含有石墨烯/银导热网络的环氧银导电胶的制备方法与流程

2021-02-02 16:02:40|

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技术领域：

本发明属于电子材料技术领域，具体涉及一种含有石墨烯/银导热网络的环氧银导电胶的制备方法，本发明制备得到的环氧银导电胶特别适用于ic和led封装领域。

背景技术：
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导电胶是一种固化或干燥后具有一定导电性的胶粘剂，主要由树脂基体及其导电粒子组成，常用树脂基体有环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、氰酸酯树脂等，导电粒子主要有银、铜、银包铜、镍、碳纳米管、石墨烯等。

导电胶在微电子封装和led封装领域主要用作互连材料，起到导热和导电的作用，但是随着芯片集成度高，对散热要求高，文献报道芯片温度每升高10度，失效率增大一倍以上。据统计，约有55％电子设备的失效或损坏是由于其使用温度超过额定值引起的，而这个问题已成为目前电子设备的主要故障形式。因此研制出耐高温、高导电的导电胶才能推进5g战略的全覆盖，满足高集成化微电路封装的使用要求，提高电子元器件的使用寿命和可靠性。

目前，高导热、高导电的实现主要有三种途径，第一种方法是添加纳米金属颗粒，但纳米银/铜颗粒由于显著的纳米团聚效应，很难稳定存在与导电胶中，且纳米导电粒子的价格与微米导电粒子的价格差异悬殊，盲目加入将极大增加导电胶的成本，而且纳米原材料基本有国外金属行业巨头垄断。第二种方法就是增加导电粒子含量，但目前国外导电胶的导电粒子含量已达到80wt％的较高水平，远高于国内添加含量(50wt％～70wt％),进一步增加导电粒子含量将使胶液粘度显著增加，使混合工艺和点胶工艺难度显著增大，甚至超出现有操作设备的参数极限。第三种方法是添加石墨烯，但石墨烯具有较大的比表面积，在高分子基体中容易聚集、混合工艺要求高。

虽然这些方法可以解决一些导热问题，但是对导热的提高远远低于材料本体的导热性能，近来，三维网络化导电银胶的出现，为大幅度提高导热性能提供解决思路。有人通过构建蜂窝状石墨烯网络结构制作导电银胶，有利于其在环氧体系中的分散和增强界面结合，但石墨烯导电导热性能有一定范围，之后无法大幅提高；也有人向石墨烯中加入苯胺构建石墨烯/聚苯胺网络结构，但聚苯胺形貌无法控制，对导热导电性能影响较大。

为此，本发明通过对石墨烯进行网络化，然后与纳米级银粉混合使用，通过选择合适的固化剂和催化剂，获得有石墨烯/银复合的具有网络化高导热的导电银胶，其分散性好、纳米银表面形貌易于控制，导热、导电大幅提高，给2.5d/3d集成的微系统、高集成度大功率集成电路等提供解决方案，具有在大功率器件应用的前景。

技术实现要素：
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本发明针对现有导电胶在大功率器件中应用时存在容易发生分层失效的技术问题，提供一种含有石墨烯/银导热网络的环氧银导电胶的制备方法。本发明通过在导电胶中引入氧化石墨烯、银复合材料实现大功率器件的高导热高导电性能，加入银粉和石墨烯杂化材料能够有效增强导电胶的导热性能，从而能够满足大功率器件的需求。

本发明提供一种含有石墨烯/银导热网络的环氧银导电胶的制备方法，该环氧银导电胶是由以下重量百分比的各组分组成：氧化石墨烯1-25％，线状纳米银粉50％～80％，环氧树脂10％～20％，环氧稀释剂3％～10％，固化剂1％～5％，固化促进剂1％-5％，偶联剂0.5％～2％；所述环氧银导电胶的制备方法包括以下具体步骤：

(1)氧化石墨烯的制备：采用hummers法制备氧化石墨烯：在冰水浴中，往三口烧瓶中加入1～10ml浓硫酸，再依次加入1～100g石墨、1～10gnano3，在搅拌下缓慢加入1～20gkmno4，接着控制整个体系在35～100℃下反应1h，然后缓慢加入去离子水，控制体系温度在80℃下反应45～90min，反应结束后，将产物加100～500ml去离子水稀释，并加入h2o2终止反应，接着将产物用稀hcl洗涤除去金属离子，再用大量去离子水洗涤至中性，将得到的产物在40℃下干燥，制得氧化石墨烯。该方法见文献：williams.hummersjr.,richarde.offeman.preparationofgraphiticoxide[j].j.am.chem.soc.1958,80(6),1339–1339。

