CN109535648A - 一种适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开了一种适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法，其制备方法包括以下步骤：第一步骤：平均聚合度n为3‑6的固态双酚A型环氧树脂40‑45份，抗静电剂0.5‑1份、阻燃剂1‑2份、低熔点金属粉末1‑2份通过物理分散均匀，得到粉末混合物A；第二步骤：将粉末混合物A加热到150摄氏度，保持加热5‑10分钟得到黏稠液体B；第三步骤：将氮化铝或氧化铝5‑10份加入黏稠液体B，加热到280摄氏度并保持加热10‑40分钟后挤出。本发明采用低熔点金属粉末与氮化铝或氧化铝的结合使用大大提高了导热性。本发明将低熔点金属粉末在200摄氏度下先熔融到固态双酚A型环氧树脂中，消除了金属粉末的导电性，使复合材料达到了绝缘效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法，属于高分子材料领域。
背景技术
随着电子元器件和电子设备向着小型化和微型化方向发展，在有限的空间积聚的热量越来越多，也对绝缘材料的导热和散热性能提出了更高的要求。微电子器件正向高性能、高集成度的方向发展，与之伴随的是电子元件的发热功率不断提高，各类微电子技术应用领域也对热管理材料产生了进一步的需求和依赖。金刚石/铜、碳化硅/铝等复合材料作为新一代的热管理材料，具有较高的热导率和适宜的热膨胀系数，但由于金属基体的存在，并不能用于要求特定绝缘或介电性能的应用场合。例如集成电路基板除了要有电绝缘性外，还要求材料具有高的热导率，以便将热量及时散发出去，满足大功率的要求。
目前，提高聚合物导热性能主要有两种途径：(1)合成具有高导热系数结构的聚合物，如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等，主要通过电子导热机制导电；或者具有完整的结晶性，通过声子实现导热；(2)在聚合物体系中加入高导热无机物制备导热复合材料来实现导热。第一种途径无需添加导热填料，依靠聚合物本身实现导热，适应范围较窄，且由于本身导电无应用于绝缘领域；第二种途径通过添加无机导热填料在聚合物体系中相互接触形成导热通路来实现导热，适用范围广。然而，普通无机导热填料的导热系数仍较低，且与聚合物体系的相容性较差，通常需要在50-90重量％添加量下才能实现高导热功能，这样往往会导致聚合物材料的机械性能和绝缘性能降低。
对于以低添加量达到高导热性的导热填料材料，仍存在着改进的需要。集成电路封装基板存在分布电容，对超高频信号产生延迟，其延迟时间(L为信号传送距离，ε为基片或绝缘层的介电常数，c为真空中的光速)，这就要求基板材料应具有低的介电系数。因而，在此应用场合下，高导热复合材料已不能满足低介电系数、电绝缘性良好的性能要求。
灌封就是将液态复合物用机械或手工方式灌入装有电子元件、线路的器件内，在常温或加热条件下固化成为性能优异的热固性高分子绝缘材料。灌封的作用是强化电子器件的整体性，提高对外来冲击、震动的抵抗力；提高内部元件、线路间绝缘，有利于器件小型化、轻量化；避免元件、线路直接暴露，改善器件的防水、防潮性能，并提高使用性能和稳定参数。现有的灌封材料的导热能力不够强，而且强度和抗静电性能不够。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种高导热性能的适用于灌封的绝缘复合材料的制备方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法包括以下步骤：第一步骤：平均聚合度n为3-6的固态双酚A型环氧树脂40-45份，抗静电剂0.5-1份、阻燃剂1-2份、低熔点金属粉末1-2份通过物理分散均匀，得到粉末混合物A；第二步骤：将粉末混合物A加热到150摄氏度，保持加热5-10分钟得到黏稠液体B；第三步骤：将氮化铝或氧化铝5-10份加入黏稠液体B，加热到280摄氏度并保持加热10-40分钟后挤出。
