一种导电导热胶膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于材料功能化粘接技术领域，具体涉及一种导电导热胶膜及其制备方法和应用。

背景技术

胶粘剂粘接是工程应用中连接两个材料部件的一种重要技术手段。在实际应用中，一些部件的粘接不仅需要粘接层提供力学连接，还需要兼具一些特殊功能。如一些电子器件间的连接需要粘接层提供良好的导电性能，一些工作中需要散热的部件和散热片之间的连接则需要粘接层具有较好的导热性能。这就需要功能化的胶粘剂，在具有力学粘接性能的同时，拥有导电、导热等功能。为实现这一目标，一般是在胶粘剂基体中加入微观导电、导热填料，并使其达到一定的渗透阈值，从而得到功能化的胶粘剂。

在应用过程中，传统的胶粘剂需要在被粘接物表面进行涂胶，然后将被粘接物压合进行粘接。但施胶的过程可能会由于操作的差异造成胶层不均匀或不定量，导致在批量的部件粘接中出现粘接性能的不稳定。基于此问题，发展出了胶膜形式的胶粘剂。胶膜是预制成均匀薄膜状态的，在操作温度下呈固态或凝胶态的一种胶粘剂。在使用中无需涂胶，直接将胶膜置于被粘接物间的界面压合固化即可。胶膜可以方便地提供均匀、定量的粘接层，以获得具有良好一致性的粘接界面。并且胶膜可以随意裁剪，可适应不同形状粘接面的粘接。因此，胶膜形式的胶粘剂在实际工程应用中具有突出的优势。

胶膜的制备一般是将热固性或热塑性的胶粘剂加热至软化温度以上在离型层上均匀涂布而得到。对于导电、导热等功能化的胶膜，一般是将微观导电导热填料与胶粘剂基体充分混合后再进行涂布得到。但是由于胶膜的胶粘剂基体一般粘度较大，将微观填料与胶粘剂基体在软化温度以上混合时工艺难度较大，并且涂布得到的复合胶膜容易出现填料团聚、分布不均匀等问题，从而会造成胶膜性能的不稳定。

发明内容

本发明提供一种导电导热胶膜，所述胶膜包括胶粘剂基体和金属网络，所述金属网络嵌入在胶粘剂基体中，且金属网络的长、宽、高与胶膜的长、宽、高分别相同。

根据本发明的实施方案，所述金属网络为泡沫金属和金属网中的至少一种，例如所述金属网络为泡沫金属膜或金属网。

根据本发明的实施方案，所述金属网络为泡沫金属膜时，所述胶粘剂基体充满所述泡沫金属膜的(所有)孔隙。

根据本发明的实施方案，所述金属网络为金属网时，所述胶粘剂基体充满所述金属网的(所有)网孔，并与(所有)金属网丝接触。

根据本发明的实施方案，所述泡沫金属膜选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫银、泡沫铁、泡沫铝、泡沫钛、泡沫铁镍以及表面镀银或镀金的上述泡沫金属膜中的至少一种，例如为泡沫镍、泡沫铜、泡沫银、镀银泡沫镍、和/或镀银泡沫铜。

根据本发明的实施方案，所述泡沫金属膜的厚度为0.02-2mm，例如厚度为0.05-0.15mm，示例性为0.1mm、0.15mm、0.2mm。

根据本发明的实施方案，所述泡沫金属膜的孔隙率为50-98％，例如60-90％，示例性为60％、70％、80％、90％、95％。

根据本发明的实施方案，所述金属网选自镍网、铜网、银网、铁网、铝网、钛网、铁镍网以及表面镀银或镀金的上述金属网中的至少一种，例如为镍网、铜网、银网、镀银铜网、和/或镀银镍网。

