叠层母线绝缘层用胶粘剂的研究

发布日期:2015-01-06 10:57:01

绝缘,导热,增韧,胶粘剂,叠层母线

通过分析树脂增韧改性和填料表面处理、混合填料比例对叠层母线绝缘层柔韧性、导热性及粘结强度的 影响,确定了叠层母线绝缘层用胶粘剂的基本配方。结果表明:使用改性胶粘剂的绝缘层导热系数为1.52 W/ (m-K),剥离强度为12.5N/cm,体积电阻率为4.6x1012f>m,表面电阻率为6.3x1013D,在1 000次冷热循环条 件下无分层现象。

高分子材料本身的导热系数比较小,制造具有 优良综合性能的导热材料一般有两种途径:第一, 合成具有高热导率的结构聚合物;第二,在聚合物 中填充高导热性的填料'新神户电机公司利用日 立制作所开发的高导热液晶型环氧树脂,在世界上 较早开发了高导热的绝缘材料'虽然液晶型树脂 具有较高的热导率,但由于加丁丁艺的影响因素, 合成的树脂不但综合性能难以保证且价格昂贵,难 以在大规模生产中使用。因此,第二种方法成为目 前制备高导热材料的主要方法。
高分子复合材料导热性能的提高主要依赖于 填充物的热导率的高低、填充物在基体中的分布以 及与基体的相互作用'但是大量填料的加人常常 会导致材料的脆性增大,因此,主体树脂应具有良 好的柔韧性。环氧树脂分子结构中,环氧基和羟基 使环氧树脂具有一定的导热性,醚键和C-C键使其 具有一定的柔顺性。双酚A环氧树脂的固化物具 有一定的脆性,加人高填充量的导热填料后其柔韧
0引言
叠层母线(又名层叠母线或叠层母排,Busbar & Laminated Busbar)由单层或多层扁平导体用绝 缘材料包裹封装而成,导体间相互绝缘,可降低引 线电感,并有效节省安装空间。应用在电力电子、
通信等领域能显著提高系统性能,降低总体成本[1]。
针对大功率电力电子装置对叠层母线的要求,
首先为降低电感,应尽量减薄绝缘层的厚度;其次 流平性能要好,应尽量减少绝缘气隙,以降低局部 放电量;还要能满足叠层母线的电气性能、力学性 能、耐环境性能、散热性能及稳定性等要求'目前 国内的绝缘胶粘剂还存在以下缺陷:热导率较低、
固化后的脆性较大、耐老化性较差等。根据大功率 叠层母线产品的要求,研发了一种高柔韧性、高导 热的绝缘胶,既可以作为绝缘材料与导体间的粘结 层,也可以独立作为绝缘层,用于叠层母线的粘结性会更差,因此,应添加端羧基丁腈橡胶增韧改性, 才能满足材料对柔韧性的要求。导热绝缘复合材 料的无机填料有BN、A1N、A12〇3、SiC、SiO2等,其中 BN的热导率比较高,综合性能优良。氧化铝的热 导率不高,但其价格便宜,容易分散,适宜高填充。 因此,研究采用环氧树脂作为主体树脂,BN/A12〇3 混合填充,探讨树脂组成及填料含量对绝缘层柔韧 性、导热性、粘结强度及绝缘性能的影响。
1实验 1.1原材料
双酚A环氧树脂(E-51,环氧值0.48 ~ 0.51),无 锡树脂厂;端羧基丁腈橡胶:丙烯腈含量26%,美国 杜邦;固化剂:DICY;促进剂:2-甲基咪唑;硅烷偶联 剂:KH550;氮化硼:平均粒径10 pm;氧化铝:平均 粒径1 pm;聚酯薄膜:厚度125网;铝板:厚度1.0 mm,均为市售品;离型膜。
1.2性能测试
导热系数:LW9091IR导热系数测试仪,测试方 法为ASTM D5470;剥离强度:岛津万能材料试验 机,测试方法为IPC-TM-650 2.4.8C;拉伸强度、断 裂伸长率:岛津万能材料试验机,测试方法为 ASTMD882; SEM:日本日立扫描电子显微镜;击 穿电压:击穿电压测试仪,桂林电器科学研究院,测 试方法为GB/T 1408—2006;冷热循环试验:恒温恒 湿试验箱,测试方法为IPC-TM-650 2.6.6。
1.3叠层母线及胶粘剂的制备
树脂基体的合成:按照配方量,将双酚A环氧 树脂和端羧基丁腈橡胶加人反应器中混合搅拌,待 混合均勻后依次加人预先溶解好的固化剂及促进 剂,充分搅拌均勻后待用。
导热胶的制备:按照配方量,称取烘干好的导 热填料(经硅烷偶联剂表面处理或原始填料)置于 烧杯中,加人适量丙酮调整粘度,将混合胶置于高 速搅拌机上进行高速搅拌2 ~ 3 h后待用。
叠层母线的制备:将胶液涂覆在聚酯薄膜上, 胶液流平后放人150 °C烘箱中烘烤10 min,待胶层 达到半固化状态后,覆上铝板,送人真空热压机中, 设定升温及升压程序压制成板材,按照测试规定裁 取测试样品,待测。含原始填料的绝缘层记为绝缘 层O,含经硅烷偶联剂表面处理的填料的绝缘层记 为绝缘层M。
绝缘胶膜的制备:将胶液涂布在耐高温离型膜 上,放人180 C烘箱中烘烤30 min后取出,将绝缘胶 膜与离型膜分离,待测。
