环氧树脂导热绝缘胶的研制和应用

高温测试：放入120度的高温中4小时打DC1400V通电测试3S后无击穿用直流电源调压仪调到1。5A，通电测试30分钟后增色OK用直流电源调压仪调到1。5A，通电测试30分钟后OK环氧树脂导热绝缘胶的研制和应用王铁如唐国瑾【摘要】本文从稳定热传导方程式出发，讨论了导热系数K与材料本身相联系的因素，从而在环氧树脂树脂、固化剂和导热绝缘填料的选择组合处理上进行了一定的试验，取得了性能优异的环氧树脂导热绝缘胶的配方。并对方程式中的b传热介质的厚度和S散热的接触面积，结合具体的器件与散热构件的组合进行了讨论，取得了良好的散热效果，解决了一些实际问题。。【关键词】热设计导热绝缘工艺方法一、前言随着电子元器件和电子设备向薄、轻、小方面发展，导热、散热绝缘材料就成为一个至关重要的问题。一般的电子元器件，当温度超过允许的工作温度8℃时，寿命就要降低50%。有资料报导：功率管结点温度在300℃时，只能工作半个月，当结点温度降至150℃时，寿命为10年。由此可知，热设计的好坏，将对电子元器件、电子设备的寿命和可靠性产生非常重要的影响。有人曾设想，如果在热设计上下一番功夫，在试验的基础上，将目前电源功率普遍只有达到40％的状况，若能提高到80％，则两套变为一套，占地空间也缩小一半，所产生的经济效益是相当可观的。在热设计中，如果我们能提供一些好的导热绝缘的材料和使用的工艺方法，那么热设计师就会创造出更好的成绩来!为此，我们进行了导热绝缘胶的研制和使用方法的探讨。二、从基本的散热方程式出发，讨论材料、结构形式和工艺方法稳定热传导的方程式Q＝（K÷b）×s(t，一t。)Q＝（t1－t2）÷b＝△t÷RR＝b÷（k×s）Q——单位时间的传热量，以W瓦表示；R——热阻，度／瓦；b——传热层的厚度；S——传热层的面积。Q：单位时间的传热量与热阻成反比。即与导热系数数成正比，与散热面积成正比，与导热层的厚度成反比。下面我们将分别讨论。1，导热系数KK与传热方式有关，我们只讨论稳定热传导的K值，它主要与配方选用和自制的材料所发生的一系列化学反应形成的固体物质有关。(1)对于有机绝缘的高分子材料来说，材料的导热系数取决于所含极性基团的多少和极性基团偶极化的程度，这种极化所需的时间为10－9秒，一般极性高聚物都有这种极化。如聚酰亚胺所含极性基团多，且易极化，所以它的导热性好，为O.376W／m.k。而聚四氟乙烯相反，它为无极性，应该是导热性差，但由于C—F结合紧密整个结构密实导热系数处于中间状态为0.25w／m—k，而绝缘性能特别好，Pv＞1017Ωcm。我国大量使用的双酚A型环氧树脂，在分子结构中含有羟基和环氧基，导热系数为O.21～O.26w／m.k，也是处在中间状态。但由于它具有高的粘结性能、高的强度、高的绝缘性能和良好的工艺性，用它作为配方中的基体树脂是完全可能的。我们对多种树脂进行了比较，测量其绝缘电阻，选用绝缘电阻大的树脂。见表1。表1品名绝缘电阻MΩ品名绝缘电阻MΩ环氧树脂-1500863树脂40环氧树脂-2500～1000711树脂40280树脂(聚脂)0.5～1.O9201003520树脂O.5～1.O717树脂50～400(2)树脂的交联密度关系着高温下的强度和导热系数的大小。因此选择好固化剂是配方的关键之一。为了使胶在室温下固化，高温下使用。对国内多种固化剂进行了比较，现摘录部分数据来说明。见表2。表2配方的乙组分固化条件抗剪强度耐压2500V兆欧表固化速度25℃/hMPaWA-905+固化剂2218.15电阻无穷大凝胶WA+9052215.65电阻无穷大凝胶650+固化剂226.1510MΩ发粘65022O．9050MΩ凝胶59322O．635MΩ凝胶T-312214.34O～1MΩ凝胶从强度和绝缘电阻来看，WA-905+固化剂比较高，因此选择WA-905+固化剂为乙组分。(3)导热绝缘填料的加入是改善胶的导热性的关键。从有关资料上查到，导热性与物质结晶的晶格形状有关，即原子核互堆聚的形状有关。导热性的规律是面心立方紧堆晶格＞六方紧堆晶格＞体心立方晶格。因为前两种的晶格占全部体积的74％，而第三种则＜68％。晶格相互接触的面积也符合上面所排的顺序。如Aa、Ag、Cu、Al都是面心立方紧堆晶格，这也是它们导热性好的原因。无机物中的碳化硅、氧化铍为六方紧堆晶格，导热性也很好。(碳化硅的导热系数为6.25～9.59W／m.k)(氧化铍的导热系数为216W／m．k)我们选用面心立方紧堆晶格的氧化铝和六方紧堆晶格的氮化硼进行试验，数据如表3。表390％Al20399.5％A1203高压BN含Al203的胶含BN的胶导热系数W／m.k183.6271.2250.4O.625O.25从上表的数据可知，Al2O3和BN导热系数很相近，但所配的导热系数相差2.5倍。原因是Al2O3加入到胶中的量要比BN多得多，因此胶的导热系数不仅取决于填料本身的导热系数，而且还取决于颗粒面积及表面易湿润的程度，最后我们确定了一种导热绝缘的填料。配方的基本情况如下：环氧树脂100活性稀释剂10～50填料lOO～300固化剂10～50所做样品送东南大学热工试验室测试数据，见表4。从上述数据可以看到，两批七个样品温度从75℃～117℃经过重复测试，在O.87～1.145之间，平均值为1.04，最高值为1.15，最低值为O.87，两者平均值为1.01，设计时作为1W／m.k比较适合，工作温度设在90℃～105℃。温度再高会要减小一些。2，方程式中的b是材料的厚度，与热阻是成正比的，b值越大热阻越大。在热设计中要根据设备、电路和功能块的结构组合形式，尽量减少其厚度。表4型号温度导热系数备注W-3℃W／m.℃1-41-299.5O.986同上99.41．OOl