(2)石墨烯的网络化：将步骤(1)制得的所述氧化石墨烯分散于去离子水中，超声0.5～1h，得到氧化石墨烯/水分散液，向所述氧化石墨烯/水分散液中加入1～2g线状纳米银粉、1～100ml硝酸银加热搅拌5～10h，然后加入对苯二胺,在50～80℃下搅拌10～24h，洗涤后干燥，得到三维网状石墨烯/银复合的石墨烯水凝胶，然后通过冷冻干燥，制得三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶。

(3)将环氧树脂和环氧稀释剂在室温下混合3～30分钟，得到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物，将偶联剂加入到所述环氧树脂和环氧稀释剂的混合物中，室温下在三辊研磨机上研磨3～30分钟得到均匀混合物。

(4)将步骤(3)得到的所述均匀混合物加入步骤(2)制得的所述三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶中，超声波分散1～5小时，然后室温下高速混合3～30分钟得到混合物。

(5)将线状纳米银粉、固化剂及固化促进剂通过搅拌60～120min混合均匀后加入到步骤(4)得到的混合物中，并在20～40℃下通过真空搅拌1-2h脱除气泡制备得到环氧银导电胶。

所述氧化石墨烯为单层石墨烯、多层石墨烯纳米片中的任任一种或两种的混合物，厚度范围为1～100nm，优选厚度为1～10nm范围。

所述环氧树脂为缩水甘油醚类双酚a型、双酚f型环氧树脂、缩水甘油酯环氧树脂、脂肪族环氧树脂、脂环族环氧树脂、丙烯酸改性环氧树脂及有机硅改性环氧树脂中的任一种或二种以上的混合物。

所述环氧稀释剂为1,4-丁二醇缩水甘油醚、新戊二醇缩水甘油醚、1,6-己二醇二缩水甘油醚、二乙二醇缩水甘油醚、1,4-环己烷二醇缩水甘油醚、三羟甲基丙烷缩水甘油醚及聚乙二醇二缩水甘油醚中的任一种或二种以上的混合物。

所述固化剂为二元或者三元羧酸或者酸酐及其混合物，包括间苯二胺、间苯二甲胺、聚壬二酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐、四氢邻苯二甲酸酐及甲基纳迪克酸酐中的任一种或二种以上的混合物。

所述固化促进剂为苄基二甲胺、2，4，6—三(二甲胺基甲基)苯酚(dmp-30)及其改性物、2-乙基-4-甲基咪唑、氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑(2e4mz-cn)、苄基二甲胺的改性物、甲基咪唑、二氨基二苯砜、2-十一烷基咪唑、2-十七烷基咪唑、2,4-二氨基-6-(2-十一烷基咪唑-1-乙基)-s-三嗪及其衍生物和改性物中的任一种或二种以上的混合物。

所述偶联剂为γ―氨丙基三乙氧基硅烷、γ―氨丙基三甲氧基硅烷、γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、n-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、n―β―(氨乙基)―γ―氨丙基三甲氧基硅烷、n―β―(氨乙基)―γ―氨丙基甲基二甲氧基硅烷、γ―氨丙基甲基二甲氧基硅烷、γ―氨丙基甲基二乙氧基硅烷及乙烯基三乙氧基硅烷中的任一种或二种以上的混合物。

所述线状纳米银粉的粒径范围为0.5纳米～100纳米，优选的粒径范围为1纳米～50纳米。

本发明的通过引入氧化石墨烯/银，实现导电胶中树脂网络的热导性和力学性能，使该材料具有较长的使用寿命；加入氧化石墨烯和导电金属粉混合使用，大幅度提高导电胶的导电和导热性，制备得到综合性能优异的导电胶。本发明具有以下优点：

(1)本发明通过加入纳米级银粉，利用对苯二胺分别还原氧化石墨烯和硝酸银制得具有三维网状结构的石墨烯/银复合的石墨烯水凝胶，通过冷冻干燥制备具有三维网状结构石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶，此方法制得的石墨烯/银三维网状结构的强度和稳定性能大幅提高。

(2)由于石墨烯具有高比表面积，容易团聚，导致其在环氧树脂基体中很难分散，本发明通过构建石墨烯/银导热网络化结构，使其较好的分散在树脂基体中，固化时该有机物具羧基与环氧树脂发生反应，使交联的环氧网络分子插层到石墨烯片层之间，从而达到分散石墨烯的效果。有效延长材料使用寿命，从而能够广泛应用在大功率器件中。

(3)本发明通过向三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶加入含有线状银粉的环氧树脂，通过低温烧结,进一步加强构建三维网络化的结构，改善强度性能。

具体实施方式：

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的保护范围。

对比例1：该对比例中的网络组分中不加线状纳米银粉，制备步骤具体如下：

(1)氧化石墨烯的制备：在常温下，分别按照表1中对比例1指定的各组分，制备氧化石墨烯。

(2)石墨烯的网络化：将上述氧化石墨烯分散于去离子水中，超声1h，得到氧化石墨烯/水分散液。然后加入对苯二胺,在80℃下搅拌24h，洗涤除去多余的改性剂分子，干燥，制备得到三维网状石墨烯水凝胶，然后通过冷冻干燥，制得三维网状石墨气凝胶。

