CN102234410A

CN102234410A - 导热型热固性模塑复合材料及其用途

Info

Publication number: CN102234410A
Application number: CN2011100438703A
Authority: CN
Inventors: 陈震; 徐贵平; 张明君; 王全胜
Original assignee: Shanghai Hefu New Materials Technology Co Ltd
Current assignee: Hefu New Material Technology (Wuxi) Co., Ltd.
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2031-02-16
Also published as: CN102234410B

Abstract

本发明公开了一种导热型热固性模塑复合材料及其用途，其基本组份及其重量百分含量为(1)热固性基体树脂15-65％；(2)导热性填料20-80％，该填料的导热系数大于1W/m.℃；(3)其他添加剂，如增韧剂，增强剂，稳定剂等。本发明还公开了前述导热型热固性模塑复合材料用于制备LED照明散热件，其成型温度可控制至低于通常进行焊锡作业的220℃，使得LED灯和散热器的组装工艺可以和热固性材料散热器的成型工艺合二为一，可以将LED灯的基板面或导热金属支架直接与导热材料相连接，其成型模具和其辅助系统具有能有效隔热控温和易清洁的特点，能有效降低LED灯的加工和制成成本，提高LED散热器的散热能力，从而降低LED器件的运行温度。

Description

导热型热固性模塑复合材料及其用途

技术领域

本发明涉及一种导热型热固性模塑复合材料；此外，本发明还涉及利用该导热型热固性复合材料制备LED照明装置散热件，特别是能将LED芯片组件与散热件成型一体化的技术工艺，所获得的散热件能有效降低LED照明装置的加工和制成成本，提高LED散热器的散热能力，从而降低LED器件的运行温度。

背景技术

LED(发光二极管)元件为一类半导体p-n结结构的元件，具有低耗电量和长寿命，以及抗振特点。近来已被用作显示元件和光源等领域，特别是普通照明装置，具有极大的商业价值。

但是，由于LED的光发生特性，其在照明装置时的能量输入只有20％被转化为光能，而剩余的80％则被转化为结部分的热能，从而增加了内部的温度。内部温度的增加使LED照明灯，尤其是紧凑设计时，其性能如发光效率将大幅度的下降，如长时间在高温下使用，将会缩短LED照明等的寿命。为了解决上述问题，在实际设计应用中，需要将LED灯内部产生的热量释放至外部。

在现有技术中，使用了借助具有散热片结构的散热件，通过热传导或热对流等效应来冷却LED芯片的所产生热量。图1为典型LED散热件和LED芯片的连接方式。散热件1通过嵌入成型的方法将金属支架2连接成一体。3为LED芯片，其最高短时耐受温度通常低于220℃，通过锡焊或其它连接工艺被固定在LED芯片铝基板上，然后铝基板通过导热胶被固定在金属支架2上。因此在实际LED灯的成型过程中，工艺相对复杂，效率较低等缺点。

目前制备散热件的材料包括：

(1)浇铸和压挤成型金属铝散热件：能使用于高功率的LED灯的应用场合，具有工艺相对成熟的优势，但单个成型周期相对较长，需要后续的二次加工工艺以达到较好的表面和外观质量，同时由于金属本征导电的属性，使得与LED灯这类体积小，高电压的产品，存在散热、安全、外观尺寸间的相互约束限制，导致电绝缘设计相对复杂，具有生产成本高，效率低，设计灵活性不够等缺点。为解决安全问题，通常要求采用隔离式电源作为电源驱动，但会导致整个灯具的体积过大，影响使用甚至一些法规的要求，如IEC60061-1。

另一种解决方案是采用非隔离式电源驱动，将电源电路和金属散热件/灯杯充分绝缘，但由于LED基板本身的绝缘厚度只有50um左右，所以LED基板和金属固定间之间需要一层绝缘层，用以将LED基板和金属散热件完全隔离，但导致了LED内部散热受阻，散热效率下降，同时仍有LED电源导线和金属直接接触而发生安全隐患的风险。

(2)热塑性材料制备的散热件：具有设计灵活，成型效率高，符合安规的设计较易实现等特点，但是由于热塑性材料，如尼龙，PBT等导热性能较低，通常均小于0.2W/m.℃，故只能使用于较低功率的LED照明场合，如LED灯的功率低于1W等，对功率较高的应用场合，由于散热较差，存在较高的局限性。即使使用一些高导热的绝缘塑料，由于该类热塑性材料的热成型温度通常大于250℃，现有的工艺均为利用两步法工艺将LED芯片及其铝基板连接至金属支架上，从而降低了生产效率等。

