電子灌封膠研究進展

關鍵詞：電子灌封膠；環氧樹脂灌封膠；聚氨酯灌封膠；有機硅灌封膠；綜合性能

中圖分類號：TQ433.4'37" 文獻標志碼：A 文章編號：1001-59（05）05-0017-04

Abstract：With thedevelopment of power electronic components to high-power miniaturization，electronic devices putforward higher performance requirements for electronic poting compounds.Epoxy resin potting compound，polyurethane poting compound and silicone poting compound have good thermal conductivity，excelent insulation，low thermal expansion coeffcient，low viscosity，strong flame retardant ability，andhave reliablecomprehensive properties such as strength，hardness，toughness，temperatureand weather resistance，etc.，which have atracted the attentionof he electronics industryand have been widely used in the fieldof electronic components.The development of high-performance electronic potting adhesives with“excelent thermal conductivity，high strength，good toughness and strong comprehensive performance”has become the focus and hot spot of current research.This paper reviews theresearch progress of electronic poting compounds，introduces the types of electronic poting compounds，andelaborates the performance control methods and applications of electronic potting compounds，and puts forward insights on the future research and development direction of electronic potting compounds.

Key words： electronic encapsulants ； epoxy resin encapsulants； polyurethane encapsulants； silicone encapsulants； overall properties

高功率、小型化是當今電力電子元件的發展趨勢，這就對配套使用的電子灌封膠提出了更加苛刻的要求[1]。電子灌封膠在電子元件的熱量導出、抗振動和抗電絕緣等方面發揮了積極的作用。

電子灌封膠是一種極為重要的電子材料。可幫助電子器件散熱，抵抗外界沖擊和振動，增強抗電強度，實現電子器件的小型化和輕量化目標。常用的高性能電子灌封膠主要有：環氧樹脂灌封膠、聚氨酯灌封膠和有機硅灌封膠[2]

綜述了電子灌封膠的研究進展及其性能調控，并對其未來的研究方向和發展趨勢進行了展望，為實現電子灌封膠的進一步研究開發和應用提供思路。

1 環氧樹脂灌封膠

環氧樹脂灌封膠在連接器、微電路模塊和各類電子設備的灌封中應用廣泛。環氧樹脂灌封膠具有較高的強度、硬度和耐溫性能。眾多學者進行了導熱率提升、韌度增加和熱膨脹系數降低等方面的研究。將經過KH-550偶聯劑處理后的粒徑為 10～30μm 的空心玻璃微珠填充到環氧樹脂灌封膠中，如圖1所示。

相比于純環氧樹脂灌封膠，填充 2% 的經KH-550偶聯劑處理后的空心玻璃微珠時，沖擊強度可提高30%，而彎曲強度可提高34.2%[3]

微米級AIN可以更加均勻地在灌封膠基體中分布，提高環氧樹脂灌封膠的導熱性能，如圖2所示。

在圖2中，左圖為加入未進行表面處理的微米AIN灌封膠的沖擊斷面SEM電鏡圖，右圖為加入用KH-550偶聯劑處理過的微米AIN灌封膠的沖擊斷面圖[4]。

有研究人員將填充到環氧樹脂灌封膠中的填料替換成經硅烷偶聯劑KH-560進行表面改性的 無機導熱材料，如圖 所示。

用量為 1.25% 的硅烷偶聯劑對 無機導熱填料進行表面改性時，環氧樹脂灌封膠綜合性能最佳。當灌封膠基體中 顆粒的填充量達 80% 時，導熱系數可達

周錦強等在環氧灌封膠中添加粒徑為 5～ 15um的經過 KH-560 硅烷偶聯劑改性的氮化硼顆粒，可將膠體的熱導率提升至

含硅烷偶聯劑表面改性的硅微粉的環氧灌封膠SEM圖如圖4所示。

將經硅烷偶聯劑表面改性后的硅微粉填料均勻地分散在環氧樹脂中，線脹系數可從 降到 ，且其拉伸強度可從 60.8MPa 提高到70.9 MPa[8]

可見，在灌封膠基體中，可添加玻璃微珠、AIN顆粒 顆粒、 顆粒和硅微粉等，加上偶聯劑或 znO 的表面預處理，可以大幅提升沖擊強度、彎曲強度、導熱率、拉伸強度和降低線脹系數，提升膠體的綜合性能。

填充氫氧化鋁、氮化硼和空心玻璃微珠等到端乙烯基聚二甲基硅氧烷中，可以幫助鋰電池包工作時產生的熱量迅速導出到外界[9]