2结果与讨论 2.1绝缘层的柔韧性
现阶段环氧树脂主要有3种增韧方法:①在环 氧基体中加人有机硅、橡胶弹性体或热塑性树脂等 分散相增韧;②用热固性树脂连续贯穿于环氧树脂 网络中形成互穿、半互穿网络结构增韧;③用含有 “柔性链段”的固化剂固化环氧或直接在环氧树脂 结构上引人“柔性链段”,提高交联网络链分子的柔 顺性,达到增韧的目的[6]。端羧基丁腈橡胶兼具方 法①③的特点,因为它是一种橡胶弹性体,在一定 条件下还能和环氧树脂反应,形成“柔性链段”,增 加产品的柔韧性,故选用端羧基丁腈橡胶增韧环氧 树脂。
为比较添加端羧基丁腈橡胶后的增韧效果,分 别制备了端羧基丁腈橡胶/环氧树脂胶膜和环氧树 脂胶膜,两种胶膜的拉伸性能如表1所示。从表1 可知,端羧基丁腈橡胶/环氧树脂胶膜的断裂伸长率 较高,而拉伸强度相对较低,说明此增韧改性胶膜 的柔韧性较好,能在母线弯折变形的情况下,吸收 大量变形能量,避免形成破坏性裂纹,减少开裂分 层现象的产生。
2.2绝缘层的导热系数
由上所述端羧基丁腈橡胶增韧环氧树脂为基 体,BN、A12O3混合填充,50% (质量分数,下同)总填 料含量下氧化铝质量分数对导热系数的影响如图1 所示。从图1中可见,随A12O3用量的增加,体系的 导热系数缓慢增加,10%用量时导热系数达1.42 W/ (m-K),40%用量时导热系数达到最高值1.52 W/(m. K),随后迅速降低。可能原因有两点:一是BN的密 度较小,当其添加量较大时,导致体系的粘度急剧 上升,填料的分散困难,在胶层中无法形成导热网 链,影响导热性能;二是氧化铝粒径小,与较大粒径
表2两种绝缘层的性能
测试项目绝缘层O绝缘层M
胶液中填料最大粒径/pm*20075
剥离强度 /(N/cm)常态10.612.5
冷热循环1000次后8.910.8
电气强度 /(MV/m)常态35.640.2
冷热循环1000次后3035.5
注:*最大粒径为分散后用显微镜观察到的最大颗粒直径。
表3胶膜的电气性能
测试项目无填料胶膜50%填料胶膜
体积电阻率/n*m12x10124.6x1012
表面电阻率/^16.2X10136.3x1013
电气强度/(MV/m)4840.2
的氮化硼混合使用时,小粒径AI2O3分布在大粒径 氮化硼粒子间隙,使大粒子之间形成更多的接触 点,从架桥的观点来看,混合填充可以使小粒径与 大粒径导热粒子形成比较紧密的堆积,有利于形成 更有效的导热网络[7]。另外,BN的导热系数比氧化 铝的大,当AI2O3增加到一定比例时,体系的导热系 数迅速减小。当AI2O3用量为总填料量的40%时, 体系的导热性能最佳。
从表2中可见,填料的分散性在经过硅烷偶联 剂处理后有较大的改善,胶液中填料的最大粒径由 处理前的200 pm降至处理后的75 pm。绝缘层剥 离强度和电气强度也分别从填料处理前的10.6 N/ cm、35.6 MV/m 提高到处理后的 12.5 N/cm、40.2 MV/m。
图2为绝缘层M的表面和断面SEM图。从图2 中可以看出,经过表面处理的填料分散性良好,树 脂与铝板接触良好。针对叠层母线可靠性要求进 行冷热循环试验,在1 000次冷热循环试验后,绝缘 层与铝板间无分层现象,绝缘层剥离强度和电气强 度下降不超过20%,适合在高可靠性要求的功率电 路和器件中使用。
2.4电气性能
氮化硼和氧化铝陶瓷均具有较高的体积电阻 和表面电阻,常用作绝缘场合的散热材料。将BN、 AI2O3按照质量比3: 2混合后用硅烷偶联剂处理,加 人到环氧树脂固化体系中,填料对绝缘层电性能的 影响如表3所示。由表3可知,加人填料后,绝缘层 的体积电阻率、表面电阻率及电气强度均有下降。 其原因可能是由于填料含有杂质,纯度不是很高, 同时填料的加人在体系内部造成了气泡、空隙、杂 质等缺陷,由于电气强度降低幅度不大,在50%填 料用量时,树脂绝缘层仍能满足绝缘性能要求。 3结论
(1)以增韧改性的环氧树脂与填料混合后制作 导热胶粘剂,其固化后有较好的柔韧性,适合在冷 热循环时易变形的叠层母线中使用,经1 000次冷热 循环试验后母线无分层现象,性能下降不超过20%, 适合在高可靠性要求的功率电路和器件中使用。
(2)以氧化铝、氮化硼为填料,经表面处理后与 树脂混合使用,在50%总填料含量及氧化铝占总填 料量的40%时,绝缘层导热系数为1.52 W/(m • K),
剥离强度为12.5 N/cm,体积电阻率为4.6x1012 m,表面电阻率为6.3x1013 D,电气强度为40.2 MV/ m,具有良好的导热性能、粘结性能及绝缘性能。
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