DE102016220092A1

DE102016220092A1 - Halbzeug zur Kontaktierung von Bauteilen

Info

Publication number: DE102016220092A1
Application number: DE102016220092.5A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Volker Schuett; Claudia Neumann; Michael Raedler; Irene Jennrich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2018-04-19
Also published as: WO2018069081A1; JP2020500228A; US20190288247A1; CN109844983A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug zur, insbesondere thermischen und/oder elektrischen, Kontaktierung von Bauteilen, beispielsweise Batteriezellen und/oder Elektronikbauteilen. Um Verfahren zur Herstellung von elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder elektronischen Baugruppen, zum Beispiel von Batterien und/oder Elektronik-Baugruppen, zu vereinfachen, wird ein Halbzeug bereitgestellt, welches mindestens ein Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F, mindestens einen Füllstoff und mindestens einen Härter und/oder Katalysator umfasst. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein derartiges Reaktionsharzsystem und derartige Herstellungsverfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug zur, insbesondere thermischen und/oder elektrischen, Kontaktierung von, elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder elektronischen, Bauteilen sowie ein Reaktionsharzsystem und Herstellungsverfahren.
Stand der Technik
Zur thermischen und/oder elektrischen Kontaktierung von Bauteilen, wie Batteriezellen und Elektronikbauteilen, wie Chips, können Wärmeübertragungsmaterialien (TIM; Englisch: Thermal Interface Material) in Form von Platten, Folien, Pasten oder Gelen eingesetzt werden. Plattenförmige oder folienförmige Wärmeübertragungsmaterialien können beispielsweise mittels einer ein- oder beidseitigen selbstklebenden Beschichtung oder mittels eines ein- oder doppelseitigem Klebebands fixiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Halbzeug zur, insbesondere thermischen und/oder elektrischen, Kontaktierung von, insbesondere elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder elektronischen, Bauteilen, welches mindestens ein Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F, mindestens einen Füllstoff und mindestens einen Härter umfasst beziehungsweise daraus ausgebildet ist.
Beispielsweise kann das Halbzeug zur thermischen Kontaktierung - und beispielsweise elektrischen Isolierung - von Batteriezellen und/oder Elektronikbauteilen und/oder zur elektrischen Kontaktierung - und gegebenenfalls auch thermischen Kontaktierung - von Elektronikbauteilen ausgelegt sein beziehungsweise verwendet werden. Beispielsweise kann das Halbzeug zur thermischen Kontaktierung, und beispielsweise elektrischen Isolierung, von Batteriezellen, und/oder zur thermischen und elektrischen Kontaktierung von Elektronikbauteilen, beispielsweise eines oder mehrerer elektronischer Chips, beispielsweise MOSFET, und/oder eines Schaltkreis-Substrates, beispielsweise einer Leiterplatte und/oder einer gedruckten Schaltung (PCB, Englisch: Printed Circuit Board), zum Beispiel zwischen einem oder mehreren elektronischen Chips und einem Schaltkreis-Substrat, und/oder zur thermischen Kontaktierung, und beispielsweise elektrischen Isolierung von Elektronikbauteilen, beispielsweise eines oder mehrerer elektronischer Chips, und/oder eines Schaltkreis-Substrates, zum Beispiel zwischen einem oder mehreren elektronischen Chips und/oder einem Schaltkreis-Substrat, ausgelegt sein beziehungsweise verwendet werden. Zum Beispiel kann das Halbzeug zur Herstellung einer elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder elektronischen Baugruppe, zum Beispiel einer Batterie und/oder einer Elektronik-Baugruppe, ausgelegt sein beziehungsweise verwendet werden.
