CN114539654B - 一种利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的塑封材料改性方法 - Google Patents

一种利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的塑封材料改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的塑封材料改性方法，步骤为：1)获取基底液；2)在基底液中添加铁电聚合物；3)得到铁电材料和基底的混合液；4)在温度T1下对混合液进行预固化，再在温度T2下对预固化后的混合液进行固化，温度T1和T2由所选取的基底液决定；5)退火得到器件封装导热材料。本专利将铁电聚合物加入基底中，通过高压模块自带的电场，使得材料中电畴的排列更加有序，形成高导热通道，在维持封装材料高绝缘的情况下，提高了材料的导热性能。

Description

一种利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的塑封材料 改性方法
技术领域
本发明涉及材料领域，具体是一种利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的塑封材料改性方法。
背景技术
应用于轨道交通、新能源发电和工业电机等领域的IGBT、高电压开关等高电压器件不仅需要良好的绝缘性，而且需要更好的集成散热。如果其中积聚的热量不能及时被散出，将导致元器件工作温度过高，这直接影响到各种设备的寿命和可靠性。因此，迫切需要提出如何在维持绝缘的前提下，能提高其封装材料导热的方法。
聚乙烯、聚丙烯以及聚酰亚胺等聚合物由于其良好的电绝缘性能以及低廉的成本，已经成为最普遍的高压器件封装材料。但是它们的导热系数比较低，完全不能满足散热需求。在聚合物中添加石墨烯、氧化铝、氮化硼和碳化硅等高导热无机填料是提高聚合物导热系数的最有效方法之一。但是无机填料与聚合物基体难以相容，这导致了材料整体机械性能、电绝缘性能的大幅衰减。因此，迫切需要寻找一种更好的封装材料改性方法，以在不影响聚合物封装材料其他性能的情况下提高材料导热。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的塑封材料改性方法，包括以下步骤：
1)获取基底液；
所述基底被用于高压器件封装塑封。
所述高压器件封装材料由基底液固化而成。
所述基底液固化而成的高压器件封装材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、环氧树脂、聚酯树脂和有机硅凝胶。
2)在基底溶液中添加铁电聚合物；
所述铁电聚合物包括聚偏氟乙烯、共聚物偏氟乙烯-三氟乙烯、奇数尼龙、聚偏氯乙烯、聚乳酸、聚偏氟乙烯-六氟丙烯等有显著自发极化的高分子材料。
3)得到铁电材料和基底的混合液，对添加有铁电聚合物的基底液施加t时间超声波，使铁电聚合物均匀分散于基底溶液中，得到混合液；t>0，进一步，t＝30min。
4)在温度T1下对混合液进行预固化，再在温度T2下对预固化后的混合液进行固化，温度T1和T2由所选取的基底液决定；
5)退火得到器件封装导热材料。
值得说明的是，本发明通过在常用聚合物封装材料中添加具有较大极化率的铁电聚合物，如：聚偏氟乙烯(PVDF)、共聚物偏氟乙烯-三氟乙烯[P(VDF-TrFE)]和聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-hfp)等。在高电压器件自带电场的驱动下，铁电聚合物中的电畴的方向将改变，从而使得声子传递更加顺利，最终在封装材料中形成高导热通道，使器件温度得到降低。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明有益效果如下：
1)导热性能提高能力显著，如器件自带电场为1kV，则导热系数可提升120％；
2)改性工艺简单可靠，仅仅简单的手工掺杂即可实现可观效果；
3)材料综合性能好，铁电聚合物和聚合物封装材料基体间的相容性远好于普遍使用的无机-聚合物复合材料体系，且导热的增强缘于绝缘介质的极化，因此可以保持良好的机械性能、电绝缘性能、长寿命和耐腐蚀等能力；
4)实用性强，利用器件自发电场驱动导热增强，无需额外能源或组件。
附图说明
图1为方法流程图；
图2为原理对比图；
图3为工作条件下三种材料的温度对比图；
图4为不同材料导热系数对电场的依赖性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1至图4，一种利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的塑封材料改性方法，包括以下步骤：
1)获取基底液；
所述基底被用于高压器件封装塑封。
所述高压器件封装材料由基底液固化而成。
所述基底液固化而成的高压器件封装材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、环氧树脂、聚酯树脂和有机硅凝胶。
2)在基底溶液中添加铁电聚合物；
所述铁电聚合物包括聚偏氟乙烯、共聚物偏氟乙烯-三氟乙烯、奇数尼龙、聚偏氯乙烯、聚乳酸、聚偏氟乙烯-六氟丙烯等有显著自发极化的高分子材料。
3)对添加有铁电聚合物的基底液施加30min超声波，使铁电聚合物均匀分散于基底溶液中，得到混合液；
4)在温度T1下对混合液进行预固化，再在温度T2下对预固化后的混合液进行固化，温度T1和T2由所选取的基底液决定；
5)退火得到器件封装导热材料。
本专利将铁电聚合物加入基底中，通过高压模块自带的电场，使得材料中电畴的排列更加有序，形成高导热通道，在维持封装材料高绝缘的情况下，提高了材料的导热性能。
