CN105219020A

CN105219020A - 高热导电绝缘材料、其制备方法及应用

Info

Publication number: CN105219020A
Application number: CN201410225064.1A
Authority: CN
Inventors: 姚亚刚; 陆跃军
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2034-05-26
Also published as: CN105219020B

Abstract

本发明公开了一种高导热电绝缘材料、其制备方法和应用。该高导热电绝缘材料包括：基体材料，主要包含热塑性、热固性或光固性的电绝缘性树脂；以及，分散于所述基体材料中的二维导热填料和磁性纳米粒子，其中所述导热填料在一选定方向上呈现对齐状态。其制备方法包括：提供呈流体状的成型材料，所述成型材料主要由热塑性、热固性或光固性的电绝缘性液态树脂材料、二维导热填料和磁性纳米粒子组成；以及将所述成型材料置于一设定磁场中固化，从而获得目标产物。本发明利用磁性纳米颗粒在磁场中可整齐排列的性质，使该填充材料在磁场方向呈现高热导特性，其制备工艺简单，有望在电子封装中广泛应用。

Description

高热导电绝缘材料、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种导热绝缘材料，特别涉及一种高热导电绝缘材料及其制备方法和应用，例如作为电子封装的底部填充材料的用途。

背景技术

高热导电绝缘底部填充材料在电子封装中具有广泛的应用前景。在热传导方面，使印刷电路板的热量及时传导出去；同时，在电绝缘方面，保护电子元器件不被短路。另外还有其他的很多优点，例如增强机械稳定性，降低热膨胀系数及内应力，防尘防潮防污染等。因此，从开发到应用一直备受人们关注。

目前常用的高热导电绝缘底部填充材料主要由环氧树脂组成。其中，环氧树脂是一种备受国内外广泛使用的电子封装材料，环氧树脂在封装材料中应用如此广泛，是因为其具有许多优异的特性，主要有：（1）环氧树脂与固化剂反应属于加成聚合，一般来讲收缩率比较小，没有副产物，因此材料内部的应力比较小，因而避免了气泡空洞的产生；（2）具有优良的耐热性，能满足一般电子、电器对绝缘材料的要求；（3）具有良好的密封性，这是其他材料所不能比的；（4）具有优良的电绝缘性，这也是不饱和聚酯树脂和酚醛树脂等一般热固性树脂达不到的；（5）基于配方中固化剂和促进剂的选择，配方可千变万化，从而具有各种不同的性能，以达到各种不同的要求。

但因为环氧树脂本身导热值不高，只有0.1W/(m·K)，故而通常还需要在环氧中加入导热值比较好的材料，例如六方氮化硼等。然而，即使如此，现有的高热导电绝缘底部填充材料依然存不能满足电子封装的性能需求。

发明内容

鉴于现有技术中的不足，本发明的目的之一在于提供一种高导热电绝缘材料，其包括：

基体材料，主要包含热塑性、热固性或光固性的电绝缘性树脂，

以及，吸附有磁性纳米粒子的二维导热填料，

其中，所述二维导热填料分散于所述基体材料中，并在一选定方向上呈现对齐状态。

本发明的目的之二在于提供制备前述高导热电绝缘材料的方法，包括：

提供呈流体状的成型材料，所述成型材料主要由热塑性、热固性或光固性的电绝缘性液态树脂材料、吸附有磁性纳米粒子的二维导热填料组成，

将所述成型材料置于一设定磁场中，使所述二维导热填料因磁性纳米粒子的磁导向性而在与磁场平行的方向上呈现对齐状态，并使所述成型材料固化，从而获得所述高导热电绝缘材料。

本发明的目的之三在于提供前述高导热电绝缘材料在电子封装中的应用。

本发明的目的之四在于提供一种电子封装结构，包括作为底部填料而分布在印刷电路板与电子元件之间的、前述的任一种高导热电绝缘材料。

本发明的目的之五在于提供制备前述电子封装结构的方法，包括：将前述的任一种高导热电绝缘材料填置于导电粒子周围形成绝缘填充，由其绝缘性保证电子元器件不被短路，其高热导性使印刷电路板和电子元器件得到很好的散热。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过在电绝缘树脂等基体材料中引入导热填料和磁性纳米粒子，并利用磁性纳米粒子在磁场中的导向的作用，在磁场存在情况下，使该复合材料在磁场方向呈现对齐状态；同时在磁场去除后，由于环氧树脂的热固性特性，使该复合材料保持了磁场存在时的结构，因而简单易行的实现了在选定方向上的粒子对齐，使其在该选定方向呈现良好的导热、绝缘性能，藉由该复合材料可使电子器件导热性能明显提高，并有效保证了电子器件的使用寿命。