在散热件设计和应用上，已有大量的专利集中报道如何提高散热器的散热效率和降低生产或者使用成本。中国专利CN101586749A描述了一类将基板，LED颗粒，和基板正反两面覆铜或覆铝等方案，以达到良好的散热效率和低成本化的要求。中国专利CN101526200A描述了一类利用散热管，散热片或者散热盘对预定的印刷电路板或芯片进行强制散热，以达到有效散热的目的。中国专利CN1015262O1A描述了异类利用由多块散热片呈发射状间隔排列成环状的散热件，为一类光线集中，均匀性能好的LED灯提供良好散热特性。中国专利CN101377293A描述了利用一种昂贵的高导热绝缘塑料，其中氮化硼含量大于25％，通过模压成型工艺制造一类散热器件，LED基板通过导热胶和螺钉与固定在散热件的固定面上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题主要针对上述现有技术不足，开发出一种导热效率高，并具电绝缘性能，能在低温成型加工，低成本，能成型为复杂几何形状，比金属材料密度低的导热型热固性模塑复合材料，该复合材料的导热率高于0.5W/m.℃，在其优化的配方范围内，还具有电绝缘性，其表面电阻率大于或等于10¹²欧姆/平方厘米。所以导热性能和安全性能均较以前有较大的提高，利用该复合材料制备的LED照明散热件的体积比以前更小。同时，由于采用一类新型的成型模具和辅助系统，可以一步法将散热件内的LED光源或金属导热器件成型完成组件装配，可以使LED光源散发的热量能最快地传递到散热件及其外表面上进行散热，充分解决了LED的散热问题。

为了解决上述技术问题，本发明开发的导热型热固性模塑复合材料，包括重量百分含量15-65％的热固性树脂，如环氧乙烯基树脂、环氧树脂、有机硅树脂、酚醛树脂、热固性不饱和聚酯树脂等；根据树脂体系不同，如环氧乙烯基和不饱和聚酯树脂体系，其固化体系为过氧化类体系，如甲乙酮-环烷酸钴及过氧苯甲酰-叔胺类、过氧化酯和二酰基过氧化物等；对环氧树脂和酚醛树脂体系，其固化体系可以为咪唑类、酸酐类和胺类固化剂，如苯酐、六亚甲基四胺等。其固化温度低于220℃，低于LED芯片所能承受的耐热温度，典型温度为250℃。

本发明开发的导热型热固性模塑复合材料还包括一种或多种导热填料，其重量百分含量为20-80％，填料的导热系数大于1W/m.℃，包括球状陶瓷粉如三氧化铝、氮化铝、碳化硅、氧化镁和氢氧化镁等，金属粉末，片状导热粉如石墨和氮化硼等，纤维状填料如石墨纤维和金属纤维/氧化物晶须等。

此外，本发明开发的导热型热固性模塑复合材料还包括一类其他添加剂，如橡胶类抗冲击剂、增强剂如玻璃纤维、植物纤维等，和稳定剂如酚类阻聚剂等。

本发明开发导热型热固性模塑复合材料的优选组分中，进一步含有重量含量大于1％但小于30％导电填料，如石墨粉末，金属纤维或粉末等，在保证导热率＞0.5W/m.℃时，材料能保持电绝缘性，其表面电阻大于或等于10¹²欧姆/平方厘米。

本发明上述导热型热固性模塑复合材料，可以通过如下工艺获得：

(1)树脂配料：称取热固性树脂，搅拌均匀；

(2)按上述描述的重量百分比称取导热填料，至于密闭容器中预混合；

(3)将树脂和填料在密炼机，混炼机或螺杆挤出机中进行充分混合，制成原料混合料。

本发明上述导热型热固性模塑复合材料具有良好的模塑加工成型性能，能在较低的温度范围，如低于100℃，在一定的压力下形成流动变形，从而注入至一个成型模腔内，形成所设计的形状制件。该成型模腔可以同时升温至原料混合料的固化温度比如低于220℃，经过低于5分钟的固化时间，模腔内的制件即能定型固化，获得所需要的高热的散热件。

利用本发明导热型热固性模塑复合材料的上述特性，通过一类成型模具和辅助系统，包括LED芯片隔热套和冷却水路，将电子元件与模腔成型型芯之间构筑两道隔热和降温保护措施，以确保在导热复合材料成型过程中，能对LED芯片处的热源进行有效隔离和控温。