(3)将双酚a型环氧树脂和新戊二醇缩水甘油醚环氧稀释剂在室温下混合25分钟，得到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物，偶联剂γ―氨丙基三乙氧基硅烷依次加入到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物中，室温下在三辊研磨机上研磨25分钟的得到均匀混合物。

(4)将步骤(3)的混合物加入步骤(2)制备的三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶中，超声波分散5小时，然后室温下高速混合25分钟。

(5)将四氢邻苯二甲酸酐、2-十一烷基咪唑通过搅拌100min混合均匀加入到步骤(4)的混合物中，并在40℃下通过真空搅拌2h脱除气泡制备得到均匀导电胶。

对比例2：该对比例中的网络组分中不加线状纳米银粉，制备步骤具体如下：

(1)氧化石墨烯的制备：在常温下，分别按照表1中对比例2指定的各组分，制备氧化石墨烯。

(3)将双酚f型环氧树脂和1,4-丁二醇缩水甘油醚环氧稀释剂在室温下混合25分钟，得到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物，偶联剂γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷依次加入到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物中，室温下在三辊研磨机上研磨25分钟的得到均匀混合物。

(4)将步骤(3)的混合物加入步骤(2)制备的三维网状石墨烯气凝胶中，超声波分散5小时，然后室温下高速混合25分钟。

(5)将甲基纳迪克酸酐、2-乙基-4-甲基咪唑的改性物通过搅拌100min混合均匀加入到步骤(4)的混合物中，并在40℃下通过真空搅拌2h脱除气泡制备得到均匀导电胶。

实施例1：该实施例中的网络组分中加入线状纳米银粉，制备步骤具体如下：

(1)氧化石墨烯的制备：在常温下，分别按照表1中实施例2指定的各组分，制备氧化石墨烯。

(2)石墨烯的网络化：将上述氧化石墨烯分散于去离子水中，超声1h，得到氧化石墨烯/水分散液。加入线状纳米银粉(2g)、硝酸银(80ml)加热搅拌10h。然后加入对苯二胺,在80℃下搅拌24h，洗涤除去多余的改性剂分子，干燥，制备得到三维网状石墨烯/银复合的石墨烯水凝胶，然后通过冷冻干燥，制得三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶。

(3)将双酚a型、双酚f型环氧树脂和1,4-环己烷二醇缩水甘油醚环氧稀释剂在室温下混合25分钟，得到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物，偶联剂γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷依次加入到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物中，室温下在三辊研磨机上研磨25分钟的得到均匀混合物。

(4)将步骤(3)的混合物加入步骤(2)制备的三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶中，超声波分散5小时，然后室温下高速混合25分钟。

(5)将线状纳米银粉(2g)、间苯二甲胺、2-乙基-4-甲基咪唑、1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑通过搅拌100min混合均匀加入到步骤(4)的混合物中，并在40℃下通过真空搅拌2h脱除气泡制备得到环氧银导电胶。

实施例2：该实施例中的网络组分中加入线状纳米银粉，制备步骤具体如下：

(1)氧化石墨烯的制备：在常温下，分别按照表1中实施例2指定的各组分，制备氧化石墨烯。

(2)石墨烯的网络化：将上述氧化石墨烯分散于去离子水中，超声1h，得到氧化石墨烯/水分散液。加入线状纳米银粉(3g)、硝酸银(80ml)加热搅拌10h。然后加入对苯二胺,在80℃下搅拌24h，洗涤除去多余的改性剂分子，干燥，制备得到三维网状石墨烯/银复合的石墨烯水凝胶，然后通过冷冻干燥，制得三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶。

(3)将双酚a型、双酚f型环氧树脂和聚乙二醇二缩水甘油醚、1,4-环己烷二醇缩水甘油醚环氧稀释剂在室温下混合25分钟，得到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物，偶联剂γ―氨丙基三乙氧基硅烷、己二胺基甲基三甲氧基硅烷依次加入到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物中，室温下在三辊研磨机上研磨3～30分钟的得到均匀混合物。

(4)将步骤(3)的混合物加入步骤(2)制备的三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶中，超声波分散5小时，然后室温下高速混合25分钟。

(5)将线状纳米银粉(3g)、甲基六氢邻苯二甲酸酐、1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑通过搅拌100min混合均匀加入到步骤(4)的混合物中，并在40℃下通过真空搅拌2h脱除气泡制备得到环氧银导电胶。