附图说明

图1是本发明一实施方案中一种高导热电绝缘材料的制备工艺示意图，其中：1—成型材料容器、2—成型材料、3—模具、4—磁铁。

图2是本发明一实施方案中一种高导热电绝缘材料的结构示意图，其中：11—导热填料、12—磁性纳米粒子、13—基体材料、Z-磁场方向；

图3a及图3b-3d分别是本发明对照例1和实施例1中导热电绝缘材料的电镜图；

图4a-图4d是本发明实施例1中吸附有磁性纳米粒子的六方氮化硼的电镜图。

具体实施方式

本发明的一个方面提供了一种高导热电绝缘材料，包括：

以及，分散于所述基体材料中的、吸附有磁性纳米粒子的二维导热填料，

其中，所述导热填料在一选定方向上呈现对齐状态。

对于前述的电绝缘性树脂，其可选自热塑性树脂，例如聚烯烃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)、丙烯、聚酯等，或热固性树脂，诸如环氧树脂、酚醛树脂、硅树脂等，或光固性树脂，例如双酚A型环氧丙烯酸酯等。

当然，为促使所述热固性或光固性树脂固化，还可适量添加相应的固化剂，例如鎓盐及常见的光敏剂(lightinitiator)等。

优选的，前述电绝缘性树脂材料选用环氧树脂，例如环氧树脂828、环氧树脂E42，及相应固化剂，例如甲基六氢苯酐、1-氰乙基-2乙基-4甲基咪唑。

对于前述的导热填料，其可以选自氧化铝、氮化铝、氮化硼、氧化锆、氧化钛、氧化镁、氮化硅、碳化硅、石墨烯、二硫化钼等。优选自氮化硼、石墨烯或二硫化钼等，尤其优选为六方氮化硼，特别是通过机械剥离方式获得的六方氮化硼。

其中，所述导热填料具有二维形态，例如片状、使其能有比较明显的取向。

前述磁性纳米粒子可以是由Fe、Co、Ni等金属或其氧化物、氮化物等组成的纳米颗粒，优选为主要由金属氧化物构成，尤其优选为Fe₃O₄纳米粒子。

优选的，可在磁性纳米粒子和二维导热材料上分别加载异种电荷，其可以通过采用带电基团修饰磁性纳米粒子或二维导热材料的方式而实现。

而对于六方氮化硼，其载有负电荷，而金属氧化物（例如Fe₃O₄）形成的磁性纳米粒子中金属离子带有正电荷，因而两者无需修饰，即可因静电作用而吸附。

如此，在磁场中，吸附有磁性纳米粒子的二维导热材料就会在磁场的作用下而呈现平行于磁场方向的对齐。

进一步的，在本发明的高导热电绝缘材料中，二维导热填料的含量优选在5wt%-20wt%，而二维导热填料与磁性纳米粒子的质量比优选在5：1～1：2。

本发明的另一个方面提供了一种高导热电绝缘材料的制备方法，包括：

将所述成型材料置于一设定磁场中，使所述二维导热填料因磁性纳米粒子的磁导向性而在平行于磁场的方向上呈现对齐状态，并使所述成型材料固化，从而获得所述高导热电绝缘材料。

前述电绝缘性液态树脂材料可以是通过将热塑性树脂加热成液态而获得，或者可由硬化之前的液状热固性、光固性树脂构成，其可由前文所述的物质中选取。

又及，为使所获的高导热电绝缘材料能呈现所需的形态，还可借助一模具容置前述成型材料，并使前述成型材料在该模具中固化。

例如，请参阅图1，可以将成型材料2存储于一容器2中，再倾倒注入—模具3内，并在使成型材料固化的同时，以一磁铁4施加磁场，从而使其中的二维导热填料因磁性纳米粒子的磁导向性而在一选定方向上呈现对齐状态，进而获得所述高导热电绝缘材料，其结构可参阅图2。

作为较为优选的实施方案之一，可以依次将所述二维导热填料和磁性纳米粒子加入所述电绝缘性液态树脂材料，从而形成所述成型材料。

其中导热填料和磁性纳米粒子均可以粉体形态直接引入前述液态树脂材料。

前述的任一种高导热电绝缘材料均可在电子封装中应用，例如，作为底部填料而分布在印刷电路板与电子元件之间。而其实施过程可以包括：将前述任一种高导热电绝缘材料填置于导电粒子周围形成绝缘填充，由其绝缘性保证电子元器件不被短路，其高热导性使印刷电路板和电子元器件得到很好的散热。

以下结合若干实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1该高导热电绝缘材料的制备方法主要由如下步骤组成：

步骤一：环氧树脂基复合材料的合成。

所加入的六方氮化硼可先进行机械剥离，然后再进行对齐处理，机械剥离过程为：手工研磨30min后，转入球磨机中，580rad/min，24小时；然后加入适量1-甲基-2-乙基-4-吡咯烷酮，转入超声清洗机中超声处理24小时；之后抽滤；抽滤后转入烘箱150度（摄氏度，下同），6小时烘干，烘干后研磨成粉待用。

