無機填料對環(huán)氧樹脂導熱和阻燃性能的影響研究

1、無機填料對環(huán)氧樹脂導熱無機填料對環(huán)氧樹脂導熱和阻燃性能的影響研究和阻燃性能的影響研究主要內(nèi)容主要內(nèi)容研究背景研究背景研究內(nèi)容研究內(nèi)容前期研究基礎(chǔ)前期研究基礎(chǔ)實驗計劃實驗計劃v聚合物材料作為電子基板已有聚合物材料作為電子基板已有100多年的歷史，多年的歷史，最早可以追溯到最早可以追溯到1909年年L. Baeklamd發(fā)明的用發(fā)明的用棉織物或纖維紙浸入酚醛樹脂制作電子絕緣和棉織物或纖維紙浸入酚醛樹脂制作電子絕緣和包封材料；包封材料；v1953年年 Shell Development公司申請了第一個環(huán)公司申請了第一個環(huán)氧塑封料氧塑封料( (epoxy molding compounds 簡稱簡稱E

2、MC) )專利；專利； v目前國外半導體器件的目前國外半導體器件的80 %90 %(日本幾乎日本幾乎全部全部) ) 由環(huán)氧樹脂封裝材料所代替。由環(huán)氧樹脂封裝材料所代替。一、研究背景一、研究背景 環(huán)氧樹脂廣泛用作電子器件和集成電路的封環(huán)氧樹脂廣泛用作電子器件和集成電路的封裝材料裝材料, ,是因為它具有以下特性：是因為它具有以下特性：v收縮率較小收縮率較小, ,沒有副產(chǎn)物沒有副產(chǎn)物; ;v具有優(yōu)良的耐熱性、電絕緣性能、密著性和具有優(yōu)良的耐熱性、電絕緣性能、密著性和介電性能介電性能, ,能滿足電子、電氣的要求能滿足電子、電氣的要求; ;v配方中選擇不同的固化劑和固化促進劑配方中選擇不同的固化劑和固化

3、促進劑, ,可制可制備各種性能的封裝材料備各種性能的封裝材料, ,以滿足器件和集成電以滿足器件和集成電路的不同要求。路的不同要求。一、研究背景一、研究背景一、研究背景一、研究背景環(huán)氧樹脂缺點：環(huán)氧樹脂缺點： 由于純環(huán)氧樹脂具有高的交聯(lián)結(jié)構(gòu)由于純環(huán)氧樹脂具有高的交聯(lián)結(jié)構(gòu), ,因而存因而存在質(zhì)脆、易疲勞、耐熱性不夠好、易燃等缺在質(zhì)脆、易疲勞、耐熱性不夠好、易燃等缺點。為了保證封裝器件的可靠性、良好的熱點。為了保證封裝器件的可靠性、良好的熱耗散能力耗散能力, ,有必要對環(huán)氧樹脂的增韌、導熱、有必要對環(huán)氧樹脂的增韌、導熱、耐熱和阻燃等方面進行改性。耐熱和阻燃等方面進行改性。提高環(huán)氧樹脂導熱性主要的途徑

4、：提高環(huán)氧樹脂導熱性主要的途徑：合成新型結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料；合成新型結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料；與高導熱材料（無機材料或金屬材料與高導熱材料（無機材料或金屬材料) )共混。共混。提高環(huán)氧樹脂阻燃性主要途徑：提高環(huán)氧樹脂阻燃性主要途徑：添加反應(yīng)性阻燃劑；添加反應(yīng)性阻燃劑；添加填充性阻燃劑。添加填充性阻燃劑。一、研究背景一、研究背景一、研究背景一、研究背景 常用的導熱性填料常用的導熱性填料, ,包括金屬粉末和無機填料。包括金屬粉末和無機填料。 在金屬填充的導熱塑料中在金屬填充的導熱塑料中, ,常用的金屬粉常用的金屬粉末有銀、銅、錫、鋁、鐵等。末有銀、銅、錫、鋁、鐵等。 在無機填料填充的導熱塑料中在

