CN103773298B - 一种大功率led灯用高导热绝缘胶粘剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率LED灯用高导热绝缘胶粘剂及其制备方法。目的是提供的胶粘剂具有较高的导热效率和剪切强度；提供的方法应具有生产效率高、制作简单方便的特点。技术方案是：一种大功率LED灯用高导热绝缘胶粘剂，包括以下组分及相应的质量比例：环氧树脂30-45%、无机导热填料30-40%、溶剂10-20%、固化剂3-15%以及硅烷偶联剂2-5%。环氧单体的制备步骤如下：1）相对应的二酚、卤代环氧丙烷及有机溶剂的混合溶液在60～70℃下保持搅拌；2）再缓慢滴加与二酚等摩尔量的卤代环氧丙烷与质量含量为30～49%的碱溶液至步骤1）中的混合溶液；3）搅拌，用水洗涤有机相至中性，减压蒸馏除有机溶剂即成。

Description

一种大功率LED灯用高导热绝缘胶粘剂及其制备方法

技术领域

本发明属于胶粘剂技术领域，特别涉及到一种大功率LED灯用高导热绝缘胶粘剂及其制备方法。

技术背景

LED节能灯近二十年来得到了迅速发展；白光LED的发光效率可达38流明/W，已远超白炽灯，并且其使用寿命是白炽灯的百倍以上，而能耗只有白炽灯的十分之一。正是由于其能耗低、成本低、发光率高、寿命长、体积小、污染少等优点，LED节能灯的市场发展空间非常巨大，应用非常广泛，生活中随处可见，包括交通信号灯、汽车用灯、电器的信息显示。

LED技术的发展非常迅速，平均每十八个月其发光亮度就会可提高一倍。然而高亮度的输出带来的问题就是如何有效的将产生的热散出去。如果芯片产生的热量不能及时导出，造成的热量累积导致温度迅速上升，会急剧缩短LED的使用寿命。因此散热问题成为LED功率提高的关键因素之一。

目前LED的散热基板类型有金属芯印刷电路板、陶瓷基板、金属基复合基板和金属绝缘基板。其中金属绝缘基板以其导热率高、机械强度高、加工性能好等优点，是目前开发和推广的主要散热材料之一。铝基合金由于其导热性能好、成本低、易加工等优点，成为散热材料的首选。而电路板与散热基板之间必须需要一层绝缘胶粘剂将两者连接起来。环氧树脂是一类最具代表性的胶粘剂，有着非常好的电气绝缘性与性价比，非常适合大规模的应用在无机材料的粘结。然而由于其有机高分子的特性，导热性能并不理想，一般在0.20W/(m·K)左右。因此，在大功率LED封装中必须使用有良好导热能力的绝缘胶，以保证LED的发光效率和使用寿命。

对于超高导热型的金属覆铜板，其导热率要求在4.0W/(m·K)以上；对于高导热型的金属覆铜板，导热率也要在2.0W/(m·K)以上。目前通过向绝缘胶中填充导热材料是最简单易行并且可以大幅调高绝缘胶导热能力的方法。中国专利CN101475787采用银纳米线与银纳米粒子作为无机填料制备出导热性能良好的导热胶；CN102079958报道了一种采用金刚石作为无机填料制备各向同性的导热胶粘剂；CN101831264则通过填充碳纳米管得到各向同性导热胶粘剂；CN1970667采用Al₂O₃/BN复合粉体作为填料制备出具有较好散热效果的胶粘剂；CN101812280报道了用银、钯、铂、金、C、AlN与SiC等作为无机填料制备LED灯用绝缘胶粘剂。常用的无机导热填料以AlN导热性能最好，但其价格也比较昂贵，而大量使用其它无机填料（50%以上）则会导致树脂剪切强度和韧性降低。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种用于粘接大功率LED灯电路板与散热基板的高导热绝缘胶粘剂；该胶粘剂应具有较高的导热效率和剪切强度，并具有良好的耐高温、耐老化性能。