附图说明

图1是一次成型法模塑嵌入金属导热支架的热固性导热复合材料散热件内部结构示意图；

图2是一次成型法模塑嵌入LED芯片的热固性导热复合材料散热件内部结构示意图；

图3是一类能适用于高导热热固性复合材料成型加工的模具和辅助系统之LED芯片隔热套和冷却水路的结构示意图；

图4是能适用于高导热热固性复合材料成型加工的模具和辅助系统的结构示意图(LED芯片隔热套和冷却水路)；

图5是能适用于高导热热固性复合材料成型加工的模具和辅助系统的结构示意图(具有容易清洗芯腔的开合系统-闭模状态)；

图6是一类能适用于高导热热固性复合材料成型加工的模具和辅助系统的结构示意图(具有容易清理芯腔的开合系统-开模状态)；

图7是一类能适用于高导热热固性复合材料成型加工的模具和辅助系统的结构示意图(开模取样状态)。

具体实施方式

下面的实施例子只是用来说明本发明的优越性。本发明的导热复合材料的制造和实施应用并不仅限于此。

本发明以下实施例中的导热型热固性模塑复合材料的制备和性能测试方法如下：

导热热固性复合材料的制备方法包括：

1)树脂配料：称取热固性树脂各组份，搅拌均匀；

2)按所需要的重量百分比称取相关填料，置于密闭容器中预混合；

3)将树脂和填料在密炼机、混炼机或螺杆挤出机中进行充分混合，制成原料混合料。混合加工温度根据不同的树脂体系，分别在各自的加工温度内。对如下实例的环氧乙烯基树脂/有机硅-填料体系中可以为20-100度。在所示的例子中混炼体系为密炼捏合机。所获得的团状塑料进行包装待用。

本发明以下实施例中，环氧乙烯基树脂由Ashland公司提供Hetron 922乙烯基树脂，内脱模剂和脱泡剂产地为上海建橙工贸有限公司，用量分别为0.5％和0.2％重量含量。

本发明以下实施例中，甲基乙烯基硅橡胶生胶作为基胶，型号110-1，乙烯基含量0.17％，分子量58-60万，挥发份1.3％，产地-东爵有机硅(南京)有限公司；乙烯基硅油：型号VM-26，粘度2000-5000CS，乙烯基含量10％，产地-上海建橙工贸有限公司；硫化剂：膏状双二五，有效成分60％，产地-江苏东海化工厂。过氧化苯甲酸叔丁酯TBPB，由上海永正化工有限公司提供。

两类导热型氧化铝粉末，其导热系数为30瓦/米.度。导热氧化铝粉末为50％颗粒均值为20微米，和超细型氧化铝粉末50％颗粒均值为0.2微米；导热石墨粉由Asbury公司提供，50％平均颗粒50微米，导热率大于300W/m.K。铜粉50％平均粒径为1000目，导热系数大于300W/m.K.导热型Mg(OH)₂的粉末，颗粒目数为1000，导热率约为2/m.K。滑石粉，颗粒目数为800，导热系数约10w/m.K

利用导热型热固性模塑复合材料制备的散热件散热效果用如下方法测试：将成型带有LED芯片的散热件放置于一个封闭的隔离罩中，隔离罩外环境温度控制在25℃±0.5℃.在LED芯片的铝基板上安装有高精度的温度传感器，测试精度为0.1℃。LED芯片电压为1.5V，电流为3.78A，实际功率LED功率为5.67W.另外导热材料的导热系数由Nanoflash导热仪获得。

材料的表面电阻测试采用Voyger电阻测试仪，每次5个测试样。

实施例1

表1.环氧乙烯基树脂复合材料材料的配方和性能

如表1所示，本实施例通过在环氧乙烯基树脂中，共混一定量的低成本导热填料，在本实施例中为氧化铝和石墨，可以有效地提高预混物的导热性能，其导热系数可达2.1以上，是基体树脂10倍，同时保持电绝缘性能。