根据本发明的实施方案，所述金属网的厚度为0.02-2mm，例如厚度为0.05-0.15mm，示例性为0.1mm、0.15mm、0.2mm。

根据本发明的实施方案，所述金属网的网孔目数为40-800目，例如50-600目，示例性为100目、200目、300目。

根据本发明的实施方案，所述金属网可以为金属丝编织网、拉伸网、冲孔网和蚀刻网等中的至少一种。

根据本发明的实施方案，导电导热胶膜中可以含有叠加在一起的相同或不同的金属网络。例如两层镍网或一层镍网和一层铜网叠加在一起的厚度与胶膜的厚度相同。

根据本发明的实施方案，所述胶粘剂基体包括热固性胶粘剂和/或热塑性胶粘剂，以及任选含有或不含有的导电和/或导热填料。本发明利用连续金属网络结构可以降低导电和/或导热填料的重量含量，从而获得高的粘接强度。

根据本发明的实施方案，所述热固性胶粘剂为环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂和聚苯并恶嗪树脂中的至少一种。例如为环氧树脂和/或不饱和聚酯树脂。

根据本发明的实施方案，所述热塑性胶粘剂为聚乙烯热熔胶、聚丙烯热熔胶、乙烯及其共聚物类热熔胶、聚酯类热熔胶、聚酰胺类热熔胶、聚氨酯类热熔胶、苯乙烯及其嵌段共聚物类热熔胶以及非晶态α-烯烃共聚物(APAO)中的至少一种。例如为聚酰胺(PA)热熔胶和/或乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)热熔胶。

根据本发明的实施方案，所述导电和/或导热填料包括片状金属粉、球状金属粉、树枝状金属粉、金纳米线、银纳米线、铜纳米线、石墨、纤维状碳粉、鳞片状碳粉、石墨烯、碳纳米管、金刚石、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氧化铍、氧化镍、氧化钙、二氧化硅(结晶型)、氮化铝、氮化硼和碳化硅中的一种或多种。

根据本发明的实施方案，所述导电和/或导热填料的重量占胶粘剂基体重量的0-90％，例如10-80％，又如20-50％，示例性为0、10％、20％、30％、40％、50％。

根据本发明的实施方案，所述导电导热胶膜的厚度与所述连续金属网络的厚度基本相同，例如为0.02-2mm，例如厚度为0.05-0.15mm，示例性为0.1mm、0.15mm、0.2mm。

根据本发明的实施方案，所述导电导热胶膜的体积电阻率小于5.0×10

根据本发明的实施方案，所述导电导热胶膜的热导率大于6W/(m·K)，优选为8-20W/(m·K)，示例性为8W/(m·K)、9W/(m·K)、10W/(m·K)、10.5W/(m·K)。

根据本发明示例性的方案，所述导电导热胶膜包括环氧树脂胶粘剂基体和嵌入其中的镀银泡沫镍，其中镀银泡沫镍的长、宽、高与胶膜整体的长、宽、高分别相同。

根据本发明示例性的方案，所述导电导热胶膜包括聚酰胺胶粘剂基体和嵌入其中的镀银铜网，其中镀银铜网的长、宽、高与胶膜整体的长、宽、高分别相同。

根据本发明示例性的方案，所述导电导热胶膜包括含有银粉的不饱和聚酯树脂胶粘剂和嵌入其中的泡沫铜，其中泡沫铜的长、宽、高与胶膜整体的长、宽、高分别相同。

根据本发明示例性的方案，所述导电导热胶膜包括含有碳化硅的乙烯-醋酸乙烯共聚物胶粘剂和嵌入其中的镀银镍网，其中镀银镍网的长、宽、高与胶膜整体的长、宽、高分别相同。

本发明还提供上述导电导热胶膜的制备方法，包括如下步骤：(a)将所述金属网络压入软化的胶粘剂基体膜中，或者(b)将软化的胶粘剂基体涂覆并渗透至所述金属网络中，或者(c)在辅助压力下将软化的胶粘剂基体填充至所述金属网络中，得到所述导电导热胶膜；

