1、绝缘材料 2023,56(7)陈嘉亮等：单组份高导热结构胶的制备及性能表征单组份高导热结构胶的制备及性能表征陈嘉亮，王刚，夏婷，苏建峰，李会录（西安科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710054）摘要：以双酚A型环氧树脂E124为主体树脂、聚硫醇为固化剂，咪唑为促进剂制备基础胶液。在基础胶液种加入不同比例、不同尺寸的球形氧化铝和不规则氧化铝制备单组分高导热结构胶，探究了不同填充量、不同粒径氧化铝对单组分高导热结构胶热导率、粘接强度、黏度和触变性等性能的影响。结果表明：当基础胶液与3种不同粒径氧化铝质量之比 m（基础胶液）m（40 m Al2O3）m（2 m Al2O3）m（0.5 m
2、Al2O3）=15 59.5 25.5 6；m（基础胶液）m（40 m Al2O3）m（5 m Al2O3）m（0.5 m Al2O3）=15 59.5 25.5 8；m（基础胶液）m（40 m Al2O3）m（10 m Al2O3）m（0.5 m Al2O3）=15 68 17 8时，可制得9015 min固化的3种高导热结构胶，其热导率分别为2.73、3.05、2.85 W/(mK)，粘接强度分别为5.49、5.55、5.31 MPa，黏度分别为145 000、127 467、118 467 mPas。3种高导热结构胶的体积电阻率均在1014 m以上，经高温高湿和冷、热冲击后粘接残存率分别
3、在70%和90%以上。该高导热结构胶的性能满足了丝网印刷工艺和芯片封装用散热材料的基本性能要求。关键词：环氧树脂；黏度；热导率；粘结强度；氧化铝；填料中图分类号：TM215.4 DOI:10.16790/ki.1009-9239.im.2023.07.005Preparation and characterization of single component high thermal conductive structural adhesiveCHEN Jialiang,WANG Gang,XIA Ting,SU Jianfeng,LI Huilu(College of Material S
4、cience and Engineering,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China)Abstract:A base gel was prepared with bisphenol A epoxy resin E124 as the main resin,polymercaptan as the curing agent,and imidazole as the accelerator.A single component high thermal conductive structural adhesive wa
5、s prepared by adding different proportions and sizes of spherical alumina and irregular alumina into the base gel.The effects of different filling content and different particle sizes of alumina on the thermal conductivity,bonding strength,viscosity,and thixotropy of the single component high therma
6、l conductive structural adhesive were studied.The results show that when the mass ratio of base gel to the three different particle sizes of alumina is m(base gel)m(40 m Al2O3)m(2 m Al2O3)m(0.5 m Al2O3)=1559.5 25.5 6,m(base gel)m(40 m Al2O3)m(5 m Al2O3)m(0.5 m Al2O3)=15 59.5 25.5 8,m(base gel)m(40 m
7、 Al2O3)m(10 m Al2O3)m(0.5 m Al2O3)=15 68 17 8,three kinds of high thermal conductive structural adhesives cured at 90 for 15 min can be obtained,their thermal conductivity is 2.73,3.05,2.85 W/(mK),their bonding strength is 5.49,5.55 and 5.31 MPa,and their viscosity is 145 000,127 467 and 118467 mPas
8、,respectively.The volume resistivity of the three kinds of high thermal conductive structural adhesives is above 1014 m,and the adhesive survival rate after high temperature and humidity,cold and thermal shock is more than 70%and 90%,respectively.The performance of the high thermal conductive struct