作为一种优选的技术方案，第三步骤加热采用程序升温，所述程序升温按照以下方式，由150摄氏度升温到200摄氏度保温3-10分钟，由220摄氏度升温到250摄氏度保温3-15分钟，由250摄氏度升温到280摄氏度保温4-15分钟。
作为一种优选的技术方案，本发明高导热绝缘复合材料在熔融前物理分散采用高剪切分散机将各成份分散均匀。
作为一种优选的技术方案，所述适用于灌封的高导热绝缘复合材料的组成成分以及重量份为：平均聚合度n为3-6的固态双酚A型环氧树脂40-45份，抗静电剂0.5-1份、阻燃剂1-2份、低熔点金属粉末1-2份、填料氮化铝或氧化铝5-10份。
作为一种优选的技术方案，所述的低熔点金属粉末选自二元合金镓铟、镓锡、铋锡、铟铋、铟锡中的一种或几种。
作为一种优选的技术方案，所述抗静电剂选自聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体、聚醚酯酰胺、聚醚酯乙酰胺、聚氧化乙烯中的一种或几种。
作为一种优选的技术方案，所述阻燃剂由萜烯树脂和三氧化二锑组成，并且以质量分数计萜烯树脂：三氧化二锑的质量比为1:1-1:5。
作为一种优选的技术方案，所述固态双酚A型环氧树脂的平均聚合度为5。
作为一种优选的技术方案，所述氮化铝或氧化铝的粒径为5μm-10μm。
本发明的有益之处在于：本发明采用低熔点金属粉末与氮化铝或氧化铝的结合使用大大提高了导热性。加入抗静电剂和阻燃剂，提高抗静电效果和阻燃效果。本发明优选采用平均聚合度为5固态双酚A型环氧树脂，其软化温度大于100摄氏度，灌封过后有良好的热稳定性。
本发明在制备高导热绝缘复合材料采用将低熔点金属粉末在200摄氏度下先熔融到固态双酚A型环氧树脂中，消除了金属粉末的导电性，使复合材料达到了绝缘效果。本发明在黏稠液体B中加入氮化铝或氧化铝，并通过程序升温保温的方式使氮化铝或氧化铝能更加均匀稳定的分散到黏稠液体B中，使最终制备得到高导热绝缘复合材料性能更加稳定。
具体实施方式
除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。
本发明中适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法包括以下步骤：第一步骤：平均聚合度n为3-6的固态双酚A型环氧树脂40-45份，抗静电剂0.5-1份、阻燃剂1-2份、低熔点金属粉末1-2份通过物理分散均匀，得到粉末混合物A；第二步骤：将末混合物A加热到150摄氏度，保持加热5-10分钟得到黏稠液体B；第三步骤：将氮化铝或氧化铝5-10份加入黏稠液体B，加热到280摄氏度并保持加热10-40分钟后挤出。
作为本发明的一种优选的实施方式，第三步骤加热采用程序升温，所述程序升温按照以下方式，由150摄氏度升温到200摄氏度保温3-10分钟，由220摄氏度升温到250摄氏度保温3-15分钟，由250摄氏度升温到280摄氏度保温4-15分钟。
作为本发明的一种优选的实施方式，本发明高导热绝缘复合材料在熔融前物理分散采用高剪切分散机将各成份分散均匀。
本发明中适用于灌封的高导热绝缘复合材料的组成成分以及重量份为：平均聚合度n为3-6的固态双酚A型环氧树脂40-45份，抗静电剂0.5-1份、阻燃剂1-2份、低熔点金属粉末1-2份、填料氮化铝或氧化铝5-10份。
低熔点合金
低熔点合金是指熔点在300℃以下的金属及其合金，通常由Bi、Sn、Pb、In等低熔点金属元素组成。低熔点合金具有高的导热性和优良的导电性。作为本发明的一种优选的实施方式，所述的低熔点金属粉末选自二元合金镓铟、镓锡、铋锡、铟铋、铟锡中的一种或几种。
抗静电剂
抗静电剂是添加在塑料之中或涂敷于模塑制品的表面,以达到减少静电积累目的的一类添加剂。通常根据使用方法的不同,抗静电剂可分为内加型和外涂型两大类,用于塑料的主要是内加型抗静电剂。抗静电剂一般都具有表面活性剂的特征，结构上极性基团和非极性基团兼而有之。常用的极性基团（即亲水基）有：羧酸、磺酸、硫酸、磷酸的阴离子，胺盐、季铵盐的阳离子，以及-OH、-O-等基团，常用的非极性基团（即亲油基或疏水基）有：烷基、烷芳基等，从而形成了纤维工业常用的五种基本类型的ASA，即胺的衍生物，季铵盐，硫酸酯、磷酸酯以及聚乙二醇的衍生物。作为本发明的一种优选的实施方式，所述抗静电剂选自聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体、聚醚酯酰胺、聚醚酯乙酰胺、聚氧化乙烯中的一种或几种。
