Bewertung elektrisch isolierender Epoxidharze

Epoxide sind vielseitige Polymersysteme, die „beliebte Materialien“ für elektrische, elektronische und mikroelektronische Systeme sind, insbesondere in Anwendungen, bei denen hervorragende elektrische Isolationseigenschaften erforderlich sind. Ihre breite Verwendung beruht auf ihrer hervorragenden Haftung auf einer Vielzahl von Substraten, ihrer hervorragenden Chemikalien- und Hitzebeständigkeit sowie ihrer langen Haltbarkeit. Sie eignen sich für Klebe-, Dichtungs-, Beschichtungs- und Einkapselungs-/Vergussanwendungen.

Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf zwei Aspekten. Zunächst geht es um die elektrischen Isolationseigenschaften von Epoxidharzen. Die andere besteht darin, die Variation dieser Eigenschaften zu untersuchen, basierend auf der Chemie des Systems (insbesondere der Rolle des Härters) sowie den Betriebsbedingungen der Anwendung.

Vor dem Aushärten besteht ein Epoxidharz aus einem Harz und einem Härter, die beim Mischen polymerisieren und eine ausgehärtete Matrix bilden. Es gibt viele verschiedene Arten von Epoxidharzen und Härtern. Wenn sie kombiniert werden, erzeugen sie unterschiedliche Vernetzungsmuster, die zu unterschiedlichen Eigenschaften des polymerisierten Systems führen. Die Wahl des Härters hängt nicht nur von den gewünschten elektrischen Isolationswerten ab, sondern auch von anderen Parametern wie unter anderem Betriebstemperaturen, chemischer Beständigkeit und physikalischen Festigkeitsanforderungen. Ein weiterer Gesichtspunkt bei der Auswahl des Härters ist die Beurteilung seiner Verarbeitungsfähigkeiten und -beschränkungen. Wir beginnen mit der Erörterung einiger grundlegender elektrischer Isolationseigenschaften, z. B. Dielektrizitätskonstante, Verlustfaktor, Durchschlagsfestigkeit und spezifischer Durchgangswiderstand. Anschließend werden wir diese Werte im Hinblick auf die Verarbeitung mit den endgültigen Eigenschaften korrelieren, die mit verschiedenen Gruppen von Härtern erzielt werden, darunter aliphatische Amine, Polyamide, cycloaliphatische Amine, aromatische Amine, Anhydride, Lewissäuren und Imidazole.

Die Dielektrizitätskonstante, auch relative Permittivität genannt, gibt die Fähigkeit eines Materials an, als Reaktion auf ein elektrisches Feld elektrische Energie zu speichern. Es handelt sich um eine dimensionslose Zahl, die als Verhältnis der Permittivität eines Materials im Verhältnis zu der eines Vakuums definiert ist, wobei die Permittivität ein Maß für die elektrische Energie ist, die als Ergebnis einer angelegten Spannung gespeichert wird. Im Allgemeinen ist ein niedriger Wert (2–5) für Epoxidharze und andere Materialien, die als elektrische Isolatoren verwendet werden sollen, wünschenswert, obwohl in bestimmten Anwendungen eine mittlere Dielektrizitätskonstante (6–12) erforderlich ist.

Die Standardtestmethode zur Messung der Dielektrizitätskonstante eines festen elektrischen Isoliermaterials ist ASTM D150. Dabei wird eine Materialprobe zwischen zwei Kondensatorplatten gelegt und die resultierende Kapazität – die Fähigkeit, elektrische Ladung zu speichern – gemessen. Dies wird dann mit der Kapazität derselben Platten verglichen, zwischen denen sich Luft oder Vakuum befindet. Das resultierende Verhältnis ist die Dielektrizitätskonstante des Materials.