利用本实施例制得的导热型热固性模塑复合材料所制成的散热件，可以使LED的芯片焊点温度保持在85℃以下，完全可以满足LED灯的实际使用要求。

利用本实施例制得的导热型热固性模塑复合材料制备LED照明散热件需经过如下模塑过程：

1、模具前处理，用清洗剂清洗再用脱模剂进行喷涂，150℃烘干

2、试模条件：压力90，速度50mm/s，成型时间100秒，模腔内部控制温度140～160℃，已进行导热材料的固化。在现有的LED灯具实际生产中，通常加工工艺是散热件成型后再与LED灯进行二次组装，平均每个LED需要消耗1分钟以上工时，而且组装通常利用螺丝钉或者导热胶将LED芯片进行连接。由于在连接部位通常存在一定的热阻，在降低生产效率的同时，还降低了散热件的散热效率，不利于LED芯片的温度控制。

通常电子元件在需要散热时，一般会以铝基板为基材，在一步成型工艺中，如何阻止热能通过铝基板影响电子元件的性能，显得尤其重要。

本实施例中，设计出一类成型模具和辅助系统，如图3和图4。系统包括型芯5，内围降温用冷却水路6，其中图4中的冷却管道6-1由铍铜高导热材料制备，外围隔热套7由热不良导体的胶木制备，LED芯片3和LED铝基板4被预固定在型腔内。冷却系统6对LED芯片3和铝基板4/金属支架进行接触式降温。通入冷却水或其他媒质，然后进行模塑成型，熔融的脂将瞬间填满型腔，将LED铝基板4或者连接有LED的导热金属支架，与热固性的导热材料直接相连，嵌入深度大于1mm，或者1.5倍的金属厚度。型腔6的温度通过电加热或油加热7控制在170℃左右。通过隔热套7和冷却水路6，其功能特征是将电子元件与型腔型芯8之间构筑两道隔热和降温保护措施，以确保在导热复合材料成型过程中，能对LED芯片处的热源进行有效隔离和控温，以保证在模塑成型过程中芯片的实际温度低于芯片的承受温度，比如低于220℃。

藉由上述成型模具和辅助系统，如图4，通过在LED芯片3与成型型芯8之间构筑两道保护措施，外围的隔热套7使用隔热材料(例如胶木棒加工成型，或耐高温材料使用温度大于220℃，如PEI，PI等)，从而降低型芯8的热能影响电子元件性能，内围冷却系统6的作用则是迅速冷却温度从而避免热能通过铝基板影响电子元件3。通常采用高导热性材料如铍铜来制作内围屏障6-1，通过冷却水路，使冷却液在高导热的腔道内循环使用，可以保证内围材料的温度恒定在150度以下，最低温度可以在60℃。通过外围的隔热套7，保持型芯8和高导热腔道的温度差。将LED芯片3放置在型腔内，在图5中，将定模型芯13和动模型芯15进行合模，然后通过注塑或者模压成型工艺将本发明的导热复合材料，注入型腔内，获得散热件的所需形状，保压进行固化，得到一个将散热器件和LED元件一体化的制品。通常成型周期小于3min，理想的成型时间为小于100s。

上述模具和材料系统能将LED芯片处的热量有效地控制在其能承受温度之下，从而将LED芯片的铝基板面或者金属支架直接与导热散热件相连接，从而将散热器成型工艺和LED芯片组装工艺合二为一，能有效提高成型加工效率，同时大幅度降低连接面间的传热热阻，提高LED芯片的散热效率。

上述成型模具和辅助系统，在产品成型后模具能优先抽拔固态聚合物所在型芯，如图5。整个系统主要有如下组件构成：冷却水路6，隔热套7，加热棒23，开闭器24，排气气路9，限位螺丝10，动模压板11，定模压板12，定模型芯13，O形环14，顶出杆16，回程杆17，和固定螺钉18。

上述成型模具和辅助系统中，在打开模腔时，如图6，可由外部介质如气体，对模具表面19进行有效地清洁，以清除复合材料在加工成型过程中所形成的聚合物沉积，提高模塑制品的外观质量，降低外观缺陷，从而减少成型周期，提高生产效率，从而达到生产可持续稳定性。而在现有工艺中，动模螺丝18和动模板20是互相固定而不分离的。图4中，动模版压板11，导向导柱导套21。图7为上述模具和辅助系统开模取样状态，成型产品为22。

图1和图2为最终的成型散热件制品示意图。经上述的一步法模塑工艺成型，可以直接将连接有LED芯片的金属导热支架2或者铝基板4嵌入至导热复合材料1中，从而将LED芯片的连接在散热件中，达到高效生产，散热件导热效果佳，生产稳定的目标。

