A study of epoxy composites for high thermal conductivty applications

Abstract

Nowadays. both electronic and microelectronic circuits have great relevance and wide application in our daily lives and are increasingly being used with higher powers and frequencies. One of the main problems faced by their manufacturers is the dissipation of heat generated during their operation. since it reduces the useful life of these devices. One of the useful options that can help dissipate the generated heat is the lnsulated Metal Substrate (IMS). The IMS consists of three layers: copper foil, a dielectric layer, and a metallic substrate. The thermal conductivity of the material that constitutes the dielectric layer will be of vital importance when it comes to dissipating the heat generated. The most widely used system as a dielectric layer for IMS is an epoxy resin matrix with a crosslinking agent and a filler. As the thermal conductivity of the epoxy resin is low, it is essential to use a filler with high thermal conductivity that allows efficient dissipation of the generated heat. Therefore, in this thesis, the preparation of samples based on epoxy resins with boron nitride (BN) charges is studied. The effect of the BN particle size, the effect of the crosslinking agent used, the curing kinetics, the shape of the BN particles, the application of pressure on the material during the curing process, and the role of densification are analyzed. lt is found that the thenmal conductivity of epoxy-BN composites increases with increasing BN particle size for a given content of filler, and that BN agglomerates provide a higher thermal conductivity in comparison with the same size platelets, which is attributed to there being fewer interfaces with the epoxy matrix for the agglomerates. The epoxy-thiol system provides a higher thermal conductivity than the epoxy-Jeffamine system, which is attributed to a Lewis acid-base interaction. In the cure kinetics experiments, it was observed that the cure reaction of the epoxy-thiol composites was retarded with increasing the BN content for all particles (platelets or agglomerates). For the epoxy-Jeffamine system, it was observed that the cure reaction is independent of BN particle content, which is also correlated with the thermal conductivity measurements. The heat of reaction (L':.Hee) and the glass transition temperature of the fully cured system, Tgm, are independent of BN particle content, size and shape for both epoxy-thiol and epoxy-Jeffamine. On the other hand, the thermal conductivity increases by applying pressure for both epoxy-thiol and epoxy-Jeffamine systems in comparison with the composites cured at ambient pressure; the enhancement for the epoxy-Jeffamine system is greater. lt is revealed that the mechanisms of the enhancement of the thermal conductivity by application of pressure for each system are different. And finally, densification is shown to be a way of increasing the thermal conductivity; it is also shown to be a reversible effect.

En la actualidad, tanto los circuitos electrónicos como los microelectrónicos tienen una gran relevancia y una amplia aplicación en nuestra vida diaria y cada vez se utilizan mayores potencias y frecuencias. Uno de los principales retos que encaran sus fabricantes es la disipación del calor generado durante su funcionamiento, ya que reduce la vida útil de estos dispositivos. Una de las opciones útiles que pueden ayudar a disipar el calor generado es el denominado sustrato metálico aislado (IMS). El IMS consta de tres capas: una lámina de cobre, una capa dieléctrica y un sustrato metálico. La conductividad térmica del material que constituye la capa dieléctrica será de vital importancia a la hora de disipar el calor generado. El sistema más utilizado como capa dieléctrica para IMS es una matriz de resina epoxi con un agente reticulante y un relleno (filler). Dado que la conductividad térmica de la resina epoxi es baja, es fundamental utilizar un relleno con alta conductividad térmica que permita una eficiente disipación del calor generado. Por tanto, en esta tesis se estudia la preparación de muestras a base de resinas epoxi con cargas de nitruro de boro (BN). Se analiza el efecto del tamaño de partícula de BN, el efecto del reticulante utilizado, la cinética de curado, la forma de las partículas de BN, la aplicación de presión sobre el material durante el proceso de curado y el papel de la densificación. Se encuentra que la conductividad térmica de los compuestos epoxi-BN aumenta con el aumento del tamaño de partícula de BN para un contenido dado de relleno, y que los aglomerados de BN proporcionan una conductividad térmica más alta en comparación con los platillos (platelets) del mismo tamaño, lo que se atribuye a que hay menos interfaces con la matriz epoxi para los aglomerados. El sistema epoxi-tiol proporciona una conductividad térmica más alta que el sistema epoxi-Jeffamine, que se atribuye a una interacción ácido-base de Lewis. En los experimentos de cinética de curado, se observó que la reacción de curado de los compuestos de epoxi-tiol se retrasó al aumentar el contenido de BN para todas las partículas (platillos o aglomerados). Para el sistema epoxi-Jeffamine, se observó que la reacción de curado es independiente del contenido de partículas BN, que también se correlaciona con las medidas de conductividad térmica. El calor de reacción (ΔHee) y la temperatura de transición vítrea del sistema completamente curado, Tgꝏ, son independientes del contenido, tamaño y forma de partículas de BN tanto para el epoxi-tiol como para la epoxi-Jeffamina. Por otro lado, la conductividad térmica aumenta aplicando presión para los sistemas epoxi-tiol y epoxi-Jeffamine en comparación con los compuestos curados a presión atmosférica; remarcar que la mejora del sistema epoxi-Jeffamine resulta mayor. Se hace evidente que los mecanismos de mejora de la conductividad térmica mediante la aplicación de presión para cada sistema son diferentes. Y finalmente, se demuestra que la densificación es una forma de incrementar la conductividad térmica; que también se muestra como un efecto reversible.