一種環(huán)氧樹脂復(fù)合材料、其制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于熱界面材料領(lǐng)域，更具體地，涉及一種環(huán)氧樹脂復(fù)合材料、其制備方法 及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著納米制造技術(shù)和工藝水平的不斷提高，集成電路朝著高集成化、小型化的趨 勢發(fā)展，導(dǎo)致芯片和集成電路的熱流密度不斷增大。具有高散熱性能的導(dǎo)熱絕緣封裝材料 是提高電子元器件工作穩(wěn)定性和使用壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。塑料封裝以其優(yōu)良的電絕緣性能、 加工性能與成本優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于熱界面材料及電子封裝領(lǐng)域，其中環(huán)氧樹脂由于具有收縮 率低、粘結(jié)性能好、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，占塑料封裝材料的90%以上。然而環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱 性能差，造成電子元件散熱困難，容易老化，使用壽命短。
[0003] 向環(huán)氧樹脂中添加熱導(dǎo)率相對較高的無機(jī)填料（如氮化鋁、氮化硼、氧化鋁、氧化 鎂）可以有效改善基體材料熱導(dǎo)率低的缺陷。但通常需要在很高的填充量才能形成有效導(dǎo) 熱網(wǎng)絡(luò)、明顯提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率。這也導(dǎo)致了復(fù)合材料的力學(xué)性能和加工性能大幅下降。 具體而言，這將導(dǎo)致環(huán)氧樹脂復(fù)合體系的高粘度，難以有效地進(jìn)行電子元器件的封裝。
[0004] 目前為止，具有低粘度和高導(dǎo)熱特性的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料及其制備方法還未見 報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種環(huán)氧樹脂復(fù)合材料、其 制備方法及應(yīng)用，其目的在于通過不同種類和粒徑的導(dǎo)熱填料復(fù)合添加，制備兼具低粘度 和尚導(dǎo)熱特性的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，由此解決現(xiàn)有環(huán)氧樹脂材料粘度尚或者導(dǎo)熱性能不 佳的技術(shù)問題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，在環(huán)氧樹脂 中均勻分散有體積比例15%至70%的無機(jī)填料，所述無機(jī)填料包括大粒徑無機(jī)填料和小 粒徑無機(jī)填料，所述大粒徑無機(jī)填料的平均粒徑在2微米至50微米之間，所述小粒徑無機(jī) 填料的平均粒徑在50nm至500nm之間，所述大粒徑無機(jī)填料與小粒徑無機(jī)填料的體積比例 在5:5至9:1之間。
[0007] 優(yōu)選地，所述環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其大粒徑無機(jī)填料的平均粒徑在2微米至20微 米之間，所述小粒徑無機(jī)填料的平均粒徑在IOOnm至500nm之間。
[0008] 優(yōu)選地，所述環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其大粒徑無機(jī)填料與小粒徑無機(jī)填料的體積比 在5:5至8:2之間。
[0009] 優(yōu)選地，所述環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其無機(jī)填料為氮化鋁、氮化硼、氧化鋁、氧化鎂、 氧化鋅、二氧化硅中的一種或兩種。
[0010] 優(yōu)選地，所述環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其無機(jī)填料為氮化鋁、氮化硼、氧化鋁中的一種 或兩種。
[0011] 優(yōu)選地，所述環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其環(huán)氧樹脂為雙酚A型或雙酚F型環(huán)氧樹脂。
[0012] 優(yōu)選地，所述環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其導(dǎo)熱系數(shù)高于0. 6W/m · K，在25°C下其黏度小 于 20Pa · s。
[0013] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種所述環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備方法，包括以 下步驟：
[0014] (1)取配方比例的大粒徑無機(jī)填料和小粒徑無機(jī)填料，充分干燥后均勻混合，得到 混合填料；
[0015] (2)將步驟（1)中的混合添加到環(huán)氧樹脂中，均勻分散，脫氣泡后固化，即得到所 述環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。
[0016] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種所述環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的應(yīng)用，其用作電子 封裝材料。
[0017] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有 益效果：
[0018] (1)本發(fā)明提供的多尺度導(dǎo)熱填料改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，由于不同粒徑的填料 混合后比使用單一的填料更能減小空隙率，并且在環(huán)氧樹脂中分散良好，大幅改善絕環(huán)氧 樹脂的導(dǎo)熱性。