阻燃剂
阻燃剂，赋予易燃聚合物难燃性的功能性助剂，主要是针对高分子材料的阻燃设计的；阻燃剂有多种类型，按使用方法分为添加型阻燃剂和反应型阻燃剂。添加型阻燃剂是通过机械混合方法加入到聚合物中，使聚合物具有阻燃性的，目前添加型阻燃剂主要有有机阻燃剂和无机阻燃剂，卤系阻燃剂（有机氯化物和有机溴化物）和非卤。有机是以溴系、磷氮系、氮系和红磷及化合物为代表的一些阻燃剂，无机主要是三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝，硅系等阻燃体系。作为本发明的一种优选的实施方式，所述阻燃剂由萜烯树脂和三氧化二锑组成，并且以质量分数计萜烯树脂：三氧化二锑的质量比为1:1-1:5。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述固态双酚A型环氧树脂的平均聚合度为5。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述氮化铝或氧化铝的粒径为5μm-10μm。
本发明的有益之处在于：本发明采用低熔点金属粉末与氮化铝或氧化铝的结合使用大大提高了导热性。加入抗静电剂和阻燃剂，提高抗静电效果和阻燃效果。本发明优选采用平均聚合度为5固态双酚A型环氧树脂，其软化温度大于100摄氏度，灌封过后有良好的热稳定性。
本发明在制备高导热绝缘复合材料采用将低熔点金属粉末在200摄氏度下先熔融到固态双酚A型环氧树脂中，消除了金属粉末的导电性，使复合材料达到了绝缘效果。本发明在黏稠液体B中加入氮化铝或氧化铝，并通过程序升温保温的方式使氮化铝或氧化铝能更加均匀稳定的分散到黏稠液体B中，使最终制备得到高导热绝缘复合材料性能更加稳定。
导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，℃），在1秒内（1s），通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/(m·K)，此处为K可用℃代替）。
导热系数的测试分为动态法和稳态法，稳态法又分为热流计法和防护热板法。考虑到仪器精度以及控温范围，本发明参照国标GB/T10294-2008标准，采用防护热板法进行测试。
冲击强度是衡量材料韧性的一种指标，通常定义为试样在冲击载荷的作用下折断或折裂时，单位截面积所吸收的能量。本发明采用国标GB/T1043.1-2008塑料进行测试。
绝缘材料是在允许电压下不导电的材料，但不是绝对不导电的材料，在一定外加电场强度作用下，也会发生导电、极化、损耗、击穿等过程，而长期使用还会发生老化。绝缘材料的电阻率很高，通常在1010～1022Ω·m的范围内。为了防止绝缘材料的绝缘性能损坏造成事故，必须使绝缘材料符合国家标准规定的性能指标。而绝缘材料的性能指标很多，各种绝缘材料的特性也各有不同，常用绝缘材料的主要性能指标有击穿强度、耐热性、绝缘电阻和机械强度等。本发明采用固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法国标GB/T1410-2006测定复合材料的电阻率。
塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不致破坏的能力，常用的塑性指标是延伸率和断面收缩率。延伸率又叫伸长率,是指材料试样受拉伸载荷折断后,总伸长度同原始长度比值的百分数,用δ表示。断面收缩率是指材料试样在受拉伸载荷拉断后，断面缩小的面积同原截面面积比值的百分数，用ψ表示。
本发明采用国家标准GB/T228.1-2010测试符合材料的拉伸度。
实施例1