5、無機填料填充的導熱塑料中, ,常用的無常用的無機填料為石墨，陶瓷，碳纖維，炭黑，氮化硅，機填料為石墨，陶瓷，碳纖維，炭黑，氮化硅，氧化鋁，氮化鋁氧化鋁，氮化鋁 等。等。常用的阻燃劑：常用的阻燃劑： 阻燃劑一般分為有機和無機兩大類阻燃劑一般分為有機和無機兩大類, ,有機類有機類包括鹵系、磷系等包括鹵系、磷系等; ;無機類包括硅系、銻系、鋁無機類包括硅系、銻系、鋁系、鎂系、硼系、鉬系等。系、鎂系、硼系、鉬系等。 鹵系阻燃劑的阻燃效率較高鹵系阻燃劑的阻燃效率較高, ,但在發(fā)生火災(zāi)但在發(fā)生火災(zāi)時會釋放出大量煙霧和氯化氫等有害氣體。時會釋放出大量煙霧和氯化氫等有害氣體。 無機阻燃劑主要是氫氧化鎂和氫氧化

6、鋁，無機阻燃劑主要是氫氧化鎂和氫氧化鋁，它們具有熱穩(wěn)定好、高效、抑煙、阻滴、填充它們具有熱穩(wěn)定好、高效、抑煙、阻滴、填充安全、對環(huán)境基本無污染等特點安全、對環(huán)境基本無污染等特點, ,在阻燃材料中在阻燃材料中得到廣泛的應(yīng)用。得到廣泛的應(yīng)用。一、研究背景一、研究背景一、研究背景一、研究背景 無機阻燃劑氫氧化鎂和氫氧化無機阻燃劑氫氧化鎂和氫氧化鋁的阻燃機理：鋁的阻燃機理：一、研究背景一、研究背景一一: : 阻燃劑受熱分解釋放出結(jié)晶水，同時吸收阻燃劑受熱分解釋放出結(jié)晶水，同時吸收大量的熱量，從而抑制阻燃聚合物材料溫度大量的熱量，從而抑制阻燃聚合物材料溫度的上升，延緩其熱分解并降低燃燒速度；的上升，延緩

7、其熱分解并降低燃燒速度；二：阻燃劑分解產(chǎn)物在凝聚相中生成穩(wěn)定的氧二：阻燃劑分解產(chǎn)物在凝聚相中生成穩(wěn)定的氧化物保護膜，覆蓋在阻燃材料表面，起著傳化物保護膜，覆蓋在阻燃材料表面，起著傳熱傳質(zhì)障層的作用；熱傳質(zhì)障層的作用；三：阻燃劑產(chǎn)生的大量水蒸氣降低了氣相燃燒三：阻燃劑產(chǎn)生的大量水蒸氣降低了氣相燃燒區(qū)中可燃物的濃度。區(qū)中可燃物的濃度。研究內(nèi)容：研究內(nèi)容：研究無機導熱填料對復(fù)合材料導熱性能和阻研究無機導熱填料對復(fù)合材料導熱性能和阻燃性的影響；燃性的影響；研究無機阻燃填料對復(fù)合材料導熱性能和阻研究無機阻燃填料對復(fù)合材料導熱性能和阻燃性能的影響；燃性能的影響；研究導熱填料和阻燃填料同時添加時對復(fù)合研究導

8、熱填料和阻燃填料同時添加時對復(fù)合材料導熱性能和阻燃性能的影響；材料導熱性能和阻燃性能的影響；研究目的：研究目的：根據(jù)實驗結(jié)果，找出導熱性和阻燃性最佳的根據(jù)實驗結(jié)果，找出導熱性和阻燃性最佳的組分。組分。二、研究內(nèi)容二、研究內(nèi)容混合均勻的環(huán)氧樹脂與固化劑混合均勻的環(huán)氧樹脂與固化劑促進劑、阻燃劑、脫模劑、著色劑等微量組分促進劑、阻燃劑、脫模劑、著色劑等微量組分干混干混2 2小時小時偶聯(lián)處理的填料偶聯(lián)處理的填料球磨混合球磨混合2 2小時小時真空除氣真空除氣1 1小時小時在在175175o oC C和和50MPa50MPa下壓下壓5 5分鐘分鐘在在175175o oC C下于真空爐中下于真空爐中后固化后