实施例2

表2.环氧乙烯基树脂复合材料材料的配方和性能

如表4所示，本实施例通过在环氧乙烯基树脂中，共混另一类低成本导热填料，在本实施例中为氢氧化镁和石墨，可以有效地提高预混物的导热性能，其导热系数可达1.9以上，是基体树脂8倍以上，同时保持电绝缘性能。

有关模具的使用和设计，如实施例1所描述。

实施例3-4

表3.有机硅树脂导热复合材料的配方和性能

如表3所示，本实施例通过在有机硅树脂中，共混一类低成本导热填料，在本实施例3中为大颗粒氧化铝和超细颗粒氧化铝以及石墨和实例4中，均可以有效地提高预混物的导热性能，其导热系数分别可达1.8和1.6，是基体树脂6倍以上，同时保持电绝缘性能。

有关模具的使用和设计，如实施例1所描述。

实施例5-6

表4.有机硅树脂导热复合材料的配方和性能

如表4所示，本实施例5和6通过在有机硅树脂中，仅添加一类低成本导热填料，大颗粒氧化铝或者滑石粉，其导热系数分别为0.8W/m.K和0.7W/m.K。在与表3所示的实例3或4相比，只有其不到一半的导热能力，因此不能非常有效地提高树脂的导热性能。

利用本实施例制得的导热型热固性模塑复合材料所制成的散热件，可以使LED的芯片焊点温度均大于85℃以下，不能很好地满足LED灯的实际使用要求。

有关模具的使用和设计，如实施例1所描述。

实施例7

表5.环氧乙烯基树脂复合材料材料的配方和性能

实验号	实施例7
		复合材料总重(克)	680
氢氧化镁1000目(克)	472.5
		Hetron 922乙烯基树脂(克)	165
过氧化苯甲酸叔丁酯(简写：TBPB)	3.3
		脱模剂(克)	6.6
增强剂玻璃纤维和硅胶增韧剂(克)	33.2
		LED芯片铝基板的平衡温度(度)	88.3
导热系数(瓦/米.度)	0.75
		表面电阻(欧姆/平方厘米)	＞E12

如表5所示，本实施例7通过在环氧乙烯基树脂中，仅添加一类低成本导热填料即氢氧化镁，尽管总体无机材料的含量与实例2一致，但由于没有导电的石墨或金属粉末，其导热系数只有0.75W/m.K。与表2所示的实例2和表3中的实例3，4相比，只有其不到一半的导热能力，因此不能非常有效地提高树脂的导热性能。

有关模具的使用和设计，如实施例1所描述。

Claims

1.一种导热型热固性模塑复合材料，其导热系数大于或等于1.0W/m.℃，其主要组分和重量百分含量分别为：

热固性树脂15-65％；

导热系数大于1W/m.℃的导热性填料20-80％。

2.根据权利要求1所述的导热型热固性模塑复合材料，其特征在于，进一步包括重量百分含量大于1％但小于30％的导电填料，导电填料选自石墨粉末、金属纤维和粉末。

3.根据权利要求1所述的导热型热固性模塑复合材料，其特征在于，热固性树脂为环氧树脂、有机硅树脂、酚醛树脂、环氧乙烯基树脂或热固性聚酯树脂。

3.根据权利要求1所述的导热型热固性模塑复合材料，其特征在于，导热性填料为球状陶瓷粉、金属粉末、片状导热粉或纤维状填料，球状陶瓷粉选自三氧化铝、氮化铝、碳化硅、氧化镁、氢氧化镁和氢氧化铝，片状导热粉选自石墨、氮化硼、滑石粉和云母粉，纤维状填料选自石墨纤维、金属纤维和氧化物晶须。

4.根据权利要求1或3所述的导热型热固性模塑复合材料，其特征在于，热固性树脂的固化体系根据树脂体系不同而不同，环氧乙烯基和不饱和聚酯树脂体系的固化体系为过氧化类体系；环氧树脂和酚醛树脂体系的固化体系为咪唑类、酸酐类或胺类固化剂。

5.根据权利要求4所述的导热型热固性模塑复合材料，其特征在于，过氧化类体系为甲乙酮-环烷酸钴及过氧苯甲酰-叔胺类、过氧化酯或二酰基过氧化物；环氧树脂和酚醛树脂体系的固化体系为苯酐或六亚甲基四胺。

6.根据权利要求1-5任何一项所述的导热型热固性模塑复合材料，其特征在于，其表面电阻率大于或等于10¹²欧姆/平方厘米。

7.权利要求1-6任何一项所述的导热型热固性模塑复合材料用于制备LED照明散热件。