高剥离强度导热结构胶膜的研究

高堂铃，付 刚*，王 冠，邵 南，匡 弘，付春明

（1.黑龙江省科学院 石油化学研究院，黑龙江 哈尔滨 150040;2.黑龙江省科学院 高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150020）

高剥离强度导热结构胶膜的研究

高堂铃1,2，付 刚1,2*，王 冠1,2，邵 南1，匡 弘1,2，付春明1

（1.黑龙江省科学院 石油化学研究院，黑龙江 哈尔滨 150040;2.黑龙江省科学院 高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150020）

将铜粉做为导热填料通过混炼的方式填充到高强度的环氧基结构胶膜中，改善了结构胶膜的导热性能。重点研究了铜粉粒径和铜粉加入量对结构胶膜的力学性能和导热性能的影响。结果表明，树脂基体与400目铜粉质量比为1∶3时，结构胶膜热导率增加至5.1倍，室温剪切强度为30.3MPa，150℃剪切强度为8.5MPa，90°剥离强度为4.2N/mm。

铜粉；结构胶膜；力学性能；热导率

前言

快速散热在电力电子工业中是影响电子器件使用寿命和可靠性的重要保证。高分子材料虽然具有一系列优异的性能，但大多数高分子材料是热的不良导体，一般通过填充高导热性填料改善高分子材料的导热性能来拓宽其应用领域[1～7]。常见的导热填料见表1。

表1 常见的导热填料及其热导率Table 1 Thermal conductivity of common thermal conductive fillers

在胶黏剂工业领域，导热胶是一种兼具粘接和导热功能的功能性胶黏剂，多用于电子元器件的封装和金属基覆铜板上铜箔与金属基板的粘接[8～11]。此类导热胶黏剂一般对强度要求不高，剥离强度一般＜2N/mm即可满足需求，孔凡旺等[10]将高导热无机填料通过复配方式均匀分散到环氧基胶液中，制得一种可用于金属基覆铜板上的导热胶膜，热导率为2.45W/（m·K），剥离强度为1.05～1.1N/mm。李桢林等[[12]等采用60%质量份数ZnO做为导热填料，制备得到EVA胶膜，导热率为2.3W/（m·K），剥离强度为1.50N/mm。李会录等[13]以环氧树脂为基体树脂，制备了用于金属基板高导热绝缘介质胶膜，该胶膜导热率为2W/（m·K），剥离强度为1.4N/mm。

但是，在粘接体积较大的导热部件或被粘接的导热部件在工作环境中承力的情况下，需要导热胶黏剂具有较高的粘接强度和韧性。目前国内导热胶的研究热点多集中于如何提高导热系数方面，而在高粘接强度导热结构胶黏剂方面的研究报道较少。本文采用环氧树脂作为导热结构胶基体，采用价格相对较低的铜粉作为填料，研究了铜粉含量及铜粉粒径对胶膜导热性能和力学性能的影响规律，研制了一种具有高剪切强度和剥离强度的环氧基膜状胶黏剂，在实现较好导热性能的同时具有较高的粘接强度和韧性。

1 试验

1.1 试验原料

环氧基树脂胶料MR，自制；200目、300目、400目、800目的铜粉，工业级。

1.2 试验设备

开放式炼胶机，Sxk-160A，上海；电热恒温鼓风干燥箱，101-2-S，上海；力学性能试验机，Instron4467（室温），Instron4505（高温）万能拉力机，美国；扫描电子显微镜，SU8000，日本；激光导热分析仪，N33-LFA，德国。

1.3 铜粉的表面处理

将铜粉放入盐酸和无水乙醇的混合溶液中，用玻璃棒搅拌10min后，抽滤，然后将酸洗处理后的铜粉投放在KH560和丙酮的混合溶液中，充分搅拌后，再次抽滤，将铜粉烘干，2h内使用。

1.4 导热结构胶膜制备方法

按照比例将自制环氧基树脂MR和经过表面处理的铜粉在炼胶机上进行机械混炼至均匀相，得到导热胶料，将胶料通过制膜机压制成约200μm厚的胶膜。

1.5 分析方法

力学性能：实验所用试片材质均为铝合金LY12CZ，铝合金表面处理按HB/Z-197结构胶黏剂铝合金磷酸阳极化工艺规范的有关规定执行；常温剪切强度按GB/T7124-2008进行；高温剪切强度按GJB444-1988进行；90°板板剥离强度按GJB446-1988进行。

导热性能：制备直径为12.7mm，厚度为1.5mm的导热胶膜固化块试样，采用激光微扰法对胶膜固化试样进行热导率的测定，测试条件为在Ar气氛下，气体流量为60mL/min。

2 结果与讨论

2.1 铜粉粒径对导热胶膜力学性能的影响

在环氧基树脂胶料MR中分别掺入粒径为200目、300目、400目和800目的铜粉，树脂基体与铜粉的质量比为1∶3，胶膜在120℃下固化1.5h。对不同配比胶膜的剪切强度和90°剥离强度进行了比较，见表2和表3。结果表明，铜粉粒径大小对剪切强度影响不大，90°剥离强度随着铜粉粒径变小而降低，其中掺入800目铜粉的胶膜的力学性能下降幅度较大。

表2 铜粉粒径对胶膜剪切强度的影响Table 2 The effect of particle size of copper powder on the lap shear strength of adhesive film

表3 铜粉粒径对胶膜剥离强度的影响Table 3 Effect of particle size of copper powder on the peel strength of adhesive film

