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铝基板用导热绝缘胶研究

新闻来源: 发布日期:2016-02-27 09:24:16发布人:AG游戏小张

  铝基板用导热绝缘胶研究

  铝基板一般由铜箔、导热绝缘层、散热铝板三部分组成。导热绝缘层是铝基板的核心部分,它直接影响铝基板的综合性能。目前,导热绝缘层大多以环氧树脂作为基体,通过添加具有高热导率的无机粒子来增加绝缘层的热导率。导热绝缘层导热性能的优劣主要取决于导热填料本身热导率、颗粒形态和填加量。因此选择导热性能好、无毒、价格低廉的无机填料是提高铝基板导热性能的关键。

  一般导热材料中选用的导热绝缘填料主要包括金属氧化物和氮化物,如:氮化铝、氮化硅、氧化铝、氧化铍、氧化镁、碳化硅等。

  基体树脂的选择

  环氧树脂具有力学性能好、耐高温、加工性能好及优良的绝缘性能,因此被广泛应用于电子电气领域。

  填料的选择

  在选用导热填料时我们不仅要考虑填料的热导率,而且其安全性和价格也是我们考虑的主要因素。另外,由于铝基覆铜板的尺寸稳定性对其后续加工具有重要影响,因此我们尽量选取热膨胀系数小的填料。通过对比作者在氮化铝、氮化硅、氮化硼、氧化铝、氧化铍、二氧化硅、氧化镁、碳化硅等常用导热填料中选取氮化硅、氮化硼、二氧化硅和氧化铝作为填料。氮化硅、氮化硼不仅具有较高的热导率,而且与氮化铝相比其性价比较高;氧化铝价格较低,同时它的加入可以提高胶粘剂的综合性能;选用二氧化硅的主要目的是降低原料的成本,其次考虑到硅烷偶联剂对二氧化硅的处理效果比一般填料要好,它的加入可以提高混合填料在树脂中的的分散性。

  填料表面处理及填料用量对导热绝缘胶剥离强度的影响

  由图2可知,随着混合填料填加量的增加,铝基覆铜板的剥离强度呈先增大后减小的趋势,原因是:少量填料的加入可使胶液涂布更均匀,剥离强度增大,但大量的填料会在胶层里引入过多气泡,进而造成剥离强度的减小;填料经表面处理后与环氧树脂的相容性增加,胶层里气泡量减少,在填料填充量相同的情况下,铝基覆铜板的剥离强度稍有增大。虽然在高填充量下剥离强度有所下降,但在填加量为60 wt%时剥离强度为2.11 N/mm,仍可达到使用标准。

  填料种类与用量对导热绝缘胶热导率的影响

  由图3可以看出,各填料单一使用都可以提高环氧树脂的热导率,在填加量相同的情况下,填料的热导率越高所得胶粘剂的热导率就越高。同种填料随其填加量的增加环氧胶的热导率先缓慢增加,当填加量到达某一值时环氧胶的热导率骤然升高,随后其热导率升高趋缓。造成这一现象的原因是,在低填充量下无机粒子之间被树脂隔离没有形成有效地导热网络,体系的界面热阻较大,声子散射严重,因此环氧树脂的热导率增加缓慢。随着导热填料填充量的增加,环氧树脂中的导热填料颗粒间相互连结成“网络”结构,热量可以在网络中有效传递,因此环氧树脂的热导率骤然升高。若继续加入导热填料,由于“网络”基本达到饱和,环氧树脂热导率的升高相对平缓。

  使用混合填料与使用单一填料的环氧胶,其导热率随填料添加量的变化趋势基本相同。当填充量<30 wt%时,混合填料环氧胶的热导率高于其它单一填料环氧胶的热导率;当填充量大>30 wt%时,混合填料环氧胶的热导率低于氮化硼单一填充环氧胶的导热率,而高于其它单一填料环氧胶的热导率。造成这种现象的原因是,在低填充量的情况下,不同填料间的协同作用是影响环氧胶热导率的主要因素;而在高填充量的情况下,填料本身的热导率是影响环氧胶导热系数的主要因素。

  表面处理对导热绝缘胶热导率的影响

  由图4可知在混合填料填充量相同的情况下,添加经表面处理的混合填料所得环氧胶的热导率较高。混合填料用量为60 wt%时,经过一定量硅烷偶联剂处理后热导率从3.49 W/(moK)提高到了3.81 W/(moK)。这种现象可以解释为:经偶联剂处理,混合填料与树脂的相容性提高,均匀分散的填料更容易形成导热网络。另外,由于填料与树脂间存在少量的微小气泡,空气的导热率很低,因而会对环氧胶热导率的提高产生负面影响,经过偶联剂处理的填料与树脂间的气泡减少,所以环氧胶的导热率相对提高。从胶膜表面的金相显微镜图中可以观察到填料经过表面处理后其分散性能提高,填料在树脂基体中团聚的现象减少(如图5所示)。

  混合填料用量与偶联剂对导热绝缘胶电性能的影响

  图6和图7可知,随着混合填料填充量的增加,环氧胶的介电常数升高,而体积电阻率降低。此现象产生的原因是:一方面,与环氧树脂相比,无机填料的绝缘性能较低,它的加入势必引起体系的介电常数升高和体积电阻率降低;另一方面,无机填料与树脂间存在气泡、空隙等缺陷造成体系绝缘性能降低。混合填料经过硅烷偶联剂处理后,与未处理的相比在填充量相同的情况下,环氧胶的介电常数明显降低,体积电阻率明显升高,混合填料用量为60%时,经过一定量的硅烷偶联剂处理后介电常数从4.9降低到了4.6,体积电阻率从4.0×1014 Ohmocm提高到了4.7×1014Ohmocm。这是因为填料经硅烷偶联剂处理后与树脂的相容性增加,体系中的气泡,空隙等缺陷减少,其绝缘性能提高。

  1、以环氧树脂为基体树脂,以氮化硅:氮化硼:二氧化硅:氧化铝=3∶3∶1∶1(质量比)组成的混合物为填料,制备了一种性能优异的铝基板用导热绝缘环氧胶。混合填料经硅烷偶联剂处理后与树脂的相容性增加,在树脂中的分散性增强,有效减少了填料与树脂间的气泡、空隙等缺陷,进而提高了导热绝缘胶的热导率和绝缘性能。当经硅烷偶联剂处理的混合填料用量为60 wt%时,该胶的热导率可达3.81 W/(moK),介电常数和体积电阻率分别为4.6×1014 Ohmocm、4.7×1014 Ohmocm。

  2、研究发现,当填料填充量<30 wt%时,混合填料环氧胶的热导率高于其它单一填料环氧胶的热导率;当填充量大>30 wt%时,混合填料环氧胶的热导率低于氮化硼单一填充环氧胶的导热率,而高于其它单一填料环氧胶的热导率。造成这种现象的原因是,在低填充量的情况下,不同填料间的协同作用是影响环氧胶热导率的主要因素;而在高填充量的情况下,填料本身的热导率是影响环氧胶导热系数的主要因素。

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