9、固化4 4小時小時樣品（待測性能）樣品（待測性能）二、研究內(nèi)容二、研究內(nèi)容工藝流程圖工藝流程圖三、前期研究基礎(chǔ)三、前期研究基礎(chǔ) 在我們前期的工作中，主要以氮化硅作在我們前期的工作中，主要以氮化硅作為無機導熱填料，氫氧化鋁作為阻燃劑填為無機導熱填料，氫氧化鋁作為阻燃劑填料，二者以不同的體積比添加到環(huán)氧樹脂料，二者以不同的體積比添加到環(huán)氧樹脂中進行對比實驗，并測試相關(guān)樣品的導熱中進行對比實驗，并測試相關(guān)樣品的導熱性和阻燃性。性和阻燃性。 其中表征導熱性的參數(shù)為導熱率，表其中表征導熱性的參數(shù)為導熱率，表征阻燃性的參數(shù)為氧指數(shù)和征阻燃性的參數(shù)為氧指數(shù)和UL94UL94燃燒測試。燃燒測試。三、前期研究基

10、礎(chǔ)三、前期研究基礎(chǔ)填料總體積是填料總體積是50%50%的熱值比的熱值比75%75%的要高，因為環(huán)氧樹脂的要高，因為環(huán)氧樹脂的熱值比的熱值比Si3N4Si3N4和和Al(OH)3Al(OH)3的的高得多高得多; ; 填料總體積不變的填料總體積不變的情況下，隨著情況下，隨著Si3N4Si3N4含量的含量的逐漸增加，體系的熱值逐漸逐漸增加，體系的熱值逐漸增加，因為增加，因為Si3N4Si3N4的熱值比的熱值比Al(OH)3Al(OH)3的熱值高，一般情的熱值高，一般情況下況下Al(OH)3Al(OH)3的熱值為的熱值為- -1960J/g1960J/g。02040608010020002500300

11、03500400045005000550060006500700075008000850090009500 Enthalpy ChangeSi3N4% 50% 75%三、前期研究基礎(chǔ)三、前期研究基礎(chǔ)填料填充量為填料填充量為75%75%的環(huán)氧模塑的環(huán)氧模塑料的熱導率要遠遠大于填充料的熱導率要遠遠大于填充量為量為50%50%的環(huán)氧模塑料的熱導的環(huán)氧模塑料的熱導率；率；橫向：復(fù)合材料的導熱率隨橫向：復(fù)合材料的導熱率隨氮化硅體積分數(shù)的增大而增氮化硅體積分數(shù)的增大而增大。大。0204060801000.51.01.52.02.53.03.5 50% 75% Thermal Conductivity(W/

12、mK)Volume Fraction of Si3N4 in Both Fillers(vol%)三、前期研究基礎(chǔ)三、前期研究基礎(chǔ)010203040506070800.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2 Thermal ConductivityVolume Fraction of Al(OH)3 in epoxy復(fù)合材料的導熱率隨氫復(fù)合材料的導熱率隨氫氧化鋁填充量的增加增氧化鋁填充量的增加增加，雖然增幅不大，但加，雖然增幅不大，但是可以得知：無機阻燃是可以得知：無機阻燃劑氫氧化鋁對復(fù)合材料劑氫氧化鋁對復(fù)合材料的導熱率的增加是有貢的導熱率的增加是有貢獻的。獻的。三、前期研究

13、基礎(chǔ)三、前期研究基礎(chǔ)氫氧化鋁含量和導熱率的關(guān)系氫氧化鋁含量和導熱率的關(guān)系010203040506070800.51.01.52.02.53.03.5 Thermal ConductivityVolume Fraction of Si3N4 in epoxy此圖為單獨添加氮化此圖為單獨添加氮化硅的導熱率圖形，從硅的導熱率圖形，從圖中可知：隨著導熱圖中可知：隨著導熱填料氮化硅填充量的填料氮化硅填充量的增加，復(fù)合材料的導增加，復(fù)合材料的導熱率也增加。熱率也增加。三、前期研究基礎(chǔ)三、前期研究基礎(chǔ)氮化硅含量和導熱率的關(guān)系氮化硅含量和導熱率的關(guān)系10203040506070800.51.01.52.02.