[0019] (2)本發(fā)明提供的多尺度導(dǎo)熱填料改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，由于不同粒徑的填料 以合適的比例混合后填充到環(huán)氧樹脂中，整個體系可以達(dá)到最大堆積密度，減小了粒子之 間的接觸面積，從而降低了復(fù)合體系的粘度，提高了加工性能。
[0020] (3)本發(fā)明提供的多尺度導(dǎo)熱填料改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，由于不同粒徑的填料 混合后，提高了填料與環(huán)氧樹脂基體間的相互作用，改善了填料在基體中的分散性，更容易 在低填充量下構(gòu)建有效的導(dǎo)熱閾滲網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱性能大幅提高。
[0021] (4)本發(fā)明提供的所述復(fù)合材料制備方法，步驟簡單，反應(yīng)條件溫和，適合工業(yè)大 規(guī)模生產(chǎn)。
[0022] (5)本發(fā)明提供的多尺度導(dǎo)熱填料改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，應(yīng)用于熱界面材料，能 加強(qiáng)導(dǎo)熱性，提交熱交換效率。尤其適合于電子封裝材料，例如用于集成電路板封裝等，可 在保證加工性能的前提下，大幅改善電子元件散熱性能，延緩電子元件熱老化并保證其工 作穩(wěn)定性，從而延長電子產(chǎn)品的使用壽命。
[0023] 優(yōu)選方案，通過調(diào)整大粒徑填料與小粒徑填料的混合比例，調(diào)整所述復(fù)合材料的 加工性能和導(dǎo)熱性能。
[0024] 優(yōu)選方案，通過調(diào)節(jié)環(huán)氧樹脂和固化劑類型，調(diào)整所述復(fù)合材料的固化條件，從而 滿足不同施工場所的特殊要求。
[0025] 優(yōu)選方案，通過選擇不同類型的環(huán)氧樹脂，使得所述復(fù)合材料具有不同的加工性 能和物化性能，滿足不同的工業(yè)要求。
【附圖說明】
[0026] 圖1是6. 3微米氮化鋁顆粒和500nm氮化鋁顆粒以不同比例混合填充復(fù)合材料在 25 °C的剪切粘度。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0028] 本發(fā)明提供的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，在環(huán)氧樹脂中均勻分散有體積比例15%至 70 %的無機(jī)填料，所述無機(jī)填料包括大粒徑無機(jī)填料和小粒徑無機(jī)填料，所述大粒徑無機(jī) 填料的平均粒徑在2微米至50微米之間，所述小粒徑無機(jī)填料的平均粒徑在50nm至500nm 之間，所述大粒徑無機(jī)填料與小粒徑無機(jī)填料的體積比例在5:5至9:1之間。優(yōu)選地，所述 大粒徑無機(jī)填料的平均粒徑在2微米至20微米，所述小粒徑無機(jī)填料的平均粒徑在IOOnm 至500nm，所述大粒徑無機(jī)填料與小粒徑無機(jī)填料的體積比在5:5至8:2之間。
[0029] 所述無機(jī)填料為氮化鋁、氮化硼、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、二氧化硅中的一種或兩 種，優(yōu)選為氮化鋁、氮化硼、氧化鋁中的一種或兩種。
[0030] 本發(fā)明提供的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其導(dǎo)熱性能按照測試標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1113測試， 導(dǎo)熱系數(shù)高于0. 6W/m · K，其黏度按照測試標(biāo)準(zhǔn)Anton Paar MCR302測試，在25°C下小于 20Pa · s〇
[0031] 本發(fā)明所提共的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，按照配方比例，可按照一般的填料添加方法 制備，優(yōu)選按照下述方法制備：
[0032] (1)取配方比例的大粒徑無機(jī)填料和小粒徑無機(jī)填料，充分干燥后均勻混合，得到 混合填料。
[0033] (2)將步驟⑴中得到的混合填料添加到環(huán)氧樹脂中，均勻分散，脫氣泡后固化， 即得到所述環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。優(yōu)選地，所述的環(huán)氧樹脂為雙酚A型或雙酚F型環(huán)氧樹脂； 所述的固化劑為咪唑類和/或酸酐類固化劑，固化劑的添加量為環(huán)氧樹脂的6~90wt. %。
[0034] 其中步驟（2)的具體過程如下：
[0035] (2-1)分散：將步驟（1)中得到的混合填料添加到環(huán)氧樹脂中，超聲波分散或者機(jī) 械攪拌使得填料均勻分散，得到環(huán)氧樹脂/填料分散體系。優(yōu)選地，機(jī)械攪拌速度為600~ 900轉(zhuǎn)每分鐘，攪拌時(shí)間為1~2小時(shí)；超聲波分散時(shí)間為0. 5~1小時(shí)。
[0036] (2-2)將步驟（2-1)所得的環(huán)氧樹脂/填料分散體系真空脫出氣泡后，加入固化 劑，并進(jìn)一步高速攪拌和脫出氣泡，得到改性環(huán)氧樹脂分散體系。所述高速攪拌和脫出氣泡 過程采用自轉(zhuǎn)/公轉(zhuǎn)攪拌機(jī)，高速攪拌速度為1600~1900轉(zhuǎn)每分鐘，脫出氣泡過程中的轉(zhuǎn) 速為2000~2200轉(zhuǎn)每分鐘。
[0037] (2-3)將步驟（2-2)得到的改性環(huán)氧樹脂分散體系進(jìn)行固化反應(yīng)，即得到所述環(huán) 氧樹脂復(fù)合材料。
[0038] 所述固化過程包括低溫預(yù)固化與高溫固化；預(yù)固化溫度為60°C~100°C，預(yù)固化 時(shí)間為1~2小時(shí)；高溫固化溫度為150°C