本发明的另一目的是提供上述胶粘剂的制备方法，该方法应具有生产效率高、制作简单方便的特点。

本发明提供的技术方案是：一种大功率LED灯用高导热绝缘胶粘剂，包括以下组分及相应的质量比例：

环氧树脂30-45%、无机导热填料30-40%、溶剂10-20%、固化剂3-15%以及硅烷偶联剂2-5%；

所述的环氧树脂采用一种含有芳香环的环氧单体，其结构通式如下：

其中，R为亚甲基或无取代基，无取代基时为联苯结构；R₁至R₈为H或C1～C4的烃基。

所述的固化剂为一种芳香二胺，其结构通式如下：

其中，R₁’至R₈’为H原子或C1～C4的烃基；R’为无取代基或以下基团的一种：

所述的硅烷偶联剂，其结构通式为Y(CH₂)_nSiCl₃，其中n=0～6，Y为环氧基或氨基或两种取代基任意比例的混合物。

所述环氧单体的制备步骤如下：

1）相对应的二酚、卤代环氧丙烷以及有机溶剂的混合溶液在60～70℃下保持搅拌，其中二酚与卤代环氧丙烷摩尔量比为1：1，二酚在混合溶液中的质量含量为20～49%；

2）再缓慢滴加与二酚等摩尔量的卤代环氧丙烷与质量含量为30～49%的碱溶液至步骤1）中的混合溶液，其中碱摩尔含量为二酚的15～25倍；

3）80～90℃下继续搅拌1.5～2小时，用水洗涤有机相至中性，减压蒸馏除有机溶剂即成。

所述的无机导热填料，为碳化硅、氮化铝、氧化铝、氮化硼一种或多种或按任意比例混合，平均粒径为2μm-10μm。

所述的溶剂，为乙醇、乙酸乙酯、丙酮、甲乙酮、丙二醇甲醚、环己酮中的一种或多种。

所述二酚结构通式如下：

其中，R为亚甲基或无取代基，无取代基时为联苯结构；R₁至R₈为H或C1～C4的烃基。

一种大功率LED灯用高导热绝缘胶粘剂的制备方法，按以下步骤进行：

在室温下，将环氧树脂与溶剂搅拌混合，加入导热填料、固化剂、水解后的硅烷偶联剂，继续搅拌均匀，倒入模具中，真空除泡，预固化0.5～2小时，130～170℃固化0.5～2小时，自然冷却。

所述硅烷偶联剂水解时，加入的水解溶液与硅烷偶联剂的重量比例为1：1～4，水解溶液中的水与乙醇的重量比为1：9。

本发明的有益效果在于：在保证粘接强度的前提下，通过改进环氧树脂的结晶性能可大幅提高胶粘剂的导热效率；无机填料用量减至30-40%，也可达到大功率LED用绝缘胶粘剂所需的导热、剪切强度标准；此外，该胶粘剂还具有良好的耐高温、耐老化性能，能够确保LED灯正常持久的工作。所提供的方法生产效率高，原料易得，制作简单方便。

具体实施方式

本发明通过改进胶粘剂高分子本身的导热特性，使用刚性单体合成环氧树脂，通过提高其结晶度增强树脂的导热能力，可以使导热无机填料用量降至30-40%，获得高导热率、高剪切强度、高耐热性能，可以用作大功率LED灯用的高性能导热绝缘胶粘剂。

本发明所述的环氧树脂采用一种含有芳香环的环氧单体，其结构通式如下：

其中，R为亚甲基或为联苯结构；R₁至R₈为H或C1～C4的烃基。

所述环氧单体的制备步骤如下：

1）相对应的二酚（如3,5,3',5'-四甲基-4,4'-二羟基联苯、2,6,2’,6’-四甲基-4,4’-二羟基联苯、4,4’-二羟基联苯）、卤代环氧丙烷（环氧氯丙烷、环氧溴丙烷、环氧碘丙烷）以及有机溶剂（如苯、正庚烷）的混合溶液在60～70℃下保持搅拌，其中二酚与卤代环氧丙烷摩尔量比为1：1，二酚在混合溶液中的质量含量为20～49%；

2）再缓慢滴加与二酚等摩尔量的卤代环氧丙烷与质量含量为30～49%的碱溶液（如NaOH、KOH）至步骤1）中的混合溶液，其中碱摩尔含量为二酚的15～25倍；

3）80～90℃下继续搅拌1.5～2小时，用水洗涤有机相至中性，减压蒸馏除有机溶剂即成。

以下结合实施例进一步阐述本发明型。下列实施例仅仅是为了说明，而不是对本发明的限制。

测试结果见附表1。

实施例1

在室温下，将环氧树脂与丙酮搅拌混合均匀，加入碳化硅（平均粒径10μm）、固化剂（R’为R₁’至R₈’为H原子）、水解后的硅烷偶联剂（n=6，Y为环氧基），继续搅拌10分钟，倒入模具中，真空除泡，预固化1小时，150℃固化1小时，自然冷却即成。

各个组分的质量含量为：环氧树脂45%；碳化硅30%；丙酮10%；固化剂13%；硅烷偶联剂2%。

实施例2

在室温下，将环氧树脂与乙酸乙酯搅拌混合均匀，加入氧化铝（平均粒径10μm）、固化剂（R’为-CH₂-；R₁’至R₈’为甲基）、水解后的硅烷偶联剂（n=0，Y为胺基），继续搅拌10分钟，倒入模具中，真空除泡，预固化1小时，140℃固化1.2小时，自然冷却即成。