Bei einem ausgehärteten Epoxidharzsystem variiert die Dielektrizitätskonstante je nach Temperatur, Frequenz und Füllstoff. Beispielsweise kann die Dielektrizitätskonstante eines bestimmten Systems bei einer 60-Hz-Anwendung mit der Temperatur ansteigen (3,46 bei 23 °C, 3,55 bei 100 °C und 4,24 bei 150 °C), jedoch mit der Temperatur schwanken (3,28 bei 23 °C). °C, 2,99 bei 100 °C und 3,87 bei 150 °C) für eine 1-kHz-Anwendung. Im Allgemeinen, aber nicht immer, nimmt die Dielektrizitätskonstante mit höheren Temperaturen zu und mit höheren Frequenzen ab. Im Wesentlichen verlieren Epoxidharze bei höheren Temperaturen einen Teil ihrer Isolierfähigkeit, weisen jedoch bei höheren Frequenzen bessere Isoliereigenschaften auf. Der Zusatz mineralischer Füllstoffpartikel erhöht die Dielektrizitätskonstante eines bestimmten Epoxidsystems geringfügig, während metallische Füllstoffe einen deutlicheren Einfluss haben.

Der Verlustfaktor (DF) ist ein Maß für den Leistungsverlust in einem Material, das einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt ist. Gemäß der Norm ASTM D150 ist der DF das Verhältnis der Verlustleistung zur angelegten Leistung. (Für die Charakterisierung von DF bei Mikrowellenfrequenzen wird ein zusätzlicher Standard, ASTM D2520, empfohlen.) Ein niedrigerer DF ist wünschenswert, um die Erwärmung des Materials zu reduzieren und die Auswirkungen auf den umgebenden Schaltkreis zu minimieren. Der Verlustfaktor kann ein sehr nützliches Maß für andere Eigenschaften eines Materials sein, wie z. B. Aushärtungsgrad, Hohlräume, Feuchtigkeitsgehalt und Verunreinigung. Im Laufe der Zeit kann es zu einer erheblichen Änderung des DF kommen, wenn die Betriebsbedingungen für das ausgehärtete System zu streng sind.

Der DF beträgt typischerweise 0,003 bis 0,030 bei 1 kHz und bis zu 0,050 bei 1 MHz. Bei Umgebungstemperaturen nimmt der DF (in den meisten Fällen) mit zunehmender Frequenz zu. Wenn die Temperatur steigt, variiert die Auswirkung auf den DF stark, abhängig von der Betriebsfrequenz und der spezifischen Chemie. Beispielsweise sinkt bei 1 KHz der Verlustfaktor eines bestimmten Systems von etwa 0,02 auf weniger als 0,01, wenn die Temperatur von Umgebungstemperatur auf 125 °C ansteigt. An diesem Punkt steigt der DF dramatisch an und erreicht fast 0,8. Für das gleiche System, das mit 8,5 × 109 Hz betrieben wird, steigt der DF sanft von 0,02 an und pendelt sich dann bei steigender Temperatur unter 0,05 ein.

Der Gesamteffekt mineralischer Füllstoffe besteht darin, den DF etwas zu erhöhen, obwohl das Ausmaß der Änderung stark von der Temperatur und der Häufigkeit abhängt. Bei metallischen Füllstoffen steigt der DF stark an.

Ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Beurteilung der Isolationseigenschaften eines Epoxidharzes ist die Durchschlagsfestigkeit, die oft in Volt/mil (1 mil = 0,001 Zoll) ausgedrückt wird. Dies ist definiert als die maximale Spannung, die an eine Materialprobe angelegt werden kann, ohne dass es zu einem dielektrischen Durchschlag kommt. Der Widerstand des Materials beim dielektrischen Durchschlag nimmt schnell ab und es wird elektrisch leitend.

ASTM D149 ist der Standardtest zur Bestimmung der theoretischen Durchschlagsfestigkeit. Die Testmethode besteht darin, eine Materialprobe zwischen zwei Elektroden in Wasser oder Öl zu legen und eine Spannung an die Elektroden anzulegen. Anschließend wird die Spannung gleichmäßig von Null an erhöht, bis das Material Durchbrennerscheinungen aufweist oder sich zu zersetzen beginnt. Die resultierende Durchschlagsspannung wird durch die Probendicke dividiert, um die intrinsische Durchschlagsfestigkeit abzuleiten. Höhere Werte weisen auf bessere elektrische Isolationseigenschaften hin.

