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流淌型高导热绝缘导热硅脂的制备与性能研究

2018-11-19

粘接 2018年11期
关键词:铝粉硅油热导率

雷 书 操 , 欧 静 , 张 群 朝

(1.湖北大学,湖北 武汉 430062;2.国家橡塑密封工程技术研究中心,广东 广州 510530)

导热硅脂是一种膏状的热界面导热材料,具有良好的导热性能,可用于电子产品领域中电气及电子零件的散热;IC芯片、CPU等半导体器件的放热;LED发光二极管导热、电源组件的绝缘导热接口材料;热机器类发热体间隙的填充等发热或散热元件的散热。可在200 ℃以上长期使用而保持膏脂原状,并具有良好的化学稳定性,无毒、无味,对基材无腐蚀[1]。同时具有操作施工简便,后期容易清理,便于设备维护检修等优点,在电子产品的密集化、小型化、可靠性、精密度及使用寿命等方面具有重要作用[2]。然而,随着电子电路的集成度不断提高,电路工作时的电流密度也相应增大,高集成度电子芯片封装过程中普遍存在着热聚集问题。因此密集型大功率电子元器件对散热提出了更高的要求,要求导热硅脂具有高导热和绝缘性能。高导热需要高填充,体系中导热填料含量的增大会导致产品的黏度过高,必将使导热硅脂的流动性变差,无法满足目前生产线上如丝网印刷等施工要求;且硅脂与界面之间无法充分接触填充基材微细的空隙,将大大影响产品热量的导出。因此本文选择不同粒径的球形氧化铝导热粉,添加一定量的氧化锌、铝粉,研究不同粒径、不同种类填料的复配对导热硅脂的导热率、黏度等性能的影响,最大限度地填充,以取得热导率和黏度的平衡,研制出一种可流淌的高导热性和良好绝缘性能的导热硅脂。热导率3.0,黏度40 000~60 000 mPa·s,500 V电压下体积电阻率1.35×1014Ω·m。

1 实验部分

1.1 主要原材料

球形氧化铝(Al2O3,不同粒径),市售;二甲基硅油(500 mPa·s),美国道康宁公司;铝粉(不同粒径),鞍钢实业微细铝粉有限公司;氧化锌,佛山维科德公司。

1.2 仪器与设备

三维高速分散混合机,ZYMC-200,深圳市中毅科技有限公司;热导率测试仪,DRLIIL,湘潭市仪器仪表有限公司;红外光谱分析仪:Fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR),Perkin-Bhaskar-Elmer Co.,USA;扫 描 电 子 显 微 镜 ( SEM),JSM-6510LV,日本电子株式会社。

1.2 导热硅脂的制备

将硅油、硅烷偶联剂、粉料按比例分次加入搅拌罐中,置于三维高速分散机抽真空、混合分散均匀,制得所需导热硅脂。

1.3 性能测试

热导率:按ASTM D—5470测定;黏度:按GB/T 2794—2013《胶粘剂黏度的测定》,使用BROOKFIELD DV-C数显黏度计测定;体积电阻率:按ASTM D257 测定;扫描电镜:将导热硅脂在导电胶上喷金处理,使用JSM-6510LV型SEM观察其形貌;红外分析:使用Fourier transform infrared spectroscopy进行测试,KBr压片,扫描范围400~3 500 cm-1。

2 结果和讨论

2.1 球形Al2 O 3复配对硅脂性能的影响

控制甲基硅油和Al2O3的质量比为1∶8,研究在相同填充量下,不同粒径的球形Al2O3质量比对导热硅脂性能的影响。

表1 不同粒径球形Al2 O 3不同用量复配对导热硅脂性能影响Tab.1 Effect of content of spherical Al2 O 3 with different particle size on performance of heat conducting silicone grease

据理论,随着导热填料含量增加,导热硅脂的黏度和热导率不断增加,填料粒径及填料的排布方式均影响导热硅脂的热导率大小。球形氧化铝具有高填充、高导热性,因此高导热性硅脂导热填料一般选择球形氧化铝。

由表1可以看出,只采用30 μm单一粒径的球形氧化铝时,制备的导热硅脂黏度高,导热率较多种粒径复配的导热硅脂低,因为单一粒径填充,粒子与粒子之间仍然存在诸多空隙;而采用粒径大小不同的粒子混合填充以提高填充量,让小粒子填充大粒子形成的空隙,大小粒径紧密堆积,形成更加密实的导热通路[3~5]。在各种填充比例下,降低大粒径的比例,提高小粒径的用量,黏度和热导率均先降低后升高。综合考虑,当m(30 μm)∶m(5 μm)∶m(2 μm)=6∶3∶1时导热率达到较高值2.14 W/(m·K),且黏度相对较小,可作为最佳比例研究,在此基础上添加氧化锌和铝粉。

2.2 Al2 O 3和ZnO混合对导热硅脂性能的影响

Al2O3/ZnO 质量比对硅脂性能的影响如表2所示,其中Al2O3的复配比例为m(30 μm)∶ m(5 μm)∶ m(2 μm)=6∶ 3∶1;ZnO的粒径为1 μm;氧化铝和硅油固定油粉比为1∶8。