各个组分的质量含量为：环氧树脂30%；氧化铝40%；乙酸乙酯10%；固化剂15%；硅烷偶联剂5%。

实施例3

在室温下，将环氧树脂与丙酮搅拌混合均匀，加入氮化铝（平均粒径2μm）、固化剂（R’为R₁’至R₄’为H原子）、水解后的硅烷偶联剂（n=6，Y为环氧基），继续搅拌8分钟，倒入模具中，真空除泡，预固化0.9小时，150℃固化1.5小时，自然冷却即成。

各个组分的质量含量为：环氧树脂30%；氮化铝40%；丙酮20%；固化剂3%；硅烷偶联剂2%。

实施例4

在室温下，将环氧树脂与乙酸乙酯搅拌混合均匀，加入氮化硼（平均粒径2μm）、固化剂（R’为R₁’至R₈’为甲基）、水解后的硅烷偶联剂（n=0，Y为胺基），继续搅拌12分钟，倒入模具中，真空除泡，预固化1.1小时，150℃固化1.1小时，自然冷却即成。

各个组分的质量含量为：环氧树脂30%；氮化硼30%；乙酸乙酯20%；固化剂15%；硅烷偶联剂5%。

实施例5

重复实施例1，其中固化剂R’为R₁’至R₈’为H原子。

实施例6

重复实施例1，其中固化剂R’为R₁’至R₈’为甲基（即—CH3）。

实施例7

重复实施例1，其中固化剂R’为R₁’至R₈’为H原子。

实施例8

重复实施例1，其中固化剂R’为R₁’至R₈’为H原子。

比较例1

重复实施例1，其中环氧树脂使用普通双酚A型环氧树脂。

比较例2

重复实施例4，其中环氧树脂使用普通双酚A型环氧树脂。

比较例3

重复比较例1，其中导热填料为55%，环氧树脂为30%。

以上实施例中的硅烷偶联剂其结构通式为Y(CH₂)_nSiCl₃，其中n=0～6，Y为环氧基或氨基或两种取代基的混合物。

所述硅烷偶联剂水解时，加入的水解溶液（水与乙醇的重量比例为1：9）与硅烷偶联剂的重量比例为1：1～4。

大功率LED灯用高导热绝缘胶粘剂的导热性能测定参照标准ASTMD5470，剪切强度测定参照标准ASTM1002-01。通过与使用普通环氧树脂进行比较，如附表1，可以发现本发明具有出色的绝缘性能，能够达到极高的导热率，而使用普通的双酚A型环氧树脂，导热率会大幅下降；提高导热填料含量又会导致粘接强度大幅下降。由此可以体现出本发明所用环氧树脂在导热上的优越性。

附表1

Claims (2)

1.一种大功率LED灯用高导热绝缘胶粘剂，包含以下组分及相应的质量比例：环氧树脂30-45％；固化剂3-15％；无机导热填料30-40％；溶剂10-20％；硅烷偶联剂2-5％；

所述的环氧树脂采用一种含有芳香环的环氧单体，其结构通式如下：

其中，R为亚甲基或无取代基，无取代基时为联苯结构；R₁至R₈为H原子或C1～C4的烃基；

所述的固化剂为一种芳香二胺，其结构通式如下：

其中，R₁’至R₈’为H原子或C1～C4的烃基；R’为无取代基或以下基团的一种：

所述的无机导热填料为碳化硅、氮化铝、氧化铝、氮化硼一种或多种或按任意比例混合，平均粒径为2μm-10μm；

所述的溶剂为乙醇、乙酸乙酯、丙酮、甲乙酮、丙二醇甲醚、环己酮中的一种或多种；

所述的硅烷偶联剂结构通式为Y(CH₂)_nSiCl₃，其中n＝0～6，Y为环氧基或氨基或两种取代基的混合物。

2.权利要求1所述的大功率LED灯用高导热绝缘胶粘剂的制备方法，按以下步骤进行：在室温下，将环氧树脂与溶剂搅拌混合，加入导热填料、固化剂、水解后的硅烷偶联剂，继续搅拌均匀，倒入模具中，真空除泡，预固化0.5～2小时，130～170℃固化0.5～2小时，自然冷却；

所述硅烷偶联剂水解时，加入的水解溶液与硅烷偶联剂的重量比例为1：1～4，水解溶液中的水与乙醇的重量比为1：9。