填充中空玻璃微球與陶瓷顆粒的高導(dǎo)熱低介電聚合物基復(fù)合材料的研究.pdf

1、微電子的高集成化與高速化需要新一代的封裝與基板材料同時(shí)具有高的熱導(dǎo)率及低的介電常數(shù)與介電損耗，以保證電路的散熱與信號(hào)的傳輸。本文以中空玻璃微球(S60HS、S38HS、K20)與陶瓷顆粒（氮化鋁、氮化硼）為填料，分別以低密度聚乙烯、低密度聚乙烯與環(huán)氧樹脂的共混聚合物為基體，通過(guò)熱壓及澆鑄的方法制備復(fù)合材料。采用穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀、阻抗測(cè)試儀、傅里葉紅外光譜及掃描電鏡等手段表征了材料的導(dǎo)熱、介電性能與微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而研究了填料表面改性、種類

2、、含量、配比、粒徑及基體尺寸、配比對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能與介電性能的影響。
　　對(duì)于中空玻璃微球單一填充低密度聚乙烯制備的復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:偶聯(lián)劑(KH570)用量對(duì)復(fù)合材料性能有顯著影響，在相同填料含量下，當(dāng)KH570用量為填料質(zhì)量的3％時(shí)，復(fù)合材料有最高的熱導(dǎo)率與最低的介電常數(shù)與介電損耗。復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與介電常數(shù)隨中空玻璃微球含量的增加而降低，介電損耗逐漸升高，S38HS填充復(fù)合材料比S60HS填充復(fù)合材料具有更低的熱導(dǎo)率

3、、介電常數(shù)與介電損耗。當(dāng)S38HS含量為50vol％時(shí)，復(fù)合材料的介電常數(shù)僅為2.08，介電損耗為3.16×10-3。采用不同模型對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)熱及介電性能進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，Lichtenecker模型及Agari模型能較好預(yù)測(cè)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，不同模型對(duì)復(fù)合材料介電常數(shù)的預(yù)測(cè)值均低于實(shí)驗(yàn)值。
　　以中空玻璃微球填充低密度聚乙烯復(fù)合材料的研究為基礎(chǔ)，采用中空玻璃微球與陶瓷顆粒混雜填充低密度聚乙烯制備復(fù)合材料，結(jié)果表明:中空玻璃微球與陶

4、瓷顆粒的體積比為1∶1時(shí)，復(fù)合材料的綜合性能最優(yōu)。固定填料間比例，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率、介電常數(shù)與介電損耗均隨混雜填料含量的增加而升高，氮化硼填充體系比氮化鋁填充體系具有更高的熱導(dǎo)率、介電損耗與更低的介電常數(shù)，采用不同類型的中空玻璃微球填充復(fù)合材料的熱導(dǎo)率相差不大，介電常數(shù)與介電損耗大小為S60HS＞S38HS＞K20。采用較小粒徑的氮化鋁填充復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與介電常數(shù)更高，而采用較小粒徑的氮化硼填充復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與介電常數(shù)反而更低，低密

5、度聚乙烯粒徑對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能與介電性能影響不大。通過(guò)掃描電鏡觀察到材料體系內(nèi)形成陶瓷顆粒包裹中空玻璃微球并相互連接構(gòu)成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。所制備的(K20+氮化硼)/低密度聚乙烯復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)0.82W/(m·K)，介電常數(shù)僅為2.4，介電損耗為2.65×10-3。對(duì)三相復(fù)合材料熱導(dǎo)率的模擬發(fā)現(xiàn)Agari模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值較吻合，而對(duì)介電常數(shù)的模擬顯示不同模型預(yù)測(cè)值在低填料含量下與實(shí)驗(yàn)值吻合，而在高填料含量下則略高于實(shí)驗(yàn)值。

6、　　以中空玻璃微球與陶瓷顆粒混雜填充低密度聚乙烯與環(huán)氧樹脂共混聚合物基體制備復(fù)合材料，結(jié)果表明:共混基體的配比對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能與介電性能有顯著影響，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨低密度聚乙烯占基體含量的增加先升高后降低，介電常數(shù)與介電損耗逐漸降低，當(dāng)?shù)兔芏染垡蚁┱蓟w含量為30vol％時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率出現(xiàn)最大值，這與低密度聚乙烯含量對(duì)陶瓷顆粒在環(huán)氧樹脂中濃度及環(huán)氧樹脂連續(xù)相的變化有關(guān)。隨著混雜填料含量的增加，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與介電常數(shù)逐漸升

7、高，氮化硼填充復(fù)合材料的導(dǎo)熱及介電性能均優(yōu)于氮化鋁填充的復(fù)合材料，而S60HS填充復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與介電常數(shù)均高于S38HS的填充體系。通過(guò)掃描電鏡觀察到陶瓷顆粒集中分布于環(huán)氧樹脂基體內(nèi)并包裹中空玻璃微球相互接觸形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所制備的(K20+氮化硼)/（低密度聚乙烯+環(huán)氧樹脂）復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)0.7W/(m·K)，介電常數(shù)僅為3.12，介電損耗為1.1×10-2。對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的模擬發(fā)現(xiàn)Agari模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值較吻合，而