In der Praxis hängt die Durchschlagsfestigkeit stark von der Dicke des Materials ab, wobei dünnere Proben höhere Werte pro Dickeneinheit aufweisen. Beispielsweise könnten die Durchschlagsfestigkeitswerte für Epoxidsysteme bei einer 0,010-Zoll-Probe bis zu 2.000 Volt/Mil betragen und sich bei einer 0,125-Zoll-Probe allmählich auf etwa 425–475 Volt/Mil verringern. Dickere Abschnitte neigen dazu, diesen Durchschlagfestigkeitswert von etwa 425–475 Volt/mil bei Umgebungstemperaturen beizubehalten. Einer der wichtigsten Faktoren bei der Beurteilung der dielektrischen Festigkeit eines Epoxidharzes ist daher eine sehr genaue Angabe der verwendeten Testmethode in Bezug auf die Dicke des ausgehärteten Epoxidharzes. Die Spannungsfestigkeit nimmt im Allgemeinen mit steigender Betriebstemperatur oder -frequenz ab. Da die Durchschlagsfestigkeit von der Anwendung abhängt, ist es wichtig, Epoxidharze hinsichtlich ihrer Durchschlagsfestigkeit für bestimmte Anwendungen zu validieren, insbesondere für Anwendungen mit hohen Strömen.

Die meisten nicht leitenden mineralischen Füllstoffe haben kaum Einfluss auf die Durchschlagsfestigkeit des Epoxidharzes, und metallische Füllstoffe verringern die Durchschlagsfestigkeit je nach Art des Füllstoffs und der Füllstoffbeladung.

Der spezifische Widerstand ist die Fähigkeit eines Materials, dem Durchgang eines elektrischen Stroms unter bestimmten Bedingungen der angelegten Spannung, Temperatur und Zeit zu widerstehen. Der spezifische Oberflächenwiderstand, ausgedrückt in Ohm, charakterisiert den Widerstand gegenüber Leckströmen entlang der Oberfläche eines Materials, während der spezifische Volumenwiderstand, ausgedrückt in Ohm-cm, den Widerstand gegenüber Leckströmen durch den Körper eines Materials misst. ASTM D257 ist ein weit verbreiteter Standard zur Messung des Volumenwiderstands in Isoliermaterialien.

Bei ungefüllten Epoxidharzen übersteigt der spezifische Volumenwiderstand typischerweise 1012 Ohm-cm bei 25 °C. Die meisten mineralischen Füllstoffe haben einen geringfügigen Einfluss auf den spezifischen Volumenwiderstand, während bestimmte metallische Füllstoffe den spezifischen Volumenwiderstand senken. Epoxidharze mit erheblichen Anteilen einiger metallischer Füllstoffe, wie etwa Silber, sind ausgezeichnete elektrische Leiter. Andere metallische Füllstoffe wie Edelstahl senken den Volumenwiderstand, verwandeln das Epoxid jedoch nicht in einen Leiter.

Die Erhöhung der Temperatur hat einen interessanten Effekt auf Epoxidharze. Wenn das Epoxidharz ein Isolator ist, führt eine Erhöhung der Wärme zu einer Verringerung des spezifischen Volumenwiderstands. Die Zugabe von Wärme zu einem elektrisch leitfähigen Epoxidharz erhöht jedoch den spezifischen Volumenwiderstand, was zu einer Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit führt.

Wie bereits erwähnt, hat die spezifische Zusammensetzung von Harz und Härter einen tiefgreifenden Einfluss auf die Eigenschaften eines ausgehärteten Epoxidsystems. Wir werden das Harz als Bisphenol A vom „Standardtyp“ bezeichnen. Es gibt drei Haupttypen von Härtern für Epoxidharze: Amine (am häufigsten), Anhydride und katalysierte Systeme (unter anderem Lewis-Säuren, typischerweise Bortrifluoride und Imidizole). . Jede Gruppe weist teilweise unterschiedliche elektrische Isolationseigenschaften auf. Diese werden im Zusammenhang mit ihren Verarbeitungs- und Handhabungsparametern betrachtet.