9、ural adhesive meets the basic performance requirements of screen printing and heat dissipation materials for chip packaging.Key words:epoxy resin;viscosity;thermal conductivity;bonding strength;alumina;filler0引 言电子和通信等技术的蓬勃发展促进各类电子产品层见叠出，推动着人类生产和生活方式加速转变。先进电子器件及产品高密度和多功能化集成发展使以芯片为代表的电子元器件的集成度和功耗不断增加
10、，导致电子产品的散热快速增大1。十度升温法则1反映电子元器件的工作温度每增加10，其散热性能就会降低25%50%。如果这些电子元器件的热量不能及时有效消散，将对电子产品的可靠性和使用寿命造成严重的影响，因此各类新型导热、散热材料一直是电子产业的重点研究方向之一2。国内外已经分别研制出热导率为 2.8 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51903207）25绝缘材料 2023,56(7)陈嘉亮等：单组份高导热结构胶的制备及性能表征W/(mK)和2.9 W/(mK)的高分子导热胶，占据着国内的主要市场。YUAN H等3通过聚多巴胺包覆铜纳米线制备环氧复合材料，提高了材料的热导率，当铜纳米线质量分
11、数为 3.1%时，热导率达到 2.87 W/(mK)。但现有导热胶仍存在黏度过大（大于200 000 mPas），不能满足丝网印刷工艺及固化效率低等问题，因此亟需研制黏度更低、固化效率更高的高性能高分子导热胶产品以满足高效率作业4。在单组份高导热结构胶中，基础胶液仅占很小部分，且其热导率（约为0.2 W/(mK)）远低于各种导热填料，因而导热结构胶的高导热主要体现在导热填料的选择与使用5-6。理论上导热填料添加量越多，越容易产生更多的导热触点，形成更加完善的导热通路和网络，导热结构胶的导热性能越好。但是由于树脂润湿能力有限，加之导热填料的粒径和形貌有差异，导致导热填料不能无限量添加。此外大量添
12、加导热填料会牺牲导热结构胶的力学性能和加工性能，因此导热结构胶要在保证高导热性能的同时满足力学性能和加工性能的要求，由此应对导热结构胶的填料进行深入研究7。本文以氧化铝（Al2O3）为填料复合基础胶液制备高导热结构胶，选择不同粒径的不规则氧化铝和球形氧化铝复配作为导热填料加入基础胶液的最佳配方中，通过测试及分析探究填料对高导热结构胶的影响。1实 验1.1试剂与仪器环氧树脂（E124），工业级，广东宏昌电子材料有限公司；聚硫醇，工业级，广州格凌贸易有限公司；咪唑，试剂级，日本三井公司；咪唑促进剂（PN-H），试剂级，日本味之素公司；炭黑，工业级，上海科德威化有限公司；稳定剂，自制；粒径分别为2、
13、5、10 m的球形氧化铝，工业级，上海百图高新材料有限公司。1.2实验过程1.2.1基础胶液的配制根据产品性能要求，选择合适的树脂、固化剂等，确定基础胶液的固化工艺。通过实验设计，对配方中环氧树脂、聚硫醇固化剂、咪唑促进剂等其他助剂分别进行计算并均匀混合制备高导热结构胶的基础胶液。加料过程中需注意环氧树脂为高结晶的树脂，使用前需加热使其变为流动液体后再添加其他组分，然后分别再加入聚硫醇和PN-H，并使用高速分散机使其分散均匀。1.2.2高导热结构胶的制备将基础胶液与不同氧化铝导热填料混合均匀制备单组份高导热结构胶。调节不同尺寸、形状的Al2O3添加量，以实验室制备的导热填料大小粒径复配最合理的
14、配比（m(40 m Al2O3)m(10 m Al2O3)=82；m(40 m Al2O3)m(5 m Al2O3)=73；m(40 m Al2O3)m(2 m Al2O3)=73）为基础粉体搭配8，向其中添加0.5 m不规则氧化铝制备高导热结构胶，测试导热结构胶的热导率、热阻等综合性能的变化，并对高导热结构胶固化前后的综合性能进行检测。1.3测试及表征1.3.1黏度测试使用DV2T型数显旋转黏度计测试不同恒温胶液的黏度。胶液在25下恒温处理，每组胶液取3个不同位置进行多次测试，取平均值作为胶液黏度。1.3.2热导率测试按 照 ASTM D5470-2012 的 测 试 方 法，使 用DRL-
15、IIL型热导率测试仪，通过稳态热流法对不同导热胶样品进行热导率测试。1.3.3粘接强度测试根据GB/T 71242008的要求使用GNT200计算机程控万能试验机进行粘接强度测试，每种胶液制备粘接片5个，取平均值作为胶液粘接强度。1.3.4接触热阻测试使用DRL-IIL型热导率测试仪通过稳态热流法测试不同导热胶样品的接触热阻，取3组样品的平均值作为该导热结构胶的接触热阻。1.3.5扫描电子显微镜测试使用 VEGA XMU 扫描电子显微镜进行测试，对固化后经打磨的导热片进行表面喷金处理，然后观察导热结构胶中氧化铝与基础胶液的混合分散程度。1.3.6高温高湿老化测试将制备好的粘接片放置 24 h后
16、放入 KSD-TH-80L恒温恒湿循环试验箱中，温度、湿度分别设置为85、85%，放置500 h后取出测试粘接强度并计算其残留率。1.3.7体积电阻率测定将已配制均匀的胶液倒入特制的硅胶模具中，制备体积电阻率测试样片，直径（）为50 mm，厚度（h）为0.52 mm。根据GB/T 14102006的要求，取3次测试结果的平均值作为样片的体积电阻率。26绝缘材料 2023,56(7)陈嘉亮等：单组份高导热结构胶的制备及性能表征体积电阻率的计算公式如式（1）所示。Pv=RV A/h（1）式（1）中：Pv为体积电阻率，单位为m；R为选取的倍率；V为试样的电压，单位为V；A为测量电极的有效面积，单位为m2；h为试样的平均厚度，一般将样片随机5个不同位置厚度的平均值视为样片平均厚度，单位为mm。2结果与讨论2.1不同氧化铝填料对导热结构胶性能的影响填充型导热结构胶导热通路所构成的导热网络越完善，其导热性能越好，不同粒径的球形氧化铝合理搭配，可以实现导热粒子的大量堆积，形成大量的导热通路和网络，且对导热结构胶的导热性能、粘接性能和自流平性能都有一定保证，但规则的球形氧化铝之间依然存在少量“自由体积