BNFe/环氧树脂磁场取向复合材料的制备与性能研究

摘要

大功率LED工作时芯片产生的热量若不能及时有效的快速散出，将严重影响LED器件的发光强度、封装材料的稳定性能以及LED的使用寿命等。目前，人们对于绿色光源照明的需求与日俱增，使得LED的应用越来越广泛，但LED的散热问题一直是制约其快速发展的一大技术瓶颈。传统的LED封装工艺生产过程中，封装材料的导热性能一直备受国内外关注，但目前封装材料并不能满足大功率LED的散热需求。因此，如何有效的提高封装材料的导热性能成为延长大功率LED使用寿命的关键所在。
　　聚合物基复合材料的导热性能和很多影响因素有关，主要分为导热微粒和聚合物本身两个方面的因素。目前已有的解决封装材料导热性能的方法是将导热微粒填充到聚合物基体当中，制备高导热的聚合物基复合材料，但材料导热性能的提升幅度有限。
　　为了有效的提高封装用聚合物基复合材料的导热性能，本文提出了一种通过在材料内部构建热量传输通道的方法改善复合材料的导热性能。文章采用两种方法处理氮化硼（简称BN）和铁粉（简称Fe）粒子。方法一：运用偶联剂干法表面处理氮化硼和铁粉颗粒制备BN包裹铁粉的磁性复合颗粒，然后将磁性复合颗粒添加在环氧树脂当中并置于匀强磁场下固化成型，从而制备出取向性很好的BN?Fe/Ep复合材料。由于复合颗粒定向排列，BN颗粒相互接触，所以此方法在材料当中构造了声子导热通道。方法二：采用 BN-Fe-BN层间结构复合工艺在匀强磁场下使BN和Fe颗粒分别定向排列，制备具有声子和电子双导热通道的导热薄片，之后采用薄片层间叠加工艺制备取向的 BN-Fe-BN结构复合材料。所制备的样品分别采用光学显微镜奥林巴斯BX53、SEM、导热系数测定仪、宽频介电谱仪和XRD等工具对材料的性能进行表征。主要结果如下：
　　BN和Fe颗粒经偶联剂干法表面处理后，成功的制备了BN包裹Fe粉的复合磁性颗粒，在磁场作用下固化成型后，所制备的BN·Fe/Ep复合材料内部复合颗粒表现出良好的取向性，但BN颗粒在取向方向一致性不高，当复合颗粒填料质量分数达到50％时，材料导热系数达到1.26 W/m·K，是纯环氧树脂导热系数0.2 W/m·K的6.3倍。
　　BN-Fe-BN结构在磁场作用下时，BN颗粒可以跟随 Fe一起定向排列，达到BN和 Fe颗粒分别相互接触的目的，由此成功的在材料内部构造了声子和电子双热量通道。且经SEM观察，结果显示导热颗粒在磁场方向具有很好的一致性；XRD数据表征I002/I100（I002/I100代表了BN的取向度）值达到了55.3，具有高度的取向性。当颗粒填充质量分数达到50%时，BN-Fe-BN结构取向材料导热系数达到最大值3.59 W/m·K，是纯环氧树脂导热系数0.2 W/m·K的18倍。
　　导热颗粒经偶联剂表面处理后明显的改善了粒子的分散性，减少了材料内部缺陷的数量，所做的材料断面SEM图显示，经偶联剂表面处理后的材料断面比较平滑，材料内部缝隙数量和宽度明显减小。由此，有效降低了声子散射问题，提高了复合材料的导热性能。
　　在频率10-1-106HZ内，所制备的取向材料仍具有很好的电绝缘性能。导热性能最优的 BN-Fe-BN结构取向材料的介电常数和介电损耗角正切相对于纯环氧树脂变化不大，且材料体积电阻率在测试范围内最小为6.52E+006Ω·cm，满足 LED灯的使用要求，同时在微电子封装领域具有深刻的应用前景。

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目录

1 绪 论

1.1引言

1.2大功率LED散热问题简介

1.3封装用聚合物基复合材料的研究现状

1.4材料的导热机理及影响因素

1.5研究目的和研究内容

2 实验与测试方法

2.1实验原料与设备

2.2试验样品制备

2.3样品的表征与检测

2.4本章小结

3 实验结果与分析

3.1 BN/EP、Fe/EP复合材料

3.2 BN·Fe/EP包裹复合取向材料

3.3 BN-Fe-BN结构复合取向材料

3.4所制备材料性能对比分析

3.5本章小结

4 结论与展望

4.1结论

4.2后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文