表2 Al2 O 3和ZnO混合对导热硅脂性能的影响Tab.2 Effect of Al2 O 3 and ZnO mixture on performance of heat conducting silicone grease

由表2可知,将粉填充总量提高至90%;随着ZnO添加比例的增加,导热硅脂的导热率也逐渐增加,可见ZnO的小粒径量能较好填充至Al2O3之 间的间隙中与Al2O3配合堆积,形成更密实的导热通路,使导热率上升。且ZnO添加比例在5%~15%时,导热硅脂的黏度随添加量的增加显著增高;当ZnO添加比例在20%~30%时,虽然导热率不断提升,但黏度呈下降趋势;而当ZnO添加量>30%时导热性和黏度均大幅提升。这可能与ZnO的填充能力,表面处理及分子间力相互作用有关,添加适量的ZnO,反而可降低导热硅脂的黏度,且ZnO的添加量达到20%时不再出现渗油现象。综合黏度、导热率和渗油性,ZnO的添加量在25%时,黏度72 600 mPa·s,导热率2.96 W/(m·k),制备的导热硅脂不渗油,效果最好。

2.3 铝粉对导热硅脂性能的影响

铝粉表面具有薄至几纳米的氧化铝绝缘层,该包覆绝缘层极大降低了铝粉的电导率。因此铝粉填充高分子材料的电导率较低,绝缘性较好。虽然表层氧化铝的热导率随氧化层厚度增加而降低,但仍具有较高的热导率。本文在Al2O3和ZnO复配的体系中加入铝粉,研究其对导热硅脂性能的影响。其中Al2O3与ZnO复配按2.2的最佳配比复配,球形氧 化 铝 m(30 μm)∶ m(5 μm)∶ m(2 μ m)=6∶ 3∶ 1;m(A l2O3)∶m(ZnO)=75∶25;铝粉的粒径为2 μm;总粉比提高至1∶10.67(硅油∶Al2O3∶ZnO=1∶8∶2.67)。

表3 铝粉对导热硅脂性能的影响Tab.3 Effect of aluminum powder on performance of heat conducting silicone grease

由表3可知,单纯使用Al2O3与ZnO复配,油粉比为1∶10时,体系黏度已达到86 000 mPa·s,制备的导热硅脂流动性差;当添加1%铝粉时,体系黏度迅速降低至65 800 mPa·s;当铝粉添加量在3%时,体系黏度已降至最低值57 000 mPa·s,硅脂流动性好,且导热率达3.12。

2.4 性能指标

表4为最佳配方,表5为最佳配方之性能指标。

表4 最优配方(质量比)Tab.4 Optimal formulation

表5 性能指标Tab.5 Performance indicators

由表5可知,导热硅脂热导率在3.12 W/(m·k),流动性良好,绝缘性能优异。

为了探究导热硅脂表面形态,对其样品表面进行扫描电子显微镜(SEM)分析和外红测试,结果见图1、图2和图3。

图1 导热硅脂的扫描电子显微镜Fig.1 SEM image of heat conducting silicone grease

图2 导热硅脂的扫描电子显微镜Fig.2 SEM image of heat conducting silicone grease

通过图1、图2放大倍数200、300倍的扫描电镜图可以看到不同粒径的球形氧化铝紧密堆积,大粒径球形氧化铝之间的缝隙填充着粒径较小的导热粉体。导热粉体之间相互接触和相互作用,并在体系中形成了导热网链,不同粒径的导热填料能被填满且保证充分的润湿性,因此体系导热性能较好且黏度较低。

图3 导热硅脂的红外测试图Fig 3 Infrared spectrum of heat conducting silicone grease

由图3可见,2 960 cm-1处吸收峰是饱和C-H伸缩振动;1 260 cm-1处的特征峰对应二甲基硅油的Si-CH对称变形振动;1 090 cm-1和3 1 020 cm-1处的峰是Si-O-Si骨架振动;800 cm-1处 的峰是Si-CH伸缩振动;565 cm-1处的3峰对应Zn-O键的振动,为样品中的氧化锌;675 cm-1处的峰对应Al-O键的振动,为样品中的氧化铝。

3 结论

1)选择不同粒径的球形氧化铝导热粉,油粉比为1∶8,不同粒径氧化铝添加比例为m(30 μm)∶m(10 μm)∶m(2 μm)=6∶3∶1时,制备的导热硅脂的导热率2.14 W/(m·K),此时黏度为28 000 mPa·s。

2)将不同粒径复配的球形氧化铝与ZnO配合使用,将油粉比提高至1∶9,结果表明ZnO的添加量在25%时,黏度72 600 mPa·s,导热率2.96 W/(m·k),制备的导热硅脂不渗油,效果最好。

3)在Al2O3和ZnO混合的基础上添加铝粉,并继续将油粉比提高至1∶10,研究显示当铝粉添加量在3%时,体系黏度已降至最低值57 000 mPa·s,硅脂流动性好,且导热率达3.12 W/(m·k),导热硅脂电绝缘性优异。最终按质量比500 mPa·s甲基硅油∶30 μm Al2O3∶ 10 μm Al2O3∶ 2 μm Al2O3∶1 μm ZnO∶2 μm Al=1∶4.5∶2.25∶0.75∶2.5∶0.31研制出一种可流淌的高导热性和良好绝缘性能的导热硅脂。

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