根据本发明的实施方案，上述方法中使胶粘剂基体与金属网络复合，冷却后得到所述导电导热胶膜。

所述胶粘剂基体中任选含有或不含有所述导电和/或导热填料。

根据本发明的实施方案，方案(a)中包括将胶粘剂基体预制成胶粘剂基体膜。优选地，所述胶粘剂基体膜的厚度与所述金属网络的厚度相同。

根据本发明的实施方案，方案(a)中所述压入可以利用平板压力机或辊式压延机等，将金属网络压入胶粘剂基体膜中。

根据本发明的实施方案，方案(a)中，所述压入可以为热压或压延。

根据本发明的实施方案，方案(a)中，所述热压的温度为80-150℃，例如90-130℃，示例性为100℃、110℃、120℃。其中，所述热压的压力为3-10MPa，例如4-8MPa，示例性为5MPa、6MPa、7MPa。其中，所述热压的保压时间为0.5-2分钟，例如1分钟。

根据本发明的实施方案，方案(a)中，所述压延的温度为80-150℃，例如90-130℃，示例性为100℃、110℃、120℃。其中，所述压延过程中压延辊的间隙为0.1-0.3mm，例如0.15-0.25mm，示例性为0.2mm。其中，所述压延的速度为0.2-1m/min，例如0.4-0.8m/min，示例性为0.5m/min。

根据本发明的实施方案，方案(a)中将软化的胶粘剂基体膜和金属网络叠放，通过热压或压延，使金属网络压入软化的胶粘剂基体膜中。

根据本发明的实施方案，方案(b)中可以利用胶膜机等直接将软化的胶粘剂基体涂布并渗透至金属网络中。

根据本发明的实施方案，方案(b)中，所述涂布的方式为本领域已知涂布方式，例如辊压涂布。其中，涂布间隙为0.05-0.3mm，例如0.15-0.25mm，示例性为0.15mm。其中，涂布的温度为80-150℃，例如90-130℃，示例性为90℃、100℃、110℃、120℃。其中，涂布的速度为0.5-2m/min，例如0.7-1.5m/min，示例性为1m/min。

根据本发明的实施方案，方案(c)中所述辅助压力可以由真空等辅助手段来实现。例如，熔融的胶粘剂基体在真空作用下浸润所述金属网络。

根据本发明的实施方案，当所述胶粘剂基体中含有导电和/或导热填料时，可以将导电和/或导热填料分散于流动态的胶粘剂中，得到胶粘剂基体。

本发明还提供由上述方法制备得到的导电导热胶膜。

本发明还提供所述导电导热胶膜在粘结电子器件和/或电子元件中的应用，以实现胶膜两侧被粘接物间的导电和/或导热功能。优选地，粘结时，直接将导电导热胶膜与两侧被粘结物接触。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种具有新型结构的导电导热胶膜。该胶膜利用连续的金属网络替代传统微观导电导热填料，一方面，可以简化胶膜成型工艺，并可获得更高的电导率和热导率；另一方面，使用连续的金属网络可以在一定程度上降低填料的重量含量，从而获得更高的粘接强度。并且，连续的金属网络可以保证胶膜结构的一致性，得到性能一致性好的功能化胶膜。同时使胶膜具有高的导电、导热及粘接性能。具体如下：

1)利用连续的金属网络结构可以获得高的电导率和热导率；

2)连续的金属网络结构充满胶膜的、长、宽和高的方向，并且在使用过程中直接与两侧被粘接物接触，可以降低界面电阻和热阻；

3)利用连续的金属网络结构可以降低填料的重量含量，从而获得高的粘接强度；

4)利用连续的金属网络结构可以保证胶膜性能的一致性。

附图说明

图1是实施例1中利用泡沫金属薄膜制备的胶膜断面示意图；

图2是实施例2中利用金属网制备的胶膜断面示意图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

实施例中胶膜的体积电阻率依据ISO16525测试，热导率依据ASTM E1461测试，剪切强度依据ISO-4587:2003测试。

实施例1

此实施例中使用平板压力机进行胶膜成型。

将环氧树脂胶粘剂加热至软化温度以上并利用涂膜机将其涂布于离型纸上，制成厚度为0.1mm的环氧树脂胶膜，涂布温度为110℃。胶膜冷却后，将其剪裁成尺寸为20cm×30cm的薄膜。