Epoxidharze auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F sind vorteilhafterweise bei Raumtemperatur flüssig und können - insbesondere in Abhängigkeit von dem verwendeten Härter - bereits bei Raumtemperatur oder bei einer höheren Temperatur vernetzt werden. Dies ermöglicht ein Halbzeug, beispielsweise mit gewünschten Abmessungen, bereitzustellen, welches, insbesondere bei Raumtemperatur, beispielsweise an ein zu kontaktierendes Bauteil, anformbar ist. So können vorteilhafterweise - beispielsweise durch Radien entstehende - Unebenheiten, wie Vertiefungen und/oder Spalte, mit dem Material des Halbzeugs gefüllt werden. So können beispielsweise thermische Grenzflächen minimiert und/oder eine elektrische Isolierung beziehungsweise Kontaktierung optimiert werden. Danach kann das Material des Halbzeugs vorteilhafterweise - beispielsweise in vergleichsweise kurzer Zeit - zum Beispiel bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur - vernetzt und damit gehärtet werden.
Dadurch, dass das Halbzeug an das beziehungsweise die zu kontaktierenden Bauteile angeformt und dann gehärtet werden kann, kann durch das Halbzeug zudem vorteilhafterweise eine Fixierung des Halbzeugs an dem oder den Bauteilen realisiert werden. So kann vorteilhafterweise auf Verwendung von Klebemitteln, wie selbstklebenden Beschichtungen und/oder Klebebänder, verzichtet werden. Durch die Verwendung des Halbzeugs in einem Verfahren zur Herstellung von elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder elektronischen Baugruppen, zum Beispiel einer Batterie und/oder einer Elektronik-Baugruppe, kann somit auf mindestens einen Prozessschritt verzichtet und/oder das Verfahren vereinfacht werden.
Zudem sind Epoxidharze auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F als solche elektrisch isolierend und somit für Anwendungen in denen eine elektrische Isolierung mittels des Halbzeugs gewünscht ist, beispielsweise zur wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Kontaktierung von Batteriezellen, geeignet.
Durch den mindestens einen Füllstoff beziehungsweise den Füllgrad des mindestens einen Füllstoffs können vorteilhafterweise die Verarbeitungs- und Funktionseigenschaften des Halbzeugs, wie zum Beispiel dessen Wärmeleitfähigkeit und/oder elektrische Leitfähigkeit und/oder Verarbeitbarkeit, eingestellt werden. So kann das Halbzeug vorteilhafterweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit beziehungsweise elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Zudem kann durch den mindestens einen Füllstoff vorteilhafterweise ein geringer Ausdehnungskoeffizient des Halbzeugs erzielt werden. Darüber hinaus können durch die Materialzusammensetzung und den Füllgrad des mindestens einen Füllstoffs Materialkosten für die Herstellung des Halbzeugs erzielt werden, welche geringer als die Materialkosten zur Herstellung herkömmlicher Wärmeübertragungsmaterialien und/oder thermischen Pasten beziehungsweise Gelen sein können.
Insgesamt können so durch das Halbzeug Verfahren zur Herstellung von elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder elektronischen Baugruppen, zum Beispiel einer Batterie und/oder einer Elektronik-Baugruppe, insbesondere auf kostengünstige Weise, vereinfacht werden.
Vorteilhafterweise kann das Halbzeug zu nahezu beliebigen Formen, zum Beispiel zu einer Platte, einem Pad oder einem stangenförmigen Abschnitt, vorgefertigt sein. Dabei ermöglicht dessen individuelle Anformbarkeit an das jeweils damit auszustattende Bauteil vorteilhafterweise dessen Einsatz bei einer Vielzahl von verschiedenen Erzeugnissen.