实施例3：该实施例中的网络组分中加入线状纳米银粉，制备步骤具体如下：

(1)氧化石墨烯的制备：在常温下，分别按照表1中实施例4指定的各组分，制备氧化石墨烯。

(2)石墨烯的网络化：将上述氧化石墨烯分散于去离子水中，超声1h，得到氧化石墨烯/水分散液。加入线状纳米银粉(5g)、硝酸银(80ml)加热搅拌10h。然后加入对苯二胺,在80℃下搅拌24h，洗涤除去多余的改性剂分子，干燥，制备得到三维网状石墨烯/银复合的石墨烯水凝胶，然后通过冷冻干燥，制得三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶。

(3)将双酚a型、双酚f型环氧树脂和1,4-环己烷二醇缩水甘油醚、二乙二醇缩水甘油醚环氧稀释剂在室温下混合25分钟，得到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物，偶联剂己二胺基甲基三甲氧基硅烷依次加入到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物中，室温下在三辊研磨机上研磨25分钟的得到均匀混合物。

(4)将步骤(3)的混合物加入步骤(2)制备的三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶中，超声波分散5小时，然后室温下高速混合25分钟。

(5)将线状纳米银粉(5g)、四氢邻苯二甲酸酐、2-十一烷基咪唑通过搅拌100min混合均匀加入到步骤(4)的混合物中，并在40℃下通过真空搅拌2h脱除气泡制备得到环氧银导电胶。

实施例4：该实施例中的网络组分中加入多巴胺，制备步骤具体如下：

(1)氧化石墨烯的制备：在常温下，分别按照表1中实施例5指定的各组分，制备氧化石墨烯。

(2)石墨烯的网络化：将上述氧化石墨烯分散于去离子水中，超声1h，得到氧化石墨烯/水分散液。加入线状纳米银粉(2g)、硝酸银(80ml)加热搅拌10h。然后加入多巴胺,在80℃下搅拌24h，洗涤除去多余的改性剂分子，干燥，制备得到三维网状石墨烯/银复合的石墨烯水凝胶，然后通过冷冻干燥，制得三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶。

(3)将双酚a型、双酚f型环氧树脂和二乙二醇缩水甘油醚环氧稀释剂在室温下混合25分钟，得到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物，偶联剂γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷依次加入到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物中，室温下在三辊研磨机上研磨25分钟的得到均匀混合物。

(4)将步骤(3)的混合物加入步骤(2)制备的三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶中，超声波分散5小时，然后室温下高速混合25分钟。

(5)将线状纳米银粉(2g)、间苯二胺、甲基六氢邻苯二甲酸酐、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑通过搅拌100min混合均匀加入到步骤(4)的混合物中，并在40℃下通过真空搅拌2h脱除气泡制备得到环氧银导电胶。

实施例5：该实施例中的网络组分中加入水合肼，制备步骤具体如下：

(1)氧化石墨烯的制备：在常温下，分别按照表1中实施例6指定的各组分，制备氧化石墨烯。

(2)石墨烯的网络化：将上述氧化石墨烯分散于去离子水中，超声1h，得到氧化石墨烯/水分散液。加入线状纳米银粉(2g)、硝酸银(80ml)加热搅拌10h。然后加入水合肼,在80℃下搅拌24h，洗涤除去多余的改性剂分子，干燥，制备得到三维网状石墨烯/银复合的石墨烯水凝胶，然后通过冷冻干燥，制得三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶。

(3)将双酚a型、双酚f型环氧树脂和二乙二醇缩水甘油醚环氧稀释剂在室温下混合25分钟，得到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物，偶联剂γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷依次加入到环氧树脂和环氧稀释剂的混合物中，室温下在三辊研磨机上研磨25分钟的得到均匀混合物

(4)将步骤(3)的混合物加入步骤(2)制备的三维网状石墨烯/银复合的石墨烯气凝胶中，超声波分散5小时，然后室温下高速混合25分钟。

(5)将线状纳米银粉(2g)、甲基六氢邻苯二甲酸酐、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑通过搅拌100min混合均匀加入到步骤(4)的混合物中，并在40℃下通过真空搅拌2h脱除气泡制备得到环氧银导电胶。

表1各对比例和实施例组分重量百分含量

备注：线状纳米银粉，平均粒径5微米；氧化石墨烯，平均厚度为3-5纳米。

将以上各实施例得到的本发明的导电胶在固化条件为150℃的烘箱内放置1小时。固化后材料的电阻率的测试按照四线法测试的方法，导热率的测试按照astmd5470标准来进行来进行。测试导电性能和导热性能。按照各个实施例的测试结果如表2所示。

表2各对比例及实施例得到的导电胶导热率测试结果

从表2中可以看出，本发明通过网络化的石墨烯/银能够大幅度提高导电胶的导热性能和导电性能，可以满足在大功率半导体封装的应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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