将厚度为0.1mm，孔隙率为90％的镀银泡沫镍同样裁剪为20cm×30cm的薄膜。镀银泡沫镍的镀银量为镍重量的10％。

将镀银泡沫镍与环氧树脂胶膜贴合在一起，并置于两张离型纸之间，放置于平板压力机的上下两平板之间，进行热压。热压温度为100℃，压力为5MPa，保压时间为1分钟。在压力作用下，在软化温度之上的环氧树脂渗透至镀银泡沫镍的孔隙之中，由于泡沫金属具有一定的抗压性能，则多余的树脂将从侧边溢出，最终形成厚度与镀银泡沫镍相同的复合胶膜，其断面结构如图1所示。

对获得的胶膜进行性能测试，该胶膜的体积电阻率为1.8×10

实施例2

此实施例中使用辊式压延机进行胶膜成型。

将聚酰胺(PA)胶粘剂加热至软化温度以上并利用涂膜机将其涂布于离型纸上并收卷，制成厚度为0.15mm，幅宽为30cm的胶粘剂基体胶膜，涂布温度为140℃。

将厚度为0.2mm，目数为300目，幅宽为30cm的镀银铜网与胶粘剂基体胶膜复合后置于上下两层离型纸之间，离型纸厚度为0.1mm，并通过放卷装置送入双辊式压延机进行连续热压延。控制压延辊间隙为0.4mm，压延辊温度为130℃，压延速度为0.5m/min。压延后将胶膜冷却并收卷，得到厚度为0.2mm连续生产的复合胶膜，其断面结构如图2所示。

对获得的胶膜进行性能测试，该胶膜的体积电阻率为1.5×10

实施例3

此实施例中使用胶膜机进行胶膜成型。

将厚度为0.15mm，孔隙率为85％的泡沫铜置于一层离型纸上。将不饱和聚酯树脂胶粘剂加热至90℃并充分搅拌，加入片状银粉并分散均匀，得到胶粘剂基体，其中片状银粉重量为胶粘剂基体总重量的30％。利用胶膜机将胶粘剂基体直接涂布于泡沫铜上，涂布采用辊压涂布的方式，控制涂布间隙为0.15mm，涂布温度为90℃，涂布速度为1m/min。涂布后待胶膜冷却得到成型的复合胶膜。

对获得的胶膜进行性能测试，该胶膜的体积电阻率为1.2×10

实施例4

此实施例中采用真空辅助树脂传递成型方式进行胶膜成型。

将厚度为0.15mm，目数为200目的镀银镍网裁剪成30cm×40cm的薄膜。将两张镍网薄膜重叠并放置于上下两张离型纸之间，离型纸厚度为0.1mm。将叠放好的镍网与离型纸放入真空辅助成型的平板模腔中并将模具预热至120℃，模腔上下平板的间距为0.5mm。

在另一容器中将乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)热熔胶加热至120℃使其呈可流动态，加入碳化硅粉体并分散均匀，得到胶粘剂基体，其中碳化硅重量为胶粘剂基体总重量的30％。通过管道将熔融的胶粘剂基体与模腔连接。通过模腔的真空口对模腔抽真空，则胶粘剂基体在真空作用下进入模腔并浸润镀银镍网。在充分浸润镀银镍网后，将模具冷却降温即得到复合胶膜。

对获得的胶膜进行性能测试，该胶膜的体积电阻率为1.6×10

对比例

将环氧树脂胶粘剂加热至90℃并充分搅拌，加入片状银粉并分散均匀，得到胶粘剂基体，其中片状银粉重量为胶粘剂基体总重量的50％。利用胶膜机将胶粘剂基体直接涂布于离型纸上，涂布采用辊压涂布的方式，控制涂布间隙为0.1mm，涂布温度为80℃，涂布速度为1m/min。涂布后待胶膜冷却得到成型的胶膜。

对获得的胶膜进行性能测试，该胶膜的体积电阻率为2.5×10

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。