Im Rahmen einer Ausführungsform ist das Halbzeug bei einer Temperatur in einem Bereich von ≥ 20 °C bis < 120 °C härtbar. Beispielsweise kann das Halbzeug bei einer Temperatur in einem Bereich ≥ 20 °C bis ≤ 100 °C oder ≤ 80 °C, insbesondere bei einer Temperatur in einem Bereich von ≥ 20 °C bis ≤ 60 °C, härtbar sein. So kann vorteilhafterweise die thermische Belastung der mit dem Halbzeug zu kontaktierenden Bauteile, zum Beispiel von Batteriezellen, beschränkt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine Härter einen Aminhärter und/oder einen (Säure-)Anhydridhärter und/oder einen Katalysator beziehungsweise ist daraus ausgebildet. Härterkomponenten auf Amin- und/oder Säureanhydrid-Basis haben sich zur Einarbeitung von Füllstoffen als besonders vorteilhaft erwiesen. Aminhärter, zum Beispiel Polyamine und/oder Polyaminoamide, können vorteilhafterweise eine kalt-warm Vernetzung ermöglichen und zum Beispiel bereits bei einer Temperatur von ≤ 60 °C, zum Beispiel bei Raumtemperatur, vernetzen. Anhydridhärter und/oder Katalysatoren können zum Beispiel für eine, beispielsweise kalt-heiß, Vernetzung bei höheren Temperaturen eingesetzt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine Füllstoff mindestens einen wärmeleitenden Füllstoff und/oder mindestens einen elektrisch leitenden Füllstoff, insbesondere mindestens einen wärmeleitenden Füllstoff. So kann das Halbzeug vorteilhafterweise mit wärmeleitenden und/oder elektrisch isolierenden oder leitenden Eigenschaften ausgestattet werden.
Zum Beispiel kann der mindestens eine, insbesondere wärmeleitende, gegebenenfalls elektrisch isolierende oder leitende, Füllstoff Aluminiumhydroxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliciumdioxid, insbesondere Quarz, und/oder Bornitrid und/oder Alumosilikat und/oder Aluminiumnitrid und/oder Magnesiumoxid und/oder Magnesiumcarbonat und/oder Silber und/oder Silicium und/oder Kreide und/oder Mikrodolomit und/oder Talkum und/oder Glimmer und/oder Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen umfassen oder sein.
Durch die Verwendung von Aluminiumhydroxid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, insbesondere Quarz, Bornitrid, Alumosilikat, Aluminiumnitrid, Magnesiumoxid, Magnesiumcarbonat, Kreide, Mikrodolomit, Talkum und/oder Glimmer kann ein Material mit Wärme leitenden und elektrisch isolierenden Eigenschaften, beispielsweise zur wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Kontaktierung von Batteriezellen, zum Beispiel zur Herstellung einer Batterie, bereitgestellt werden.
Durch die Verwendung von Silber, Silicium, Ruß, Graphit und/oder Graphen kann ein Material mit wärmeleitenden und elektrisch leitenden Eigenschaften, beispielsweise zur wärmeleitenden und elektrischen Kontaktierung von elektronischen Bauteilen, zum Beispiel zur Herstellung einer Elektronik-Baugruppe, bereitgestellt werden.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung umfasst oder ist der mindestens eine Füllstoff Aluminiumhydroxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliciumdioxid, insbesondere Quarz, und/oder Bornitrid. Insbesondere kann der mindestens eine Füllstoff Aluminiumhydroxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliciumdioxid, insbesondere Quarz, umfassen oder sein.
Beispielsweise kann der mindestens eine Füllstoff eine Korngrößenverteilung in einem Bereich von ≥ 2 µm bis ≤ 1 mm aufweisen. In Abmischung können gegebenenfalls auch Nanopartikel enthalten sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Halbzeug weiterhin mindestens ein Silikon beziehungsweise Polyorganosiloxan.
Zum Beispiel kann das Halbzeug das mindestens eine Silikon in Form einer Bisphenol-A- und/oder -F-Epoxid, insbesondere Bisphenol-A-Epoxid, basierten Formulierung mit Silikonelastomerpartikeln umfassen.