而提高環氧樹脂灌封膠的韌性也是許多學者的研究目標[10]。采用端羧基丁腈橡膠（CTBN）作為活性增韌劑是改善韌性的另一種途徑。

不同組分CTBN增韌環氧樹脂的SEM照片對比如圖5所示。

如圖5所示，當加入CTBN的質量分數為 15% 時，增韌效果可顯著提高；當加入高達 55% 的CTBN時，增韌效果驟降[]。通過加入端羥基丁腈橡膠、聚硫橡膠、納米氧化鋁對環氧灌封膠均有增韌作用，可以提高膠體沖擊、壓縮強度[12]。這為電子的灌封膠的增韌理論提供了廣闊的思路，與端羥基丁腈橡膠、聚硫橡膠和納米氧化鋁接近或者類似結構的材料，可以作為增韌劑進行研究。

研究者們發現，改進固化劑、促進劑、改性劑、阻燃填料和預聚體等的類型和配比，可以對灌封膠的性能進行調控。

首先，固化劑的含量比例對灌封膠的黏度、壓縮強度和壓縮模量有較大影響。王浩[13采用三乙烯四胺作為固化劑加入到E-51環氧樹脂中，結果發現， 15% 時為最佳配方，此時黏度、壓縮強度和壓縮模量最佳。

其次，含磷環氧樹脂、改性環氧樹脂和阻燃填料對環氧樹脂灌封膠的綜合性能有顯著的調控作用。在環氧樹脂灌封膠中加人30份含磷環氧樹脂、20份自制改性環氧樹脂和30份阻燃填料后，膠體拉伸強度可達 36.1MPa ，阻燃性能可達UL94V-0級，相比電痕化指數（CTI）可達600V，能夠滿足大電壓下的元器件灌封用途[14-15]。且力學性能、阻燃性能和電氣絕緣性能等達到較好的平衡性，體現出良好的綜合性能。

再次，端羧基聚氨酯預聚體可提升環氧灌封膠的阻燃性能到無鹵UL94V-0等級，同時提高柔性和耐濕熱性能，降低膠體黏度，從而達到優良的綜合性能[16]

2 聚氨酯灌封膠

聚氨酯灌封膠是電子灌封膠的重要分支，其防腐防水、絕緣性、彈性和粘接性均較優異，廣泛應用于電子灌封領域[17]。學者們的研究主要集中在其導熱率、硬度、彈性和韌性等綜合性能提升方面，主要進行了環氧改性、可操作時間改進、耐候性優化和阻燃能力攻關等。

聚氨酯灌封膠性能優異，但其導熱能力較弱。安佳麗等[18]采用粒徑為5um的 顆粒作為填料添加到聚氨酯灌封膠基體中。如圖6所示，發現 顆粒在聚氨酯基體中具有良好的分散性，可以滿足聚氨酯灌封膠導熱的要求。

當 顆粒的質量分數為 80% 時，灌封膠的熱導系數達到 0.76W/（mK） ，是純聚氨酯的9倍多。但添加 粉體（顆粒）不宜過多，否則會給聚氨酯灌封膠的硬度、彈性和韌性等機械性能帶來負面影響。為了解決該問題，李心強對粒徑為 2μm 的 粉體進行表面處理的對比實驗，發現表面處理劑聚乙烯馬來酸酐的效果最好，在不影響聚氨酯灌封膠導熱能力的前提下，減少了導熱粉體的添加量，并保證了聚氨酯導熱灌封膠的綜合機械性能，結果如表1所示。

聚氨酯灌封膠的彈性較優良，但其硬度性能較弱采用一步法工藝，當TMP與BDO的質量比為1：2時，可制備得到邵D硬度為74的聚氨酯灌封膠。灌封材料的硬度隨著TMP含量的增加呈現正相關關系，而當灌封材料邵D硬度達到76時趨于穩定[20]

聚氨酯灌封膠與環氧灌封膠的特性相差較大。為了對聚氨酯灌封膠進行性能提升，研究人員對其進行了環氧改性，以期制備出滿足特定使用場景功能的聚氨酯灌封膠。李曉蕾等利用環氧E51對HT-PB/IPDI聚氨酯灌封膠進行改性制備，當環氧E51加入質量分數為 10% 時，聚氨酯灌封膠的力學性能最好，其邵A硬度可達54，拉伸強度可達 5.7MPa ，撕裂強度可達22kN/m ，伸長率可達 350% ，結果如表2所示。

由表2可知，聚氨酯灌封膠的操作時間普遍較短，不利于電子產品的灌封生產，而且其導熱性、阻燃等級和抗老化性能都有一定的局限性。楊再軍為了解決這些問題，選擇A-30改性蓖麻油與精煉蓖麻油按2：8進行配比，并加人60份TJ1028導熱填料和5份FR-019液體阻燃劑，選擇Suprasec2642改性多苯基多亞甲基多異氰酸酯（PAPI）作為固化劑，按100：15的質量比，制備得到耐高溫高濕、可操作時間為 71min 、阻燃等級可達UL94V-0的高性能聚氨酯灌封膠[22]