按照下表1所示配比，将前述六方氮化硼与环氧树脂及其它组分组合形成复合物1-3。

表1实施例1中机械剥离的氮化硼与环氧树脂等的用量配比

复合物	氮化硼掺杂量（wt%）	环氧树脂E828	环氧树脂E42	甲基六氢苯酐（MHHPA）	氮化硼	1-氰乙基-2-乙基-4甲基咪唑（wt%）
							1	5%	2.85	2.85	5.7	0.6	1%
2	10%	2.7	2.7	5.4	1.2	1%
							3	20%	2.4	2.4	4.8	2.4	1%

注：以上数值单位均为克。

步骤二：磁性纳米粒子的引入及环氧树脂基复合材料的固化。

在步骤一得到的复合物中按填料比1：5加入磁性纳米粒子Fe₃O₄（20nm），即磁性纳米粒子与六方氮化硼质量比为1:5。

搅拌均匀后，放置于混匀机中除去气泡；之后倒入模具中，放于烘箱中固化。固化方案：90度预固化1小时；之后150度固化4小时。

经测试表明，利用前述复合物2形成的导热电绝缘材料的导热率为0.6857W/m·k，剖面形貌请参阅图3b-3d，可以看到，氮化硼在该材料中系按照一致的取向排布，而磁性纳米粒子系吸附在氮化硼上（参阅图4a-4d）。又及，按照同样的方式测试，可以看到利用复合物1、3所形成的导热电绝缘材料的导热率和剖面形貌与之相近。

对照例1参照实施例1，取未经机械剥离处理的BN与环氧树脂直接混合形成导热电绝缘材料，其中各组分的含量如表1第2项所示，其导热率为0.3207W/m·k，剖面形貌请参阅图3a，其中氮化硼在该材料中系无序排布。

对照例2参照实施例1，取机械剥离处理的BN与环氧树脂直接混合形成导热电绝缘材料，其中各组分的含量如表1第2项所示，其导热率为0.4107W/m·k，剖面形貌与对照例1相似。

实施例2

称取2.85g的环氧树脂828和2.85g环氧树脂E42于纸杯中，在搅拌状态下加入0.6g六方氮化硼粉（可参照实施例1制备），同时加入磁性纳米粒子Fe₃O₄0.12g，之后加入固化剂5.7g甲基六氢苯酐与1%的促进剂1-氰基-2-乙基-4甲基咪唑，在室温下搅拌均匀，混匀机中初去气泡，将得到的样品倒置于模具中，在电热鼓风干燥箱中90℃预固化1h，而后在150℃下固化4小时，所获导热电绝缘材料的导热率及形貌与实施例1相近。

实施例3

称取2.92g的环氧树脂828和2.92g环氧树脂E42于纸杯中，在搅拌状态下加入0.24g六方氮化硼粉（可参照实施例1制备），同时加入磁性纳米粒子Fe₃O₄0.48g，之后加入固化剂甲基六氢苯酐与1%的促进剂1-氰基-2-乙基-4甲基咪唑，在室温下搅拌均匀，混匀机中初去气泡，将得到的样品倒置于模具中，在电热鼓风干燥箱中90℃预固化1h，而后在150℃下固化4小时，所获导热电绝缘材料的导热率及形貌与实施例1相近。

实施例4

称取2.4g的环氧树脂828和2.4g环氧树脂E42于纸杯中，在搅拌状态下加入2.4g六方氮化硼粉（可参照实施例1制备），同时加入磁性纳米粒子Fe₃O₄0.96g，之后加入固化剂4.8g甲基六氢苯酐与1%的促进剂1-氰基-2-乙基-4甲基咪唑，在室温下搅拌均匀，混匀机中初去气泡，将得到的样品倒置于模具中，在电热鼓风干燥箱中90℃预固化1h，而后在150℃下固化4小时，所获导热电绝缘材料的导热率及形貌与实施例1相近。

应当理解，以上仅是本发明众多具体应用范例中的实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.一种高导热电绝缘材料，其特征在于包括：

以及，吸附有磁性纳米粒子的二维导热填料，

2.根据权利要求1所述的高导热电绝缘材料，其特征在于所述电绝缘性树脂材料包括环氧树脂及相应固化剂。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的高导热电绝缘材料，其特征在于所述环氧树脂包括环氧树脂828和/或环氧树脂E42，所述固化剂包括甲基六氢苯酐和/或1-氰乙基-2乙基-4甲基咪唑。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的高导热电绝缘材料，其特征在于所述导热填料包括六方氮化硼、石墨烯或二硫化钼。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的高导热电绝缘材料，其特征在于所述导热填料包括通过机械剥离方式获得的六方氮化硼。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的高导热电绝缘材料，其特征在于所述磁性纳米粒子主要由金属氧化物构成。

7.一种高导热电绝缘材料的制备方法，其特征在于包括：

8.如权利要求7所述高导热电绝缘材料的制备方法，其特征在于包括：将所述二维导热填料和磁性纳米粒子同时加入所述电绝缘性液态树脂材料，从而形成所述成型材料。

9.权利要求1-8中任一所述高导热电绝缘材料在电子封装中的应用。

10.一种电子封装结构，其特征在于包括作为底部填料而分布在印刷电路板与电子元件之间的、如权利要求1-8中任一所述的高导热电绝缘材料。