In der Formulierung, können insbesondere Epoxid-Einheiten chemisch, beispielsweise kovalent, mit Silikon-Einheiten, insbesondere welche die Silikonelastomerpartikel bilden, verbunden sein. Zum Beispiel können mit den Silikonelastomerpartikeln Epoxid-Einheiten chemisch verbunden, beispielsweise darauf aufgepfropft, sein beziehungsweise können sich Polymersequenzen mit unpolaren Silikon-Einheiten zu einem Silikonelastomerpartikel zusammenknäulen, wobei Polymersequenzen mit polaren Epoxid-Einheiten nach Außen gestülpt werden. Daher kann die Formulierung insbesondere elastische Partikel beziehungsweise Silikonelastomerpartikel umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein, deren Inneres durch Silikon-Einheiten und deren Äußeres durch Epoxid-Einheiten ausgebildet wird.
Durch die Silikonelastomerpartikel, insbesondere die Silikoneinheiten im Inneren der Partikel, kann vorteilhafterweise der E-Modul des ausgehärteten Halbzeugs reduziert werden. Dies hat wiederum den Vorteil, dass das ausgehärtete Halbzeug auch hohe Zug- und Druckkräfte beziehungsweise hohe Verformungskräfte, beispielsweise von Batteriezellen, zum Beispiel bei Lade-/Entlade-Vorgängen der Batteriezellen, insbesondere über die gesamte Lebensdauer, aufnehmen kann. Darüber hinaus kann durch die Silikonelastomerpartikel, insbesondere die Silikon-Einheiten im Inneren der Partikel, vorteilhafterweise die Bruchzähigkeit (Zähigkeitsmodifizierung) erhöht und eine, beispielsweise fortschreitende, Rissausbildung vermieden werden. Dadurch kann wiederum auch vorteilhafterweise die Abrasionsbeständigkeit verbessert werden. Durch die, insbesondere chemisch verbundenen, Epoxid-Einheiten, insbesondere welche das Äußere der Partikel bilden, können sich die Partikel zusätzlich chemisch wie ein Epoxid, beispielsweise in einer Epoxidharzmatrix, verhalten.
Die Formulierung kann beispielsweise in Form einer Dispersion aus Harz und Silikonelastomerpartikeln, beispielsweise vernetzten Polyorganosiloxan-Partikeln, eingesetzt sein beziehungsweise werden. Beispielsweise kann die Formulierung in Form einer Dispersion eingesetzt sein beziehungsweise werden, welche das mindestens eine Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F, insbesondere Bisphenol A, und, insbesondere feste oder flüssige, Silikonelastomerpartikel enthält. Dabei kann das Silikon in der Dispersion beispielsweise zu einem kautschukelastischen Polymer vernetzt enthalten sein.
Darüber hinaus kann das Halbzeug weiterhin mindestens ein Additiv, beispielsweise mindestens einen Entschäumer, zum Beispiel auf Silikonbasis, und/oder mindestens ein Netz- und Dispergiermittel, zum Beispiel ein Copolymer mit sauren Gruppen, wie Phosphorsäure-Gruppen, umfassen.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst das Halbzeug

- ≥ 4 Gew.-% bis ≤ 10 Gew.-%, insbesondere ≥ 4 Gew.-% bis < 9 Gew.-%, an dem mindestens einen Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F, und/oder
- ≥ 70 Gew.-% bis ≤ 90 Gew.-%, insbesondere ≥ 80 Gew.-% bis ≤ 90 Gew.-%, an dem mindestens einem Füllstoff, und/oder
- ≥ 3 Gew.-% bis ≤ 12 Gew.-% an dem mindestens einen Härter und/oder Katalysator, insbesondere Härter, und/oder
- ≥ 0,5 Gew.-% bis ≤ 3 Gew.-% an dem mindestens einen Silikon beziehungsweise Polyorganosiloxan, und/oder
- ≥ 0,1 Gew.-% bis ≤ 1 Gew.-% an dem mindestens einen beziehungsweise mindestens einem Additiv.

