叠层母排用绝缘胶粘剂的制备及性能研究

左 陈，朱 俊，茹敬宏，伍宏奎

（广东生益科技股份有限公司，国家电子电路基材工程技术研究中心，广东 东莞 523808）

叠层母排用绝缘胶粘剂的制备及性能研究

左 陈，朱 俊，茹敬宏，伍宏奎

（广东生益科技股份有限公司，国家电子电路基材工程技术研究中心，广东 东莞 523808）

以饱和聚酯树脂（SP）为主体树脂，多官能度异氰酸酯为固化剂，成功制备出一种耐高温SP胶粘剂，并将其涂覆在聚酯膜表面，干燥后即得到叠层母排用绝缘胶膜。采用衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）和差示扫描量热（DSC）法研究了SP和多官能度异氰酸酯固化剂的固化反应特性，讨论了固化剂种类对绝缘胶膜剥离强度及高低温冲击性能的影响。结果表明，异氰酸酯固化剂可与SP反应，固化交联后的SP胶粘剂无明显熔点。添加固化剂可以显著提高绝缘胶膜的高温剥离强度、高低温冲击性能，且以芳香族异氰酸酯固化剂交联固化的SP胶粘剂的综合性能优于脂肪族异氰酸酯固化剂固化的SP胶粘剂。

饱和聚酯；固化剂；叠层母排；绝缘胶膜

叠层母排也称复合母排、层叠母排、叠层母线和叠层母线排等，是一种多层复合结构的大功率模块化连接排[1]。叠层母排主要由导体材料和绝缘层经热压而成，绝缘层主要起到粘接、隔离和绝缘等作用[2，3]。绝缘层一般由在聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜和芳纶纸等材料表面单面或双面涂覆一层胶粘剂制备而成，而聚酯薄膜因具有良好的电气绝缘性能、较低的吸湿性及良好的耐化学腐蚀性等优点[4]而在叠层母排中的应用相对最为广泛。

目前，常用于叠层母排的胶粘剂主要有环氧类胶粘剂、饱和聚酯类胶粘剂等。环氧类胶粘剂由于具有一系列优异性能而应用极为广泛[5]。但其存在脆性较大、贮存期较短等缺点。有研究表明，将环氧树脂与固化剂、促进剂、增韧剂、固化剂和填料等助剂复配，可制得满足大功率变流装置叠层母排要求的胶粘剂[6～9]。饱和聚酯为热塑性树脂，为了改善饱和聚酯的耐高温性能，茹敬宏[1 0]采用环氧树脂改性饱和聚酯，同时采用异氰酸酯作为固化剂，制备了一种挠性覆铜板用饱和聚酯胶粘剂。邓建波等[1 1]同样以环氧树脂改性饱和聚酯，也是用异氰酸酯作为固化剂，并在聚酯薄膜表面进行涂覆，制备了一种叠层母排用绝缘胶膜。

饱和聚酯树脂（SP）为二元酸与二元醇经缩聚反应制得，在分子链的2端必然残留少量羟基或羧基[1 2]。为了改善SP胶粘剂的耐高温性能，同时又使胶粘剂整体保持热塑性特性，本研究在SP体系中添加少量异氰酸酯固化剂，使饱和聚酯形成部分交联，以提高SP胶粘剂的耐高温性能，采用衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）和差示扫描量热（DSC）方法分析了多官能度异氰酸酯固化剂和饱和聚酯的固化反应特性。将制得的改性SP胶粘剂在聚酯薄膜表面涂覆干燥后制成叠层母排用绝缘胶膜，以研究异氰酸酯固化剂种类对绝缘胶膜剥离强度及高低温冲击性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

饱和聚酯树脂（SP，羟值为9），德国拜耳集团；脂肪族异氰酸酯固化剂（HDI型，异氰酸酯质量分数为21.3%、固含量为88%）、芳香族异氰酸酯固化剂（TDI型，异氰酸酯质量分数为15.6%、固含量为68%），自制；含磷阻燃剂（磷质量分数＞18%），合肥皖燃新材料科技有限公司；镀锡铜排、PET薄膜（188 μm）、丁酮，均为工业品。

1.2 实验仪器

Vector22型衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）仪，德国BRUKER公司；TA Q20型差示扫描量热（DSC）仪，美国TA公司；ASL-DA-BLY型剥离强度测试仪，广东正业科技有限公司；P8-01型自动式实验压机，咸阳威迪电机科技有限公司；TSD-100-W型高低温冲击箱，日本ESPEC公司。