第一步骤：平均聚合度5的固态双酚A型环氧树脂40份，抗静电剂0.5份、阻燃剂1份、低熔点金属粉末1份通过物理分散均匀，得到粉末混合物A；第二步骤：将末混合物A加热到150摄氏度，保持加热5分钟得到黏稠液体B；第三步骤：将氮化铝5份加入黏稠液体B，由150摄氏度升温到200摄氏度保温5分钟，由220摄氏度升温到250摄氏度保温10分钟，由250摄氏度升温到280摄氏度保温15分钟后挤出制得的复合材料的拉伸强度为55MPa，冲击强度为50MPa，导热系数2W/m·K，电阻率为1012Ω·m。
实施例2
第一步骤：平均聚合度5的固态双酚A型环氧树脂40份，抗静电剂0.5份、阻燃剂1份、低熔点金属粉末1份通过物理分散均匀，得到粉末混合物A；第二步骤：将末混合物A加热到150摄氏度，保持加热5分钟得到黏稠液体B；第三步骤：将氮化铝6份加入黏稠液体B，由150摄氏度升温到200摄氏度保温5分钟，由220摄氏度升温到250摄氏度保温10分钟，由250摄氏度升温到280摄氏度保温15分钟后挤出制得的复合材料的拉伸强度为52MPa，冲击强度为49MPa，导热系数2.0W/m·K，电阻率为1017Ω·m。
实施例3
第一步骤：平均聚合度5的固态双酚A型环氧树脂40份，抗静电剂0.5份、阻燃剂1份、低熔点金属粉末1份通过物理分散均匀，得到粉末混合物A；第二步骤：将末混合物A加热到150摄氏度，保持加热5分钟得到黏稠液体B；第三步骤：将氮化铝8份加入黏稠液体B，由150摄氏度升温到200摄氏度保温5分钟，由220摄氏度升温到250摄氏度保温10分钟，由250摄氏度升温到280摄氏度保温15分钟后挤出制得的复合材料的拉伸强度为52MPa，冲击强度为49MPa，导热系数1.6W/m·K，电阻率为1017Ω·m。
实施例4
第一步骤：平均聚合度5的固态双酚A型环氧树脂40份，抗静电剂0.5份、阻燃剂1份、低熔点金属粉末1.1份通过物理分散均匀，得到粉末混合物A；第二步骤：将末混合物A加热到150摄氏度，保持加热5分钟得到黏稠液体B；第三步骤：将氮化铝6份加入黏稠液体B，由150摄氏度升温到200摄氏度保温5分钟，由220摄氏度升温到250摄氏度保温10分钟，由250摄氏度升温到280摄氏度保温15分钟后挤出制得的复合材料的拉伸强度为55MPa，冲击强度为51MPa，导热系数2.1W/m·K，电阻率为1017Ω·m。
实施例5
第一步骤：平均聚合度5的固态双酚A型环氧树脂40份，抗静电剂0.5份、阻燃剂1份、低熔点金属粉末1.6份通过物理分散均匀，得到粉末混合物A；第二步骤：将末混合物A加热到150摄氏度，保持加热5分钟得到黏稠液体B；第三步骤：将氮化铝6份加入黏稠液体B，由150摄氏度升温到200摄氏度保温5分钟，由220摄氏度升温到250摄氏度保温10分钟，由250摄氏度升温到280摄氏度保温15分钟后挤出制得的复合材料的拉伸强度为52MPa，冲击强度为49MPa，导热系数2.1W/m·K，电阻率为1017Ω·m。
对比例1
第一步骤：平均聚合度5的固态双酚A型环氧树脂40份，抗静电剂0.5份、阻燃剂1份得到粉末混合物A；第二步骤：将末混合物A加热到150摄氏度，保持加热5分钟得到黏稠液体B；第三步骤：将黏稠液体B，由150摄氏度升温到200摄氏度保温5分钟，由220摄氏度升温到250摄氏度保温10分钟，由250摄氏度升温到280摄氏度保温15分钟后挤出制得的复合材料的拉伸强度为34MPa，冲击强度为40MPa，导热系数0.8W/m·K，电阻率为1010Ω·m。
对比例2
第一步骤：平均聚合度5的固态双酚A型环氧树脂40份，抗静电剂0.5份、阻燃剂1份、低熔点金属粉末1.6份得到粉末混合物A；第二步骤：将末混合物A加热到150摄氏度，保持加热5分钟得到黏稠液体B；第三步骤：将黏稠液体B，由150摄氏度升温到200摄氏度保温5分钟，由220摄氏度升温到250摄氏度保温10分钟，由250摄氏度升温到280摄氏度保温15分钟后挤出制得的复合材料的拉伸强度为48MPa，冲击强度为45MPa，导热系数1.8W/m·K，电阻率为106Ω·m。
对比例3