2.2 铜粉加入量对导热结构胶膜力学性能的影响

在环氧基树脂胶料MR中掺入粒径为400目的铜粉，对固化后的胶膜在室温、80℃、120℃、150℃和170℃下的剪切强度进行了测试，结果见表4。

表4 铜粉加入量对胶膜剪切强度的影响Table 4 The effect of copper powder content on the lap shear strength of adhesives film

从表4中可见，胶膜在室温下和80℃的剪切强度随着铜粉加入量的增多而逐渐降低。120℃下的剪切强度变化受铜粉含量影响较小，150℃和170℃的剪切强度随着铜粉加入量的增加呈现上升的趋势，这是由于铜粉作为耐热填料提高了胶膜的耐热性能。此外，表5测试结果表明，随铜粉加入量的增加，剥离强度呈缓慢下降的趋势。

表5 铜粉加入量对胶膜剥离强度的影响Table 5 The effect of copper powder content on the 90°peel strength of adhesive film

2.3 铜粉粒径对胶膜导热性能的影响

对未掺入铜粉的和分别掺入200目、300目、400目铜粉的胶膜固化试样的热导率λ进行测试，其中树脂基体与铜粉的质量比为1∶3，测试温度为25℃、81℃和121℃。图1为掺入不同粒径铜粉的导热胶膜的热导率λ变化曲线，无铜粉掺入的胶膜固化试样在25℃的热导率λ为0.223W/（m·K），掺入400目铜粉的固化试样在25℃的热导率λ为1.139W/（m·K），热导率λ提高至5.1倍。

图1 铜粉粒径对胶膜热导率λ的影响Fig.1 The influence of copper powder particle size on the thermal conductivity λ of adhesive film

2.4 铜粉微观形貌分析

在扫描电镜下观察不同粒径铜粉的微观形貌，由图2（a）、（b）、（c）、（d）可见，200目、300目和400目的铜粉形貌结构相近，与树脂基体混炼时，会产生相似的树脂浸润效果，因此剪切强度和剥离强度相近，见表2和表3。由图2（d）可见，800目铜粉颗粒呈片状团聚在一起，在胶膜中不易分散开，对胶膜的力学性能影响较大，剥离强度下降幅度尤为明显。因此，800目铜粉不适合作为导热填料应用。环氧树脂基体掺入铜粉后，树脂基体是连续相，铜粉是分散相，由于铜粉无法起到增韧的作用，掺入铜粉会导致基体本身的粘接能力随铜粉加入量的增加而降低，见表4和表5。

图2 不同目数铜粉的扫描电镜图片（a）200目（,b）300目（,c）400目（,d）800目Fig.2 The SEM images of copper powder with different particle size（a）200 mesh（,b）300 mesh（,c）400 mesh（,d）800 mesh

2.5 铜粉对胶膜固化放热行为的影响

图3所示为掺入不同粒径铜粉的导热胶膜的DSC曲线，未掺入铜粉的胶膜DSC曲线峰温值在143℃，铜粉加入到胶膜中后，使得胶膜的放热峰变宽，胶膜DSC曲线的峰温值皆向高温方向有不同程度的移动，见图4。

图3 掺入不同粒径铜粉导热胶膜的DSC曲线Fig.3 The DSC curves of the thermal conductive adhesive film with doping copper powder of different particle sizes

图4 掺入不同粒径铜粉导热胶膜的DSC曲线特征值比较Fig.4 The DSC characteristic for the conductive adhesive films with doping copper powder of different particle sizes

3 结论

（1）导热胶膜在室温下和80℃的剪切强度随着铜粉加入量的增多而逐渐降低。120℃的剪切强度受铜粉加入量影响较小，150℃和170℃的剪切强度随着铜粉加入量的增加出现上升的趋势。随着铜粉加入量的增加，剥离强度呈下降的趋势。

（2）胶膜的热导率λ随着铜粉粒径的降低而升高。

（3）当树脂基体与400目铜粉质量比为1∶3时，胶膜在25℃热导率λ为1.139W/（m·K），室温剪切强度为30.3MPa，90°剥离强度为4.2N/mm，并且在高温下有较高的粘接强度。

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Study on the Thermal Conductive Structural Adhesive Film with High Peel Strength

GAO Tang-ling1,2,FU Gang1,2,WANG Guan1,2,SHAO Nan1,KUANG Hong1,2and FU Chun-ming1
（1.Institute of Petrochemistry,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150040,China;2.Institute of Advanced Technology,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150020,China）

In order to improve the thermal conductivity of structural adhesive film,the copper powder was added into the high-strength epoxy resin-based structural adhesive film as thermal conductive filler.The influence of particle size and quantity of copper powder on both the mechanical performance and thermal conductivity was investigated.The experimental results showed that when the mass ratio of resin matrix to copper powder was 1:3,the thermal conductivity coefficient of the thermal conductive adhesive film increased by 5.1 times,and its lap shear strength at room temperature and at 150℃was measured to be 30.3MPa and 8.5MPa respectively,and its 90°peel strength was 4.2N/mm.

Copper powder;structural adhesive film;mechanical property;thermal conductivity

TQ437.6

A

1001-0017（2015）04-0252-04

2015-05-11

高堂铃（1981-），女，黑龙江饶河人，硕士，助理研究员，主要从事合成胶黏剂和树脂基体方面的研究。

*通讯联系人：付刚（1969-），男，博士，研究员，主要从事合成胶黏剂和树脂基体方面的研究。