CN113308090A - 一种氮化硼和聚苯胺的复合填料制备导热绝缘高分子基板的方法 - Google Patents

Abstract

一种氮化硼和聚苯胺的复合填料制备导热绝缘高分子基板的方法，属于功能高分子复合材料技术领域。采用表面沉积法，将聚苯胺聚合在氮化硼表面，取得氮化硼和聚苯胺的复合粉体，所述氮化硼与聚苯胺的投料质量比为10∶1～3；将氮化硼和聚苯胺的复合粉体、环氧树脂和固化剂混合、消泡后，加热固化，得到导热绝缘高分子基板。本发明通过高导热绝缘无机填料表面包覆导电高分子，改善无机颗粒与有机基体之间界面相容性，并降低导热无机颗粒与基体之间界面热阻，在低填充量时，实现高导热绝缘性。

Description

一种氮化硼和聚苯胺的复合填料制备导热绝缘高分子基板的 方法

技术领域

本发明属于功能高分子复合材料技术领域。

背景技术

随着微电子集成技术和组装技术的快速发展，电子元器件和逻辑电路的体积越来越小，而工作频率急剧增加，半导体热环境向高温方向迅速变化。此时电子设备所产生的热量迅速积累、增加，在使用环境温度下，为保证电子元器件长时间高可靠性地正常工作，及时散热能力就成为影响其使用寿命的重要限制因素，所以迫切需要研制轻质、高导热性能的绝缘高分子复合材料。

通常高分子材料本身的导热性能很差，是热的不良导体，只有通过填充高导热性的填料增加材料的热导率。目前，高导热绝缘高分子材料主要采用向高分子中填充导热组分，通用的导热填料为高导热的无机物。此方法得到的材料具有较好的导热率，价格低廉易于工业化生产是目前高导热绝缘高分子复合材料研究的主要方向。填料自身的导热性能及其在高分子基体中的分布形式决定了整体材料的导热性能。然后由于无机填料与高分子基体界面相容性差，使得无机填料在基体中易团聚，且界面热阻很高，极大影响了高分子基板最终的导热性能。导电填料的导热性能优异，如果采用导电填料填充，虽然可以获得高导热，但同样也存在着团聚的问题，且导电性的获得不利于基板绝缘性，故而，如何基于导电填料，还保持绝缘，实现高导热绝缘基板的设计，是目前高分子基板的热点。

发明内容

为了改善无机填料与高分子基体相容性，并达到高导热绝缘性能的要求，本发明提出一种氮化硼和聚苯胺复合填充制备导热绝缘高分子基板的方法。

本发明技术方案：采用表面沉积法，将聚苯胺聚合在氮化硼表面，取得氮化硼和聚苯胺的复合粉体，所述氮化硼与聚苯胺的投料质量比为10∶1～3；以氮化硼和聚苯胺的复合粉体为功能填料，分散于环氧树脂中，在固化剂存在和条件下，经搅拌、消泡后，加热固化，得到导热绝缘高分子基板。

发明利用导热绝缘无机填料和导热导电有机高分子组成复合导热填料，氮化硼为导热绝缘填料，沉积聚合在氮化硼表面的聚苯胺可以改善氮化硼与环氧树脂基体的相容性，且利用聚苯胺导电相具有较高的导热性，可以大大降低氮化硼与环氧树脂之间的界面热阻；另外，导电相聚苯胺的含量不能过高，否则为了保证最终基板绝缘性，其达到导电阈值前，所能填充的导热相含量较少，影响最终基板的导热性。

为了改善导热绝缘无机填料与高分子基体之间的相容性，并提升高分子基板的导热性，本发明利用具有导电特征的聚苯胺，通过表面沉积聚合，实现复合功能填料的制备，改善了无机填料在基体中的分散均匀性，并有效地降低了无机填料与高分子基体之间的界面热阻。优化填料的填量以及在基体中的分布，获得高分子基板的高导热和绝缘特性。

本发明特点体现如下：

1、以导热绝缘无机填料与导热导电高分子形成复合填料，改善了无机填料与高分子基体之间的界面相容性，降低了界面热阻。

2、调控复合填料的填充量与在基体的分布情况，实现在较低填充量条件下，制备了高导热高分子基板，并保持其良好的绝缘性，满足轻量化高性能高分子基板的使用要求。

进一步地，本发明优选氮化硼与聚苯胺的投料质量比为10∶2。以此制得的基板的导热性更强和绝缘性更好。

所述氮化硼和聚苯胺的复合粉体与环氧树脂的投料质量比为1～2∶20。采用该投料比，可在制成的基板中形成有效的导热通道，而导电相未超过导电阈值，从而实现高导热、低导电的基板特性。

