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高温下保持硅树脂传导性
作者:Michelle Velderrain
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贴片胶, 灌封胶, 绝缘漆, 绝缘胶, 凡立水, ...
由于应用复杂程度增加,材料供应商帮助制造商选择合适材料的能力比以前更为关键。无论应用是否要求传导材料或者只是要求静电耗散材料,应用操作温度均会大幅影响传导性。由于硅树脂具有绝缘性质以及热膨胀系数(CTE)较大,在温度上升时的持续传导率要求特别了解硅树脂的化学性质和填料技术。调整硅树脂矩阵中填料的类型、数量以及微粒尺寸和分布可以维持传导率。本文讨论了在量身定制硅树脂以保持升高温度的传导性时人们期望的平衡以及帮助解释为何出现变化。

为何选择硅树脂?

通常经历极端温度的航空和其它恶劣环境中几十年使用获得的传统是许多应用中大多数人选择硅树脂的原因。与标准有机材料相比,基于硅氧烷的聚合系统属于独特的聚合物。固化硅树脂一般模数低,在热循环期间吸收应力,在最高250℃的连续操作温度不会退化。硅树脂的其它属性如下:

★ 典型介电强度 >500 V/密耳;
★ 体积电阻 >1011欧姆·厘米;
★ 生物惰性;
★ 低湿气吸收率 <0.4%(85℃/85 RH/168小时);
★ 低模数;
★ 多种多样,可以填充各种传导性填料。

从绝缘至传导

决定选择哪种产品或填料之前,了解特别应用要求的传导率十分重要。

虽然硅树脂本质绝缘,但是可以优化,以达到各种传导率。

◆ 绝缘(绝缘体)

★ > 1011欧姆·厘米
★ 防止或限制电子穿过其表面或通过其体积流动;

◆ 静电耗散

★(104 – 1011)欧姆·厘米
★ 电子穿过或通过材料流动并采用体积或表面电阻控制。电荷传输一般需要的时间比传导材料更长:

◆ 传导性

★ < 104 欧姆·厘米
★ 低电阻,且电子容易通过其表面或体积流动。

传导性填料

与基于碳的聚合物相比,由于硅树脂具有巨大的自由体积以及极性性质,可以使用各种填料优化硅树脂的传导率。填料技术也是一个快速发展的领域,可以将各种微粒尺寸和形状的填料添加到硅树脂,以产生重要的特性,例如维持升高温度的传导率。在考虑将填料用于特定传导特性时务必小心。虽然一些填料只产生一种类型的传导率,但是,其它填料(例如银)可以同时提高热传导率以及电气传导率。通常存在三种主要类型的填料:电气绝缘陶瓷填料,只作用于热传导率;碳填料,作用于电气传导率以及在某种程度上作用于热传导率;最后是金属填料,大幅作用于电气传导率和热传导率。图1显示了填料的示例、其目标特性以及考虑的填料形状描述。

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添加填料对硅树脂的物理影响

填料形状和尺寸会大幅影响材料的流变性、机械特性和传导率。从物理方面看,可以添加的填料数量受到聚合物和填料之间的交互作用控制。了解虽然最大负载能够提供最佳传导率,但是更改硅的物理特性、硬度、拉伸率等较为常见也是十分重要的。一般来说,图2显示了材料物理特性的预期变化。

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CTE对传导率的影响

硅树脂本质绝缘,因此,填料的点与点接触对于维持传导率十分重要。但是,在您考虑硅树脂展示的较大CTE(120-1,000 ppm/℃)以及填料和硅树脂之间的CTE不配时,这种要求变成了一种挑战。维持硅树脂膨胀时点与点接触的主要考虑是微粒尺寸和分布。除了正在使用的填料类型以外,填料的尺寸和形状将大幅确定硅树脂的传导性如何以及在什么温度停止传导(图3)。

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填料比较

为了评估不同填料的性能,比较了下列各种升高温度的传导率开展研究:28℃、80℃、100℃、125℃、150℃、175℃和200℃。研究中评估了传统填料,例如炭黑和银球(参见图4)。

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◆ 试验方法

★ 体积电阻,根据ASTM D 257(ASTM D 4495)
★ 固化,根据试样设计规格,露出表面;
★ 4线;
★ Agilent 34401A数字万用表;
★ Blue M对流炉;
★ 在28℃、80℃、100℃、125℃、150℃、175℃和200℃测量体积电阻

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其中VR = 体积电阻,单位欧姆·厘米;

R = 万用表电阻读数,单位欧姆;
W = 样品平均宽度,单位厘米;
T2 = 样品和试样平均厚度,单位厘米;
T1 = 试样平均厚度,单位厘米;以及
L = 试样内部铜条之间的距离,单位厘米。

传统传导性材料示例

表1显示了采用以下三种不同类型传统填料的目前NuSil材料的示例:无定形炭黑(ECS1)、炭黑纤维(ECS2)和镀银金属球体(ECS3)。评审这些数据时,应注意三种重要现象。首先,正如预期一样,含有传导性最佳的填料ECS3的材料产生在室温传导率最高的硅树脂材料。但是,当温度增高时,在80℃观察到第二种现象:带有纤维的材料具有更佳的纵横比,在温度增加时变化最小(图3和图4)。当硅树脂材料随着热量膨胀时维持点与点接触的能力解释了这一现象。虽然银球传导性更强,但是填料的形状并没有帮助,因为它们在硅树脂膨胀时相互分离。第三,在某些温度(在此显示的温度大约为150℃),传统填料均在静电耗散性方面失效,在硅树脂随着温度继续膨胀时,将最终变为绝缘。

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新型填料提高性能
对于一些应用,上面所示的性能已经足够,标准技术能够满足其需要。但是,一些应用处于恶劣环境,必须维持导热率或导电率。为了满足这种需要,NuSil已经使用表2所述的新型填料开发了产品。ECS4和ECS6均使用动态填料包,使其在更高温度仍然可行。事实上,虽然加成固化硅树脂ECS6证明在80℃能够维持10-2欧姆·厘米的传导率,但是,缩合固化硅树脂ECS4证明能够在200℃维持10-3欧姆·厘米的传导率。另外,为了补偿大量填料作用于传导性材料和应用的添加质量,NuSil开发了一种较低比重的材料ECS5。通过集成镀了银的较轻球体,我们能够提供一种密度只是相似传统材料三分之一的材料。

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平衡方法

确定选择最佳产品需要全面了解应用的要求。有时,需要在物理特性和需要传导率的变化之间达到平衡。除了材料的物理变化之外,必须考虑其加工材料的能力。NuSil技术公司提供几种标准产品,例如ECS1-ECS3,在许多不同应用中设计性能优良;但是,由于限制推动以及应用中碰到更为恶劣的环境,必须开发新型解决方案。解决这些挑战的步骤已经开始,一些示例是ECS4-ECS6。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (11/14/2012)
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