1.3 改性胶粘剂及绝缘胶膜制备

取100 g的SP分别与脂肪族异氰酸酯固化剂、芳香族异氰酸酯固化剂按-OH与-NCO物质的量比为1∶1进行混合，然后加入15 g含磷阻燃剂和适量丁酮，配制成固含量为50%的胶液，室温搅拌2 h，即得改性SP胶粘剂。对于无异氰酸酯固化剂体系，取100 g的SP与15 g含磷阻燃剂及适量丁酮混合，控制固含量为50%，室温搅拌2 h即可。将所得胶粘剂涂覆在聚酯薄膜表面，控制干胶厚度为38 μm。然后将涂胶聚酯膜置于100 ℃烘箱烘烤8 min，即得绝缘胶膜。

1.4 性能测试与表征

（1）微观结构特征：采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）仪进行表征（将仪器转至ATR-FTIR模式，使绝缘胶膜的涂胶面对准光源测试，扣除背景即得到样品表面信号峰）。

（2）熔点（Tm）：采用差示扫描量热（DSC）仪进行测定（N2气氛，升温速率为20 K/min）。

（3）剥离强度：采用剥离强度测试仪进行测定（将绝缘胶膜与镀锡铜排高温压合，用拉膜的方法测试90°剥离强度，其中A态为空气中测试结果，高温剥离强度为在相应温度的硅油中测试）。

（4）高低温冲击性：采用高低温冲击箱进行测定（将绝缘胶膜与镀锡铜排高温压合制成叠层母排样品，放入高低温冲击箱内，高低温冲击条件为：-40 ℃/30 min～105 ℃/30 min，200次循环）。

2 结果与讨论

2.1 SP胶粘剂固化前后的ATR-FTIR分析

SP与异氰酸酯固化剂反应可以通过ATRFTIR进行定性分析。图1是SP胶粘剂固化前后的ATR-FTIR谱图。

图1 HDI型和TDI型固化SP前后的ATR-FTIR谱图Fig.1 ATR-FTIR spectra before and after curing of HDI-SP and TDI-SP systems

从图1可以看出：1 720 cm-1处为羰基的伸缩振动吸收带，3 460 cm-1处出现的是-OH的伸缩振动吸收带，以上2个吸收带为SP的特征吸收带；2 875 cm-1和2 964 cm-1处为-CH-

2伸缩振动吸收带，2 270 cm-1处为-NCO的不对称伸缩振动吸收带[13]。固化后，2 270 cm-1处是-NCO吸收带且3 460 cm-1处的-OH吸收带消失，由此说明，异氰酸酯固化剂与SP交联固化反应完全。

2.2 固化反应对SP熔点（Tm）的影响

SP为二元酸与二元醇经缩聚反应制得，是一类可溶可熔的热塑性树脂。SP固化前后的DSC曲线如图2所示。

由图2可知：未经固化的SP之DSC曲线在86 ℃处出现明显的熔融吸热峰，而固化后的HDI-SP和TDI-SP的DSC曲线平直，熔点消失。这也说明尽管SP羟值较低，但在异氰酸酯固化剂作用下，-OH与-NCO还是发生了交联固化反应，形成了难以熔融的三维交联网络结构。

2.3 固化剂种类对绝缘胶膜剥离强度的影响

SP分子链末端残存有少量-OH，可与异氰酸酯固化剂中的-NCO发生交联固化反应，形成三维交联网络结构。SP分子链中的-OH含量决定交联反应程度[1 4]。表1为固化剂种类对绝缘胶膜剥离强度的影响。

表1 固化剂种类对绝缘胶膜剥离强度的影响Tab.1 Effect of curing agent type on peeling strength of insulation film

由表1可知：未添加固化剂的绝缘胶膜A态剥离强度及高温剥离强度均低于添加固化剂的绝缘胶膜之剥离强度；其中添加芳香族异氰酸酯固化剂的绝缘胶膜的A态剥离强度及高温剥离强度大于添加脂肪族异氰酸酯固化剂的绝缘胶膜，且随着温度升高，绝缘胶膜剥离强度随之降低。这是因为SP胶粘剂与镀锡铜排、聚酯薄膜的粘接性能较好，剥离试验时表现为内聚破坏，添加固化剂的SP胶粘剂已形成一定程度的三维网络结构，其胶粘剂本身的内聚强度和耐热性均优于未添加固化剂的SP胶粘剂，故添加固化剂的绝缘胶膜的A态及高温剥离强度大于未添加固化剂的绝缘胶膜。芳香族异氰酸酯固化剂分子中含有苯环，其本身的耐热性和刚性优于脂肪族异氰酸酯固化剂，采用芳香族异氰酸酯固化剂固化的SP胶粘剂因在体系中引入了苯环，故所得的SP胶粘剂的内聚强度和耐热性较采用肪族异氰酸酯固化剂固化的SP胶粘剂好，从而导致添加芳香族异氰酸酯固化剂的绝缘胶膜的A态剥离强度及高温剥离强度大于添加肪族异氰酸酯固化剂的绝缘胶膜。SP胶粘剂即使已产生部分交联，但是随着温度的升高，其也逐渐变软甚至形成黏稠状胶粘层，导致剥离强度随之降低。