Es hat sich herausgestellt, dass vorteilhafterweise bereits ein derart geringer Anteil an dem mindestens einen Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F ausreicht um ein - insbesondere bei Raumtemperatur - anformbares Halbzeug herzustellen.
Durch einen derartigen Anteil an der Bisphenol-A- und/oder -F-Epoxid, insbesondere Bisphenol-A-Epoxid, basierten Formulierung mit Silikonelastomerpartikeln können vorteilhafterweise die Verarbeitungs- und Funktionseigenschaften des Halbzeugs verbessert werden.
Das Material des Halbzeugs kann gegebenenfalls teilvernetzt sein. Zum Beispiel kann das Halbzeug aus einem B-Zustand Material (Englisch: B Stage Material) ausgebildet sein.
Grundsätzlich kann das Halbzeug in nahezu jeder beliebigen Form ausgestaltet werden beziehungsweise sein.
Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform ist das Halbzeug eine Platte, ein Pad oder eine Folie oder stangenförmig.
Zum Beispiel kann das Halbzeug eine wärmeleitende und elektrisch isolierende Platte, ein wärmeleitendes und elektrisch isolierendes Pad oder eine wärmeleitende und elektrisch isolierende Folie, beispielsweise zur wärmeleitenden Kontaktierung und elektrischen Isolierung von Batteriezellen und/oder Elektronikbauteilen, sein.
Oder das Halbzeug kann zum Beispiel eine wärmeleitende und elektrisch leitende Platte, ein wärmeleitendes und elektrisch leitendes Pad oder eine wärmeleitende und elektrisch leitende Folie, beispielsweise zur wärmeleitenden und elektrisch leitenden Kontaktierung von Elektronikbauteilen, sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Halbzeug ein im Folgenden erläutertes, erfindungsgemäßes Reaktionsharzsystem oder ist daraus ausgebildet.
Beispielsweise kann das Halbzeug durch ein nachstehend erläutertes Verfahren hergestellt oder darin eingesetzt werden.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Halbzeugs wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Reaktionsharzsystem und den erfindungsgemäßen Verfahren sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Reaktionsharzsystem, insbesondere zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs und/oder zur, insbesondere thermischen und/oder elektrischen, Kontaktierung von, elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder elektronischen, Bauteilen.
Beispielsweise kann das Reaktionsharzsystem zur thermischen Kontaktierung - und beispielsweise elektrischen Isolierung - von Batteriezellen und/oder Elektronikbauteilen und/oder zur elektrischen Kontaktierung - und gegebenenfalls auch thermischen Kontaktierung - von Elektronikbauteilen ausgelegt sein beziehungsweise verwendet werden. Beispielsweise kann das Reaktionsharzsystem zur thermischen Kontaktierung, und beispielsweise elektrischen Isolierung, von Batteriezellen, und/oder zur thermischen und elektrischen Kontaktierung von Elektronikbauteilen, beispielsweise eines oder mehrerer elektronischer Chips, beispielsweise MOSFET, und/oder eines Schaltkreis-Substrates, zum Beispiel zwischen einem oder mehreren elektronischen Chips und einem Schaltkreis-Substrat, und/oder zur thermischen Kontaktierung, und beispielsweise elektrischen Isolierung von Elektronikbauteilen, beispielsweise eines oder mehrerer elektronischer Chips, und/oder eines Schaltkreis-Substrates, zum Beispiel zwischen einem oder mehreren elektronischen Chips und/oder einem Schaltkreis-Substrat, ausgelegt sein beziehungsweise verwendet werden. Zum Beispiel kann das Reaktionsharzsystem zur Herstellung einer elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder elektronischen Baugruppe, zum Beispiel einer Batterie und/oder einer Elektronik-Baugruppe, ausgelegt sein beziehungsweise verwendet werden. Insbesondere kann das Reaktionsharzsystem in einem im nachstehend erläuterten Verfahren eingesetzt werden.
