李 钒

(天津渤海职业技术学院，天津 300402)

一种导热阻燃有机硅灌封胶的制备与性能研究

李 钒

(天津渤海职业技术学院，天津 300402)

高度集成的电路会产生大量的热量，不利于电子元器件的保护，为此制备了一种加成型双组份有机硅灌封胶，利用新型有机硅系阻燃剂和Al(OH)3复配出一种新的复合阻燃填料，并且研究了导热填料Al2O3和复合阻燃填料对胶体导热性能、阻燃性能和电气性能的影响。

导热；阻燃；加成型；双组份；复合填料

前言

随着电子工业的快速发展，大规模集成电路开始应用于各种领域。集成电路的使用也为我们带来了更小型化更便捷的产品。但是高度集成的电路会产生大量的热量，不利于电子元器件的保护并且也有火灾的隐患。众所周知，集成电路需要使用灌封胶进行封装，目前使用的主要是有机硅电子灌封胶，而加成型硅橡胶因为其交联反应没有副产物、固化收缩率低、可常温或高温固化等特点，是最有发展的电子封装材料。而高分子树脂的最大缺点就是导热性能差，并且具有可燃性。有机硅橡胶的导热率为0.168W/(m·K)，其极限氧指数为18%左右，阻燃级别FV-2。很明显，单纯使用有机硅橡胶不能满足电路封装的要求，特别是现在国家对于安全生产的重视，与人们环境保护意识的提升，迫切需要研究人员研制出一种高效、安全而又稳定的电子灌封胶。这就需要对加成型有机硅胶进行改性，选择高性能环保的填料，以提高胶体的导热性与阻燃性。

目前对于有机硅橡胶的导热和阻燃改性主要为添加填料和助剂，添加Al2O3可以有效改善树脂的导热性，添加Al(OH)3可以提高树脂阻燃级别。但是添加的填料与树脂在力学上不相容，若添加量少，导热和阻燃效果不明显，若添加量过大，又会影响灌封胶的力学性能，并且胶体粘度会增大，影响可操作性。因此从环境保护和阻燃效率的角度出发，本文选择了一种新型有机硅系阻燃剂，是一种绿色环保的无卤阻燃剂。与传统Al(OH)3填料复配使用，在保证阻燃效果的前提下，又可以提高灌封胶的强度和可加工性能。

1 实验部分

1.1 实验原料及设备

实验原料：端乙烯基硅油(乙烯基含量: 0.45%，粘度1000cps)，化学纯，安必亚特种有机硅有限公司；

含氢硅油(含氢量: 0.4%)，化学纯，安必亚特种有机硅有限公司；

甲基三甲氧基硅烷偶联剂，化学纯，南京向前化工有限公司；

贺利氏铂催化剂(3000ppm)，化学纯，上海矽宝高新材料有限公司；

Al2O3粒径5μm，工业品，晶瑞新材料有限公司；

Al(OH)3粒径5μm，工业品，晶瑞新材料有限公司；

有机硅阻燃剂DC8008，化学纯，道康宁。

实验设备：高速分散机，江阴精细化工机械有限公司；

电热恒温鼓风干燥箱，上海和晟仪器科技有限公司；

真空干燥箱，上海和呈仪器有限公司；

导热仪，北京中科路建仪器设备有限公司；

西林电桥，上海杨高电器有限公司；

高阻计，上海精密仪器仪表有限公司；

旋转粘度计，上海上天精密仪器有限公司；

万能力学试验机，上海和晟仪器科技有限公司。

1.2 实验步骤

1.2.1 复合填料的制备

将一定质量配比的Al(OH)3填料和有机硅系阻燃剂DC8008放入烧杯中，在搅拌下倒入醇水溶液，加入填料质量1%的硅烷偶联剂，再搅拌20分钟，然后将烧杯放入干燥箱，在100℃下干燥，后取出来复合填料，分散、待用。