2.4 固化剂种类对叠层母排高低温冲击性能的影响

叠层母排通常用于大功率电子电力装置及通信设备连接，通常通以大电流，其工作电压也在数千伏以上，对安全性和可靠性要求很高。而且，叠层母排的工作环境复杂多变，工作温度一般也在100 ℃左右，通常以高低温冲击作为衡量其可靠性的一种手段。目前，行业内评价叠层母排可靠性的高低温冲击条件一般为-40 ℃/30 min～105 ℃/30 min，200个循环后，样品不出现开裂、起泡现象即为合格，否则不合格。图3是高低温冲击后叠层母排的外观照片。

由图3可以看出：由没有固化剂的SP胶粘剂制备的绝缘胶膜和添加脂肪族异氰酸酯固化剂固化的SP胶粘剂制备的绝缘胶膜压合镀锡铜排得到的叠层母排样品在经历200个高低温冲击循环后，折弯处在应力作用下出现了开裂；而采用芳香族异氰酸酯固化剂固化的SP胶粘剂制备的绝缘胶膜压合镀锡铜排得到的叠层母排样品在经历同样条件的高低冲击测试后，折弯处保持完好，未出现开裂现象。这是因为芳香族异氰酸酯固化剂固化的SP胶粘剂相对于其他2种胶粘剂有更高的A态及高温剥离强度，在经历高低温冲击循环时，芳香族异氰酸酯固化剂固化的SP胶粘剂与镀锡铜排及聚酯薄膜间的粘接力足以抗衡热胀冷缩及材料折弯所产生的应力。

图3 高低温冲击后叠层母排的外观照片Fig.3 Appearance photos of laminated busbar after 200 heat-cool impact cycles

3 结论

（1）脂肪族异氰酸酯固化剂和芳香族异氰酸酯固化剂均可与SP发生反应形成三维交联网络结构，固化后的SP无明显熔点。

（2）添加固化剂可以显著提高SP胶粘剂的高温粘接性能，其中以芳香族异氰酸酯固化剂固化的SP胶粘剂的高温粘接性能优于脂肪族异氰酸酯固化剂固化的SP胶粘剂。

（3）采用芳香族异氰酸酯固化剂固化的SP胶粘剂制备的绝缘胶膜压合镀锡铜排后制成的叠层母排样品在经200个高低温冲击循环后，未出现开裂起泡现象，具有优异的安全性和可靠性，可满足高可靠性功率器件和电路中的应用要求。

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Preparation and properties of insulation adhesive for laminated busbar

ZUO Chen, ZHU Jun, RU Jing-hong, WU Hong-kui
(National Engineering Research Center of Electronic Circuits Base Materials, Shengyi Technology Co., Ltd., Dongguan, Guangdong 523808, China)

A high temperature resistant saturated polyester adhesive was successfully prepared by using saturated polyester(SP) as the main resin and multifunctional isocyanate as the curing agent. Then the adhesive was coated on the PET film, and an insulation film for laminated busbar was obtained after drying. The reaction characteristics of saturated polyester and multifunctional isocyanate curing agent was analyzed with ATR-FTIR and DSC. The effect of curing agent on the performance of insulation film for laminated busbar was studied. The results show that the multifunctional isocyanate curing agent can react with saturated polyester and the cured saturated polyester had no melting point. Adding curing agent can effectively improved the heat resistance and heat-cool impact cycle resistance of the insulation film for laminated busbar. The saturated polyester adhesive cured with aromatic isocyanate has better overall performance than that cured with aliphatic isocyanate.

saturated polyester; curing agent; laminated busbar; insulation film

TQ433.4+3

A

1001-5922（2017）04-0030-04

2016-10-27

左陈（1989-），男，硕士，工程师，从事电子行业用胶粘剂开发工作，E-mail：zuoc@syst.com.cn。