环氧树脂基高导热绝缘复合胶膜的研究

摘要

导热绝缘高分子复合材料作为一种热管理材料,广泛应用在高频微电子设备中,对于保证元器件正常运行,提高使用寿命具有重要作用。
　　本论文以环氧树脂为基体,单一种类氮化铝(AlN)和六方氮化硼(h-BN)为填料,通过硅烷偶联剂(KH550)对填料进行表面处理、丁腈橡胶(CTBN)对基体进行增韧改性来提高基体与颗粒间的润湿性及胶膜的易加工性,并采用数值仿真和实验相结合,分别设计、制备了AlN/EP高导热绝缘胶膜和BN/EP高导热绝缘胶膜,并对其性能进行了表征。
　　论文首先研究了氮化铝(AlN)填充量、双粒度级配填充对 AlN/EP高导热绝缘胶膜的影响。采用ANSYS软件,对随机排布的AlN颗粒填充型环氧树脂基导热复合材料的导热性能进行有限元仿真,研究了AlN颗粒数量、级配填充对复合材料导热性能的影响规律,获得最优化的填料配方设计方案,最后通过实验验证了导热模拟结果的有效性。研究发现,胶膜热导率随填料含量的增加不断增大;同一填充量下,随着小颗粒含量的增大热导率先增大后减小,在总填充量60wt％,大小颗粒比为4:6时达到最大值,1.373W/m·k,比纯EP提高了近7倍。随着填料的增加,胶膜的介电性能有所下降,但介电常数均小于7,符合适用条件;填料增加过程中,剥离强度先增大后减小;差热分析显示,填料的加入提高了基体的热稳定性,胶膜350°C以内,TG变化很小。
　　其次,研究了氮化硼(BN)填充量、双粒度级配填充对BN/EP高导热绝缘胶膜的影响。在较低填充量下,导热粒子被基体树脂分割包覆,导热绝缘胶膜热导率变化不大,随氮化硼含量增加,填料粒子在导热绝缘胶膜中逐步形成导热网链,热导率增加,实验中所得胶膜在填充量40wt%时可达到0.876W/m·K,优于其他文献、报道中的0.5-0.8。同一填充量下,由于所选大小颗粒粒径相差悬殊,大颗粒粒径接近薄膜厚度,起到贯穿作用,对材料热导率影响很大,而小颗粒基本对导热性没有贡献,故而为得到更好的导热绝缘胶膜,还需对薄膜填料尺寸进行优化。胶膜的介电性能良好,在1MHZ下的介电常数小于7;剥离强度40wt%时大于1.5N/mm;在350°C以内材料热稳定性能优异。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1高导热型覆铜铝基板的发展现状

1.2覆铜铝基板绝缘层的研究

1.3高导热覆铜铝基板成分设计

1.4 ANSYS有限元法在绝缘层复合材料研究中的应用

1.5本论文的研究内容

第二章 模拟分析及实验研究方案

2.1模拟分析方案

2.2实验原料

2.3实验仪器与设备

2.4研究方案

2.5测试与分析

第三章 导热绝缘胶膜成分设计与制备工艺研究

3.1树脂基体的增韧

3.2填料的干燥处理及表面改性

3.3环氧树脂基导热绝缘胶膜的制备

3.4环氧树脂基导热绝缘胶膜的宏观形貌分析

3.5本章小结

第四章 AlN/EP导热绝缘复合胶膜热导率数值模拟及性能研究

4.1双粒度AlN颗粒增强环氧树脂基复合材料导热性能数值模拟

4.2 AlN填充对复合绝缘胶膜的介电性能的研究

4.3 AlN填充对复合绝缘胶膜的热稳定性能的研究

4.4 AlN填充对复合绝缘胶膜的剥离强度的研究

4.5本章小结

第五章 BN/EP导热绝缘复合胶膜性能研究

5.1 BN填充对复合绝缘胶膜的导热性能的研究

5.2 BN填充对复合绝缘胶膜的介电常数和介电损耗的研究

5.3 BN填充对复合绝缘胶膜的热稳定性能的研究

5.4 BN填充对复合绝缘胶膜的剥离强度的研究

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文