实施例2：
利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的聚偏氟乙烯改性环氧树脂复合材料制备：
首先在10g环氧树脂A胶中加入2ml无水乙醇，在80℃下搅拌溶解，然后将5g纳米聚偏氟乙烯粉末加入到环氧树脂A胶中，超声30min。然后将5g环氧树脂B胶加入到上述聚偏氟乙烯/环氧树脂B胶溶液中，将混合液体搅匀。然后将其整体置于60℃的油浴中，使得乙醇溶剂挥发干净。接着再将固化剂甲基六氢邻苯二甲酸酐加入混合液中，同时进行搅拌，再真空脱气直至混合液中无气泡。最后将混合液浇注到干净的模具中，先在80℃下使环氧树脂预固化2h，然后再在180℃下使环氧树脂固化5h，待固化完后缓慢退火至室温，使聚偏氟乙烯形成较多β晶型，然后取出试样。
复合材料的电绝缘强度和导热系数测定：结果表明，聚偏氟乙烯改性环氧树脂复合材料的导热系数(0.34W/(m·K))比环氧树脂材料(0.21W/(m·K))提高了61.9％，聚偏氟乙烯/环氧树脂复合材料的电绝缘强度(51kV/mm)与环氧树脂材料(54kV/mm)几乎相同，将试样用于灌封陶瓷电容器件以测试其利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的性能，测试结果发现，器件电极承受30kV/mm时，采用聚偏氟乙烯/环氧树脂复合材料封装的器件的表面温度(75℃)比采用环氧树脂材料封装的器件的表面温度(90℃)降低了16.7％。
实施例3：
利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的聚偏氟乙烯改性聚酯树脂复合材料制备：
首先在15g不饱和聚酯溶液中加入5g纳米聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)粉末，超声30min。然后将过氧化苯甲酰引发剂加入到上述溶液中，将混合液体搅匀，接着再真空脱气直至混合液中无气泡。最后将混合液浇注到干净的模具中，先在100℃下使混合液预固化2h，然后再升温至180℃，缓慢退火至室温，使聚偏氟乙烯形成较多β晶型，然后取出试样。
复合材料的电绝缘强度和导热系数测定：结果表明，聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)/聚酯树脂复合材料的导热系数(0.33W/(m·K))比聚酯树脂材料(0.19W/(m·K))提高了73.7％，聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)/聚酯树脂复合材料的电绝缘强度(131kV/mm)与聚酯树脂材料(154kV/mm)几乎相同，将试样用于灌封薄膜电容器件以测试其利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的性能，测试结果发现，器件电极承受30kV/mm时，采用聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)/聚酯树脂复合材料封装的器件的表面温度(78℃)比采用聚酯树脂材料封装的器件的表面温度(92℃)降低了15.2％。
实施例4：
利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的BaTiO3/聚酰亚胺复合材料制备：首先在15g聚酰胺酸溶胶中加入5gBaTiO3粉末，超声30min，然后真空脱气直至混合液中无气泡。最后将混合液浇注到干净的模具中，60℃加热1h，120℃加热1h，150℃加热1h，200℃加热1h，250℃加热1h，300℃加热1h，自然静置6h，然后取出试样。
复合材料的电绝缘强度和导热系数测定：结果表明，BaTiO3/聚酰亚胺复合材料的导热系数(0.43W/(m·K))比聚酯树脂材料(0.18W/(m·K))提高了138.9％，BaTiO3/聚酰亚胺复合材料的电绝缘强度(244kV/mm)与聚酯树脂材料(254kV/mm)几乎相同，将试样用于灌封薄膜电容器件以测试其利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的性能，测试结果发现，器件电极承受30kV/mm时，采用BaTiO3/聚酰亚胺复合材料封装的器件的表面温度(72℃)比采用聚酯树脂材料封装的器件的表面温度(89℃)降低了19.1％。

Claims (2)

1.一种利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的塑封材料改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取基底液；
2)在基底液中添加铁电聚合物；
3)得到铁电材料和基底的混合液，对添加有铁电聚合物的基底液施加超声波，使铁电聚合物均匀分散于基底溶液中，得到混合液；
4)在温度T1下对混合液进行预固化，再在温度T2下对预固化后的混合液进行固化，温度T1和T2由所选取的基底液决定；
5)退火得到器件封装导热材料；
所述基底液固化而成的高压器件封装材料包括聚酰亚胺、环氧树脂、聚酯树脂和有机硅凝胶；
所述铁电聚合物包括具有显著自发极化的高分子材料；所述具有显著自发极化的高分子材料包括聚偏氟乙烯、共聚物偏氟乙烯-三氟乙烯、奇数尼龙、聚偏氯乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯。
2.根据权利要求1所述的一种利用高压模块自带电场来提高器件封装导热的塑封材料改性方法，其特征在于：所述基底液被用于高压器件封装塑封。
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