Historisch und funktionell sind die aliphatischen Amine eine der bedeutendsten Klassen. Sie haben eine niedrigere Viskosität, härten leicht bei Raumtemperatur aus und einige sind für Dauerbetriebstemperaturen bis zu 130 °C geeignet. Sie werden häufig in verschiedenen Klebe-, Dichtungs- und Vergussanwendungen eingesetzt und verfügen über hervorragende elektrische Isolationseigenschaften. Darüber hinaus sind ihre chemische Beständigkeit und ihre physikalischen Festigkeitseigenschaften recht gut. Das Mischungsverhältnis dieser aliphatischen Amine ist tendenziell ungleichmäßig (z. B. 100:12) und nicht ganz so nachsichtig wie bei anderen Aminsystemen. Obwohl sie in dünnen Abschnitten gut aushärten, sind sie im Allgemeinen exotherm und werden normalerweise nicht über ¼ Zoll Dicke hinaus ausgehärtet.

Eine zweite Kategorie von Aminen sind Aminaddukte mit höherem Molekulargewicht (Amidoamine) – am häufigsten sind Polyamid-Härter. Diese Härter härten bei Raumtemperatur leicht aus, weisen jedoch tendenziell eine höhere Viskosität auf. Ihre Mischungsverhältnisse sind sehr nachsichtig und benutzerfreundlich (ein Mischungsverhältnis von 1:1 ist in dieser Klasse eher üblich). Sie gehören hinsichtlich ihrer elektrischen Isolationseigenschaften zu den besten bei Raumtemperatur aushärtenden Systemen. Allerdings ist die Temperaturbeständigkeit des Systems nicht so hoch wie bei seinen aliphatischen Gegenstücken. Sie sind in der Regel von Umgebungstemperatur bis etwa 100 °C kontinuierlich einsetzbar. Polyamide haben eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante und darüber hinaus hervorragende elektrische Isolationswerte bei Umgebungstemperaturen. Sie sind in der Regel nicht exotherm und können problemlos auf Dicken von bis zu 2 Zoll ausgehärtet werden. Tatsächlich gibt es in dieser Klasse eine Untergruppe mit einer so geringen Exotherme, dass sie auf Dicken von 5 bis 6 Zoll ausgehärtet werden können. Ein weiteres interessantes Merkmal besteht darin, dass es dem ausgehärteten System eine gewisse Zähigkeit verleiht.

Eine weitere wichtige Gruppe von Aminen sind die cycloaliphatischen Amine. Wie andere Amine verfügen sie über sehr gute elektrische Isolationseigenschaften. Da sie eine niedrige bis mäßige Viskosität aufweisen und bei Raumtemperatur aushärten, wird in der Regel Wärme zugeführt, um ihre Aushärtungseigenschaften zu optimieren. Allerdings ist der Wärmebedarf nicht besonders hoch (70-100 °C). Sie übertreffen sowohl Polyamide als auch aliphatische Amine hinsichtlich ihrer Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit, wobei einige Systeme bis zu 150 °C im Dauerbetrieb einsetzbar sind. Cycloaliphatische Amine weisen tolerantere Mischungsverhältnisse auf als aliphatische Amine, jedoch weniger als Polyamide. Sie variieren in der Exotherme, liegen aber tendenziell auf der unteren Seite. Es gibt viele verschiedene cycloaliphatische Amine, die im Handel erhältlich sind, wobei jedes ein leicht unterschiedliches elektrisches Isolationsprofil aufweist, obwohl alle relativ hervorragende Isolationswerte bieten.

Aromatische Amine sind die Hauptstütze für Hochtemperatur- und Chemikalienbeständigkeitsanwendungen. Sie erfordern zum Aushärten eine höhere Temperatur als die anderen bisher diskutierten Amine. Normalerweise erfordern sie eine Aushärtung bei 120–150 °C mit einer Nachhärtung bei 150–200 °C und haben bei Raumtemperatur eine niedrige bis mäßige Viskosität. Während einige der aromatischen Amine bei Umgebungstemperaturen relativ geringfügig niedrigere elektrische Isolationswerte als andere Amine aufweisen können, sind sie in dieser Hinsicht immer noch sehr robust und werden häufig verwendet, vor allem aufgrund ihrer chemischen und Temperaturbeständigkeit. Die meisten sind dauerhaft bis zu Temperaturen von etwa 200 °C einsetzbar. Sie haben eine sehr geringe Exotherme, eine Lebensdauer von mehreren Tagen und eignen sich gut für größere Gussteile. Ihre Mischungsverhältnisse sind typischerweise komplexer als 1:1 oder 2:1; Sie sind jedoch von Natur aus nachsichtig.