1.2.2 有机硅胶体的制备

此灌封胶为双组份加成型有机硅胶，A组分为一定质量比例的乙烯基硅油、含氢硅油、Al2O3和复合填料，在500rpm下搅拌4小时；B组分为一定质量比例的乙烯基硅油、铂催化剂、Al2O3和复合填料，在500rpm下搅拌4小时。

1.2.3 测试样条的制备

将A、B两组分按照1:1的比例混合，在500rpm下搅拌1小时，放入真空干燥箱中脱泡处理10分钟。取出倒入规定尺寸的模具中室温固化24小时，制得样条。

1.2.4 性能测试

导热率：利用导热仪进行测定；阻燃级别：按GB/T2408-2008进行测定；体积电阻率：按GB/T1410-2006进行测定；击穿强度：按GB/T1408-89进行测定；硬度测定：按GB/T6031-1998进行测定；力学性能测定：按GB/T7762-2003进行测定。

2 结果与讨论

2.1 Al2O3含量对导热性能的影响

有机硅橡胶的本身的导热率很低，大约为0.168 W/(m·K)导热效果极差，作为电子灌封胶的导热性能主要依靠基胶中的导热填料。填料的导热性能和含量多少决定了灌封胶的导热性能。本文研究选择最常用的导热填料Al2O3，研究了Al2O3的含量对灌封胶导热性能的影响。如图1所示，随着Al2O3含量的增加，胶体的导热性能逐渐上升，在Al2O3含量35%时，曲线斜率变大，导热性能变化明显。这是因为少量Al2O3填料在胶体中作为单独的粒子游离存在，相互之间几乎没有接触，导热效率并不显著，随着Al2O3含量增加到大于35%的时候，填料与填料之间的接触几率增大，相互接触的填料形成了导热的通路，使热量可以更有效传递，因此灌封胶的导热率显著提升。

2.2 复合填料含量对阻燃性能的影响

Al(OH)3是生产中最常用的无机阻燃剂，填料本身热稳定性好，腐蚀性小，燃烧不产生烟雾 ，并且成本低廉，但是为了使灌封胶达到很好的阻燃级别，需要很大的填充量，这往往导致硫化前的胶体粘度大幅上升影响脱泡和使用，并且硫化后的胶体力学性能变差。如表1所示，只添加Al(OH)3作为阻燃剂，在添加30%的时候，胶体阻燃性能依然为FV-1，添加40%的量才能达到FV-0级别。本文研究选择了一种有机硅系阻燃剂与Al(OH)3复配使用。如表1所示添加了10% DC8008的复合填料，能明显改善基胶的阻燃性能，当复合填料含量20%的时候，胶体的阻燃级别可以达到FV-0级，相比于单纯添加Al(OH)3减少使用量20%，在阻燃效果相同的基础上，使用复合填料可以减少Al(OH)3的使用量。分析其原因是因为由于加入的有机硅阻燃剂包裹在Al(OH)3颗粒表面，改善了填料的表面特性，并且在高温下，Al(OH)3水解产生的Al2O3与有机硅形成一种保护膜，阻隔空气中的氧气，从而发挥了更好的协同效果，能够在较少的使用量达到更好的效果。

表1 添加填料的胶体的阻燃性能

2.3 填料对电气性能的影响

应用于电子电路封装的灌封胶需要具有很好的电气性能。表2列出了填料添加量不同时，灌封胶的测试结果。由测试结果可知，添加了导热和阻燃填料后的有机硅胶体积电阻率由1.7×1015变成3×1013，并且体积电阻率不随填料的增加而继续减小；同时，加入了导热和阻燃填料对击穿强度也有影响，随着填料含量的增加，胶体击穿强度随之降低，因此为了保证一定的电气性能，不能添加过多的填料。