14、53.03.5 Thermal ConductivityVolume Fraction Al(OH)3 vol% Si3N4 vol%添加相同體積分數(shù)的添加相同體積分數(shù)的氮化硅和氫氧化鋁時，氮化硅和氫氧化鋁時，填充氮化硅的復(fù)合材填充氮化硅的復(fù)合材料的導熱率遠遠大于料的導熱率遠遠大于氫氧化鋁的導熱率。氫氧化鋁的導熱率。（原因？）（原因？）三、前期研究基礎(chǔ)三、前期研究基礎(chǔ)添加不同物質(zhì)對導熱率的影響添加不同物質(zhì)對導熱率的影響0204060801000.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.4 Thermal ConductivityVolume F

15、raction of Si3N4 in Filler 10% 20% 30% 40% 50% 60% 75%縱向：當?shù)杼畛涞目v向：當?shù)杼畛涞捏w積分數(shù)為體積分數(shù)為20%20%時，復(fù)合時，復(fù)合材料的導熱率隨填料的材料的導熱率隨填料的填充量的增大而增大；填充量的增大而增大；橫向：復(fù)合材料的導熱橫向：復(fù)合材料的導熱率隨氮化硅體積分數(shù)的率隨氮化硅體積分數(shù)的增大而增大。增大而增大。三、前期研究基礎(chǔ)三、前期研究基礎(chǔ)填料對導熱率的影響填料對導熱率的影響三、前期研究基礎(chǔ)三、前期研究基礎(chǔ)復(fù)合材料的氧復(fù)合材料的氧指數(shù)隨氫氧化指數(shù)隨氫氧化鋁填充量的增鋁填充量的增加增加，增幅加增加，增幅較大。較大。氧指數(shù)：氧指

16、數(shù)：三、前期研究基礎(chǔ)三、前期研究基礎(chǔ)復(fù)合材料的導熱率復(fù)合材料的導熱率隨氮化硅填充量的隨氮化硅填充量的增加而增加，雖然增加而增加，雖然增幅不大，但是可增幅不大，但是可以得知：復(fù)合材料以得知：復(fù)合材料的氧指數(shù)受無機導的氧指數(shù)受無機導熱填料的影響。熱填料的影響。三、前期研究基礎(chǔ)三、前期研究基礎(chǔ)氮化硅含量氮化硅含量燃燒等級燃燒等級10%10%劇烈燃燒劇烈燃燒20%20%劇烈燃燒劇烈燃燒30%30%劇烈燃燒劇烈燃燒40%40%劇烈燃燒劇烈燃燒50%50%94V-294V-260%60%94V-294V-275%75%94V-094V-0氫氧化鋁含量氫氧化鋁含量燃燒等級燃燒等級10%10%94V-294V

17、-220%20%94V-194V-130%30%94V-094V-040%40%94V-094V-050%50%94V-094V-060%60%94V-094V-075%75%94V-094V-0燃燒等級：燃燒等級： 隨氫氧化鋁體積填充量的增加，復(fù)合材隨氫氧化鋁體積填充量的增加，復(fù)合材料的燃燒等級增加迅速；料的燃燒等級增加迅速； 雖然氮化硅體積含量在雖然氮化硅體積含量在10%-40%10%-40%時復(fù)合材時復(fù)合材料的燃燒等級無變化，但是進一步增加氮化料的燃燒等級無變化，但是進一步增加氮化硅含量，復(fù)合材料燃燒等級的增加顯著。由硅含量，復(fù)合材料燃燒等級的增加顯著。由此可知，作為無機導熱填料的氮化硅對復(fù)合此可知，作為無機導熱填料的氮化硅對復(fù)合材料的阻燃性也有一定的貢獻。材料的阻燃性也有一定的貢獻。三、前期研究基礎(chǔ)三、前期研究基礎(chǔ)四、實驗計劃四、實驗計劃v2010.1-3 2010.1-3 研究氫氧化鋁和氧化鋁單獨添加和研究氫氧化鋁和氧化鋁單獨添加和互混時，復(fù)合材料的導熱性和阻燃性；互混時，復(fù)合材料的導熱性和阻燃性；v2010.22010.22010.5 2010.5 研究氫氧化鎂和氧化鋁單獨研究氫氧化鎂和氧化鋁單獨添加和互混時，復(fù)合材料的導熱性和阻燃性；添加和互