Die zweite Hauptkategorie von Härtern sind Anhydride, manchmal auch Säureanhydride genannt. Von allen Hauptgruppen sind ihre Hauptanwendungen das Vergießen und Einkapseln. Tatsächlich werden sie vor allem wegen ihrer unübertroffenen elektrischen Isolationseigenschaften verwendet. Realistisch gesehen erfordern Anhydride jedoch umfangreiche Wärme zur Vernetzung mit Aushärtungsplänen von 120–150 °C für 8–12 Stunden, gefolgt von einer Nachhärtung, um einige dieser Eigenschaften zu optimieren. Sie haben eine niedrige Viskosität und eine äußerst geringe Exotherme, wobei die Verarbeitungsdauer bei Raumtemperatur in vielen Fällen mehrere Wochen beträgt. Die meisten verfügen über eine hervorragende Temperaturbeständigkeit und andere hervorragende physikalische Festigkeitseigenschaften wie Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul usw.

Katalysierte Systeme bilden die dritte Gruppe von Härtern. Sie sind in ein- und zweiteiligen Systemen erhältlich. Lewis-Säure-Systeme, vor allem Bortrifluoride, sind wirksam für Anwendungen, bei denen eine schnellere Aushärtung und eine überlegene Temperaturbeständigkeit erforderlich sind. Diese Gruppe neigt dazu, exotherm zu sein, und wenn sie in zweiteiligen Systemen verwendet wird, sind ihre Mischungsverhältnisse etwas restriktiver. Als einkomponentiges System eingesetzt, sind sie zudem exotherm und erfordern hohe Temperaturen zur Aushärtung (150 °C). Eine Hauptanwendung für Einkomponentensysteme ist die Imprägnierung, sie können jedoch auch problemlos für Verguss-/Verkapselungsanwendungen formuliert werden.

Imidizole werden üblicherweise als katalysierte Systeme klassifiziert, obwohl sie keine Lewis-Säuren sind. Mit sehr langen Offenzeiten >12 Stunden bei Raumtemperatur zeichnen sie sich außerdem durch eine moderate Viskosität sowie eine hervorragende Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit aus. Zum Aushärten sind moderate Temperaturen erforderlich (80–120 °C). Die Mischungsverhältnisse sind normalerweise ungleichmäßig (z. B. 100:5), sind aber nachsichtiger als bei anderen Aminen. Wie bei anderen katalysierten Systemen neigen Imidizole dazu, dem ausgehärteten Gebilde eine geringere Dehnung und höhere Modulwerte zu verleihen. Sie werden hauptsächlich für Klebe- und Dichtungsanwendungen verwendet und können auch in Verbindung mit anderen Härtern verwendet werden, um das Temperaturbeständigkeitsprofil zu verbessern. Eine Zusammenfassung der besprochenen Härtergruppen finden Sie in der Tabelle.

Epoxidharze werden häufig zum Kleben, Abdichten, Beschichten sowie für Verguss- und Verkapselungsanwendungen verwendet. Wie dieser Artikel zeigt, sind alle Epoxidsysteme von Natur aus gute Isolatoren, insbesondere wenn sie anhand der Durchschlagsfestigkeit, des spezifischen Volumenwiderstands, der Dielektrizitätskonstante und des Verlustfaktors bewertet werden. Sie sind hervorragende elektrische Isolatoren; Allerdings gibt es je nach verwendeter Härterklasse geringfügige Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften. Letztendlich hängt die Wahl des Härters von den Betriebsbedingungen ab, denen das Epoxidharz ausgesetzt sein wird, und von den Verarbeitungseinschränkungen, die durch die Anwendung selbst vorgegeben sind.

Dieser Artikel wurde von Master Bond, Hackensack, NJ verfasst. Für weitere Informationen klicken Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Novemberausgabe 2014 des NASA Tech Briefs Magazine.

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