表2 添加填料的胶体的电气性能

2.4 填料对粘度的影响

为了使有机硅橡胶满足一定的导热性能和阻燃性能，需要向基胶中添加一定比例的填料，然而填料的加入势必会对体系的粘度产生很大的影响，如图2所示，加入填料后，液态有机硅胶的粘度变大，随着填料含量的增加，粘度也随之变大。在添加量较少时，粘度变化不大，当含量达到45%时，体系粘度激增，并直线上升。分析其原因，在小的添加量时，填料在有机硅体系中是游离的分散状态，当添加量增加到一定程度，填料之间相互接触的几率增大，在微观上更容易形成团聚，因此粘度会快速增长。

图1 Al2O3含量与胶体导热率的关系

图2 填料含量对灌封胶粘度的影响

2.5 填料对力学性能的影响

添加了导热填料和复合阻燃填料的有机硅胶粘剂，固化后的胶体力学性能相较于单纯的基胶，有了很大变化。如表3所示，随着填料含量的增加，灌封胶的硬度逐渐变大。这是由于无机填料本身的硬度很大，加入体系中改善了有机硅本身的硬度小的缺点；随着填料含量的增加，灌封胶的断裂强度呈现先增加后减小的趋势。这是由于填料的加入一定程度上充当了体系增强剂的作用，添加量越大，这种作用愈发明显，当填料含量60%的时候，断裂强度反而下降，是因为过大的添加量，使填料在体系中占据主导，有机硅橡胶本身的化学交联受到影响，填料之间的连接强度很低，因而体系强度下降；随着填料含量增加，灌封胶的断裂伸长率降低，这是由于，填料的加入使得体系的强度和硬度提高，但并没有改善韧性，相反影响了灌封胶的断裂伸长率。

表3 添加填料的胶体的力学性能

3 结论

本文利用加成型双组份有机硅基胶，向其中添加导热填料和阻燃填料，通过测试分析得到如下结论：随着导热填料Al2O3的加入，灌封胶的导热率提高，并且添加量越大导热率越大，当添加量大于35%时，胶体内部形成导热通路，导热率增加速率变快，导热效果更加明显；本文选择了一种新型有机硅系阻燃剂，与传统的阻燃剂Al(OH)3复配使用，在保证阻燃性能的基础上，可以减少Al(OH)3的添加量，并且随着复合填料的增加，胶体阻燃性能逐渐改善；加入导热和阻燃填料的胶体，体积电阻率下降到3×1013，随着填料含量的增加，体积电阻率几乎不变，但胶体的击穿强度随之下降；随着填料含量的增加，体系的粘度随之增加，并且当添加量为45%时，粘度变化剧烈；随着填料含量的增加，灌封胶的硬度增加，断裂伸长率减小，断裂强度先增加当添加量60%的时候，强度减小。最终通过综合各种性能，决定有机硅灌封胶的配比为：A组分：乙烯基硅油含量30%，含氢硅油含量5%，Al2O3含量45%，复合填料含量20%；B组分：乙烯基硅油含量37%，Al2O3含量42%，复合填料含量20.9%，铂金催化剂含量0.1%。以此配比制得的有机硅灌封胶导热系数0.8W/(m·K)，阻燃级别FV-0级，体积电阻率3.1×1013，击穿强度20KV/mm。

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Research on Preparation and Performance of A Kind of Flame Retardant and Thermal Conductive Organosilicone Pouring Sealant

LI Fan

(TianjinBohaiVocationalTechnicalCollege,Tianjin, 300402)

Highly integrated circuit generates lots of heat which is harmful to the protection of the electronic devices. Therefore, the preparation for an addition double quantity organosilicone pouring sealant is required. We use the new organosilicone pouring sealant and AL (OH) 3 to produce a new kind of compound flame retardant stuffing and research the effects on the performance of colloids’ thermal conductivity, flame retardant and electric function that produced by thermal conductive stuffing Al2O3 and compound flame retardant stuffing.

thermal conductivity; flame Retardant; addition type; double quantity; compound stuffing

2015-01-07

李钒(1987-)，女，天津市人，天津渤海职业技术学院助教，主要从事精细化工、高分子化工专业的教学与研究工作。

TQ333.93

A

1673-582X(2015)04-0110-04