更优选氮化硼/聚苯胺核壳复合填料与环氧树脂的投料质量比为1∶10。

所述环氧树脂与固化剂质量比为1∶1。

所述环氧树脂采用环氧E-51。

固化剂采用聚酰胺650。

附图说明

图1为氮化硼(h-BN)表面不同含量聚苯胺(PANI)包覆红外(FT-IR)谱图。

图2为氮化硼(h-BN)表面不同含量聚苯胺(PANI)包覆TEM图。

图3为氮化硼和聚苯胺复合粉体（氮化硼与苯胺投料的质量比分别为10∶1）与环氧树脂的投料质量比为5∶100形成的基板环氧树脂基板的力学性能图。

图4为氮化硼和聚苯胺复合粉体（氮化硼与苯胺投料的质量比分别为10∶2）与环氧树脂的投料质量比为5∶100形成的基板环氧树脂基板的力学性能图。

图5为氮化硼和聚苯胺复合粉体（氮化硼与苯胺投料的质量比分别为10∶3）与环氧树脂的投料质量比为5∶100形成的基板环氧树脂基板的力学性能图。

图6为氮化硼和聚苯胺复合粉体（氮化硼与苯胺投料的质量比分别为10∶1）与环氧树脂的投料质量比为10∶100形成的基板环氧树脂基板的力学性能图。

图7为氮化硼和聚苯胺复合粉体（氮化硼与苯胺投料的质量比分别为10∶2）与环氧树脂的投料质量比为10∶100形成的基板环氧树脂基板的力学性能图。

图8为氮化硼和聚苯胺复合粉体（氮化硼与苯胺投料的质量比分别为10∶3）与环氧树脂的投料质量比为10∶100形成的基板环氧树脂基板的力学性能图。

具体实施方式

一、制备氮化硼和聚苯胺复合粉体：

1、分别称取1.6g氮化硼粉体于250mL烧杯中，加入80mL 1mol/L盐酸超声分散30min，后加入相应质量的苯胺继续超声30min，其中氮化硼与苯胺投料的质量比分别为10∶1、10∶2和10∶3。

2、将以上三份混合液分别转入三颈烧瓶中并在冰水浴中搅拌预冷至体系温度为0～5℃后，将与AN摩尔比为1∶1.2～1.5的过硫酸铵(APS)盐酸溶液(0.25～1.0mol/L)预冷却并用蠕动泵分别缓慢加入三口烧瓶中。

3、待滴加结束，聚合反应20小时后，离心收集产物，用由等质量比的离子水与乙醇组成的混合洗涤液洗涤，直至滤液的pH值至7。然后，在80℃烘箱中烘干，得到绿色包覆产物BN/PANI复合填料。

4、将取得的绿色包覆产物BN/PANI复合填料进行红外和透射电子显微镜分析。

如图1所示，结果表明，氮化硼颗粒表面有明显的聚苯胺的特征峰。

又如图2所示，可以明显看到聚苯胺。

可见，已制得氮化硼和聚苯胺复合粉体。

二、制备导热绝缘高分子基板：

1、取10g固化剂聚酰胺650用2mL乙醇提前溶解，并用玻璃棒搅拌成流动态糊状，取得溶解的固化剂。

2、称量氮化硼和聚苯胺复合粉体分散在适量乙醇中，超声震荡30min，取得含有复合粉体的乙醇溶液。

3、将含有复合粉体的乙醇溶液加入到10g环氧树脂中，在80℃油浴下搅拌30min，再将溶解的固化剂加入环氧树脂（固化剂和树脂的投料质量比为1∶1）中，并经300r/min搅拌10min，取得混合体系。

4、将混合体系倒入模具中，抽真空10～15min（脱泡），并通过65℃、4h的升温程序固化，得到环氧树脂基板。

5、环氧树脂基板各项性能检测及结果：

如图3至图8示出了不同质量比氮化硼/聚苯胺以不同填充率填充基板环氧树脂基板力学性能，可见所制备的环氧树脂基板的弹性模量随填料分数的增加而降低，但10%的填料分数的最低弹性模量满足实际使用；且在同一个填料分数条件下，力学性能随氮化硼表面聚苯胺含量增加而增加。

表1显示了测试方法室温下在原位纳米力学测量系统上对块状试样进行原位压痕测试结果。

表1

由表1可见：不同质量比氮化硼/聚苯胺以不同填充率填充基板环氧树脂基板力学性能都能满足实际器件对于导热绝缘高分子的应用要求。

采用Hot disk (瑞典TPS-2500s)分别测定不同质量比氮化硼/聚苯胺以不同填充率填充基板环氧树脂基板在室温时的导热系数，结果如表2所示。

表2

由表2可见：制备的各基板导热系数已经满足半导体工作环境对导热的需求。

以上测试结果也表明：氮化硼和聚苯胺复合粉体（氮化硼与苯胺投料的质量比分别为10∶2）与环氧树脂的投料质量比为5∶100形成的基板环氧树脂基板各项力学性更佳。

Claims (7)

1.一种氮化硼和聚苯胺的复合填料制备导热绝缘高分子基板的方法，其特征在于：采用表面沉积法，将聚苯胺聚合在氮化硼表面，取得氮化硼和聚苯胺的复合粉体，所述氮化硼与聚苯胺的投料质量比为10∶1～3；将氮化硼和聚苯胺的复合粉体、环氧树脂和固化剂混合、消泡后，加热固化，得到导热绝缘高分子基板。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氮化硼与聚苯胺的投料质量比为10∶2。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述氮化硼和聚苯胺的复合粉体与环氧树脂的投料质量比为1～2∶20。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述氮化硼和聚苯胺的复合粉体与环氧树脂的投料质量比为1∶10。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述环氧树脂与固化剂的投料质量比为1∶1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述环氧树脂为环氧E-51。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述固化剂为聚酰胺650。

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