第一步骤：平均聚合度5的固态双酚A型环氧树脂40份，抗静电剂0.5份、阻燃剂1份通过物理分散均匀，得到粉末混合物A；第二步骤：将末混合物A加热到150摄氏度，保持加热5分钟得到黏稠液体B；第三步骤：将氮化铝6份加入黏稠液体B，由150摄氏度升温到200摄氏度保温5分钟，由220摄氏度升温到250摄氏度保温10分钟，由250摄氏度升温到280摄氏度保温15分钟后挤出制得的复合材料的拉伸强度为40MPa，冲击强度为42MPa，导热系数1.5W/m·K，电阻率为1015Ω·m。
对比例4
将平均聚合度为5的固态双酚A型环氧树脂40份，抗静电剂0.5份、阻燃剂1份、低熔点金属粉末1.1份、填料氮化铝或氧化铝6份通过物理方法粉碎，加热到150摄氏度，保持加热5分钟，由150摄氏度升温到200摄氏度保温5分钟，由220摄氏度升温到250摄氏度保温10分钟，由250摄氏度升温到280摄氏度保温15分钟后挤出制得的复合材料的拉伸强度为45MPa，冲击强度为48MPa，导热系数1.7W/m·K，电阻率为1012Ω·m。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法包括以下步骤：第一步骤：平均聚合度n为3-6的固态双酚A型环氧树脂40-45份，抗静电剂0.5-1份、阻燃剂1-2份、低熔点金属粉末1-2份通过物理分散均匀，得到粉末混合物A；第二步骤：将粉末混合物A加热到150摄氏度，保持加热5-10分钟得到黏稠液体B；第三步骤：将氮化铝或氧化铝5-10份加入黏稠液体B，加热到280摄氏度并保持加热10-40分钟后挤出。
2.根据权利要求1所述的一种适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，第三步骤加热采用程序升温，所述程序升温按照以下方式，由150摄氏度升温到200摄氏度保温3-10分钟，由220摄氏度升温到250摄氏度保温3-15分钟，由250摄氏度升温到280摄氏度保温4-15分钟。
3.根据权利要求1所述的一种适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述高导热绝缘复合材料在熔融前物理分散采用高剪切分散机将各成份分散均匀。
4.根据权利要求1所述的一种适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述适用于灌封的高导热绝缘复合材料的组成成分以及重量份为：平均聚合度n为3-6的固态双酚A型环氧树脂40-45份，抗静电剂0.5-1份、阻燃剂1-2份、低熔点金属粉末1-2份、填料氮化铝或氧化铝5-10份。
5.根据权利要求3所述的一种适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述的低熔点金属粉末选自二元合金镓铟、镓锡、铋锡、铟铋、铟锡中的一种或几种。
6.根据权利要求3所述的一种适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述抗静电剂选自聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体、聚醚酯酰胺、聚醚酯乙酰胺、聚氧化乙烯中的一种或几种。
7.根据权利要求3所述的一种适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述阻燃剂由萜烯树脂和三氧化二锑组成，并且以质量分数计萜烯树脂：三氧化二锑的质量比为1:1-1:5。
8.根据权利要求3所述的一种适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述固态双酚A型环氧树脂的平均聚合度为5。
9.根据权利要求3所述的一种适用于灌封的高导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述氮化铝或氧化铝的粒径为5μm-10μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190329 |
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