(fù)配的方法，可減少阻燃填料的用量。氫氧化鋁復(fù)配氧化鋁作為填料制備阻燃導(dǎo)熱灌封膠的方法為大多數(shù)人采用，然而也有其不足［19］。為克服不足之處，以十六烷基三甲氧基硅烷為改性劑處理氧化鋁作為導(dǎo)熱填料，二乙基次膦酸鋁（ADP）為阻燃劑，制得導(dǎo)熱阻燃絕緣有機硅電子灌封膠，該膠的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)2.12 W/（m·K），具有更好的熱穩(wěn)定性能，且黏度小［20］。

4 輕量化研究

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，新能源電池系統(tǒng)的散熱及保護(hù)受到了越來越多的關(guān)注。為實現(xiàn)導(dǎo)熱灌封膠輕量化的要求，以端乙烯基聚二甲基硅氧烷、含氫硅油為基礎(chǔ)聚合物，十二烷基三甲氧基硅烷處理的氫氧化鋁及石英粉為導(dǎo)熱填料，配以空心玻璃微珠，制備了一種低密度阻燃導(dǎo)熱型有機硅灌封膠，該膠硫化后密度為1.28 g/cm3，熱導(dǎo)率為0.53 W/（m·K），電氣強度為21 kV/mm，垂直燃燒等級達(dá)到FV－0級，可滿足動力電池系統(tǒng)灌封用膠的指標(biāo)要求［22］。以空心玻璃微珠為研究對象，考察了不同規(guī)格、不同含量中空玻璃微珠添加量對導(dǎo)熱灌封膠材料密度、黏度及熱導(dǎo)率的影響，研究發(fā)現(xiàn)大粒徑的空心玻璃微珠對密度的降低效果更明顯，但同時導(dǎo)致灌封膠整體黏度的增加和導(dǎo)熱系數(shù)的降低［23］。則采用不同粒徑的氧化鋁進(jìn)行復(fù)配作為低密度導(dǎo)熱填料加入到灌封膠中，制備得到密度為1.18 g/cm3，熱導(dǎo)率為 0.7 W/（m·K）的低密度阻燃導(dǎo)熱灌封膠，可滿足電動汽車電池的灌封要求［24］。

5 防沉降性能

為解決沉降問題，常用的是向其中加入防沉常用的防沉降劑有納米碳酸鈣、鋰基膨潤土、中空玻璃微珠、

氣相法白炭黑、滑石粉、氮化硼、有機凝膠等［26-27］，此外還有對粉體表面進(jìn)行改性的方式。采用乙烯基三甲氧基硅烷為粉體處理劑，所選的導(dǎo)熱粉體為5 μm與18 μm硅微粉按質(zhì)量比 1∶4的復(fù)配粉，然后通過高速分散工藝將導(dǎo)熱粉體均勻地分散在灌封膠中，制備的有機硅灌封膠黏度低、流動性好、防沉降性能佳，熱導(dǎo)率約為1 W/（m·K）［28］。對比了不同偶聯(lián)劑處理硅微粉對灌封膠沉降性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)采用KH550處理的硅微粉制備的導(dǎo)熱灌封膠具有較好的防沉降效果，沉降物平均質(zhì)量為35 g，表現(xiàn)為膠料的力學(xué)性能和抗沉降效果提高［29-30］。對比了鋰基膨潤土、有機凝膠、氣相法白炭黑及炭黑4種防沉降劑對灌封膠在放置過程中的油粉分離程度的影響以及優(yōu)選材料的后處理工藝，實驗發(fā)現(xiàn)氣相法白炭黑的防沉降效果最好，且用硅氮烷處理的氣相法白炭黑不僅防沉降效果佳且對灌封膠黏度的增加要小于未處理的白炭黑［31-32］。

6 結(jié)語

有機硅導(dǎo)熱灌封膠作為一種性能優(yōu)異的密封材料，在很多的工業(yè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，電子器件在使用過程中發(fā)熱越來越多，進(jìn)而對散熱的要求越來越高，所以對灌封膠提出越來越多的要求。對于高導(dǎo)熱、低粘度、低密度、具有阻燃功能并且粘接可靠的導(dǎo)熱灌封膠的需求是一個趨勢，當(dāng)然有些性能的共存是個矛盾，如高導(dǎo)熱和低黏度，導(dǎo)熱填料的增加勢必會增加灌封膠的黏度，因而需要選擇不同類型、粒徑的粉體，有的時候還需要對粉體進(jìn)行表面改性，而偶聯(lián)劑的選擇及處理工藝又是粉體表面處理的關(guān)鍵步驟，這就需要把原料生產(chǎn)廠家與使用廠家緊密聯(lián)系在一起，原料生產(chǎn)廠家需要了解使用廠家的具體需求，并進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)；而使用廠家需即時了解上游原料端粉體廠家及硅膠助劑生廠商的最新相關(guān)產(chǎn)品，二者相互溝通，共同促進(jìn)導(dǎo)熱灌封膠的性能改進(jìn)，滿足市場需求。

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