在有些場合，如高壓電纜聚氨酯灌封膠，其對阻燃性和環保的要求更高。張大麗等在聚氨酯灌封膠基體中添加含磷的阻燃樹脂和氧化鋁，可以實現無鹵阻燃，且阻燃能力可達UL94V-0級，完全滿足應用的苛刻需求[23]

3有機硅灌封膠

有機硅灌封膠是各類電子元件、電子裝備和電子整機必不可少的一類電子材料。研究人員對其研究進展主要展現在機械性能、良好的導熱性能和綜合性能方面，從β型碳化硅晶須、不同粒徑的球形氧化鋁、含氫硅油和增粘劑等因素進行了深入研究。

為了兼顧有機硅灌封膠的機械性能與導熱性能的平衡。李國一等探索利用直徑為0.05-2.5～um 、長徑比大于等于20、純度大于 99% 的 β 型碳化硅（SiCw）晶須來提升有機硅電子灌封膠的綜合性能[24]。如圖7所示，可知不同填充量的SiC 晶須在有機硅灌封膠中的分布和結合狀態。

對于有機硅灌封膠，添加的SiCw晶須用量為填料總質量的 5% 時，熱導率可提高 10.3% ，拉伸強度可提升 22% ，即機械性能與導熱性能達到良好的配合，綜合性能得到改善。但隨著SiCw添加量的增加，膠體黏度上升，不利于晶須的均勻分布，會導致熱導率上升趨勢變緩。

將 4μm和 20μm 大小的球形氧化鋁按一定質量比例在膠體中進行復配填充，小粒徑的粒子能有效地填充到大粒徑的粒子間隙中去，粒子之間的相互接觸點大量增加，可制備出綜合性能更加優異的有機硅灌封膠，結果如表3[25-26]所示。

由表3可知，隨著導熱填料用量的增大，有機硅灌封膠的導熱系數、黏度、拉伸強度都增大[27]。綜合考慮，當m（4μm粒徑的球形氧化鋁）： m20μm粒徑的球形氧化鋁） =3：2 時，可以制備出導熱率最高、黏度適中、拉伸強度優良和拉斷生長率優異的有機硅灌封膠。

含氫硅油用量對有機硅灌封膠機械性能有重要影響，如表 所示。

由表4可知，隨著含氫硅油用量從4份增加到

10份，有機硅灌封膠的邵A硬度從32躍升到將近60，拉伸強度的變化不明顯，拉斷伸長率從 84% 驟降到 54% ，有機硅灌封膠變得又硬又脆[28]

有機硅灌封膠應用在電子元件上時，其可靠的粘接性能也是非常重要的。為此，有研究人員對其進行探索。將氧化鋁漿料、硅微粉漿料和鈦酸酯增粘劑加入有機硅灌封膠中，對灌封膠的膠粘剪切強度進行測試，發現隨儲存時間延長，鈦酸酯增粘劑并未失效，膠粘剪切強度并未衰減，可在2.1～2.4MPa 內波動[29]

當硫化溫度控制在 且硫化的時間保持一致時，李培等研究了不同質量分數的增粘劑對有機硅灌封膠粘接性能的影響，對采用有機硅灌封膠進行粘接的鋁片進行剪切力測試，結果如表 所示。

由表5可知，當增粘劑質量分數從 1% 增加到3% 時，有機硅灌封膠的粘接性能翻一番以上；當增粘劑質量分數達到 3% 及以上時，有機硅灌封膠的粘接能力變化趨于平緩，不會再有顯著的增加。

4展望

由于電子產品朝著高性能、高可靠方向不斷發展，對于電子灌封膠的研究建議和展望主要有以下2個方向：（1）在現有工藝的基礎上，深入研究各類新型填料及其表面處理方法，使得制備出的電子灌封膠的綜合性能水平提升到一個新臺階；（2）打破環氧樹脂灌封膠、聚氨酯灌封膠和有機硅灌封膠三者之間的界限，使三者相互融合，研發各類性能更加優異的綜合型復合式電子灌封膠，如聚氨酯環氧灌封膠、環氧有機硅灌封膠和有機硅環氧灌封膠等。

5 結語

總結了近年來電子灌封膠的研究進展，通過添加各類經表面改性的填料，可以增強電子灌封膠的導熱和機械等性能。通過化學和物理方法的制備與攻關，可以提高和改善各類電子灌封膠的綜合性能，滿足各類電子產品的灌封需求，發展前景良好。

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（責任編輯：蘇慢）