Das Reaktionsharzsystem umfasst insbesondere mindestens ein Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F und mindestens einen Füllstoff. Weiterhin kann das Reaktionsharzsystem insbesondere mindestens einen Härter und/oder Katalysator, insbesondere Härter, umfassen. Insbesondere kann das Reaktionsharzsystem mindestens ein Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F, mindestens einen Füllstoff und mindestens einen Härter und/oder Katalysator, insbesondere Härter, umfassen.
Darüber hinaus kann das Reaktionsharzsystem beispielsweise weiterhin mindestens ein Silikon beziehungsweise Polyorganosiloxan, zum Beispiel in Form einer Bisphenol-A- und/oder -F-Epoxid, insbesondere Bisphenol-A-Epoxid, basierten Formulierung mit Silikonelastomerpartikeln, umfassen.
Ferner kann das Reaktionsharzsystem beispielsweise weiterhin mindestens ein Additiv, beispielsweise mindestens einen Entschäumer, zum Beispiel auf Silikonbasis, und/oder mindestens ein Netz- und Dispergiermittel, zum Beispiel ein Copolymer mit sauren Gruppen, wie Phosphorsäure-Gruppen, umfassen.
Zum Beispiel kann das Reaktionsharzsystem

- ≥ 4 Gew.-% bis ≤ 10 Gew.-%, insbesondere ≥ 4 Gew.-% bis < 9 Gew.-%, an dem beziehungsweise mindestens einem Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F, und/oder
- ≥ 70 Gew.-% bis ≤ 90 Gew.-%, insbesondere ≥ 80 Gew.-% bis ≤ 90 Gew.-%, an dem beziehungsweise mindestens einem Füllstoff, und/oder
- ≥ 3 Gew.-% bis ≤ 12 Gew.-% an dem beziehungsweise mindestens einen Härter und/oder Katalysator, insbesondere Härter, und/oder
- ≥ 0,5 Gew.-% bis ≤ 3 Gew.-% an dem beziehungsweise mindestens einem Silikon beziehungsweise Polyorganosiloxan, und/oder
- ≥ 0,1 Gew.-% bis ≤ 1 Gew.-% an dem beziehungsweise mindestens einem Additiv,

Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst das Reaktionsharzsystem

- ≥ 4 Gew.-% bis < 9 Gew.-% an mindestens einem Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F und
- ≥ 70 Gew.-% bis ≤ 90 Gew.-%, insbesondere ≥ 80 Gew.-% bis ≤ 90 Gew.-%, an mindestens einem Füllstoff.

Dies hat sich zur Ausbildung eines, insbesondere bei Raumtemperatur anformbaren - Halbzeugs als besonders vorteilhaft erwiesen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Reaktionsharzsystem weiterhin ≥ 0,5 Gew.-% bis < 3 Gew.-% an dem beziehungsweise mindestens einem Silikon beziehungsweise Polyorganosiloxan. Dies hat sich im Hinblick auf die Verarbeitungs- und Funktionseigenschaften des Reaktionsharzsystems und eines daraus ausgebildeten Halbzeugs als vorteilhaft erwiesen.
Das Reaktionsharzsystem kann insbesondere bei einer Temperatur in einem Bereich von ≥ 20 °C bis < 120 °C härtbar sein. Beispielsweise kann das Halbzeug bei einer Temperatur in einem Bereich ≥ 20 °C bis ≤ 100 °C oder ≤ 80 °C, insbesondere bei einer Temperatur in einem Bereich von ≥ 20 °C bis ≤ 60 °C, härtbar sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine Härter einen Aminhärter und/oder einen Anhydridhärter und/oder Katalysator oder ist daraus ausgebildet. Zum Beispiel kann der mindestens eine Härter einen Aminhärter und/oder einen Anhydridhärter, insbesondere einen Aminhärter, zum Beispiel mindestens ein Polyamin und/oder Polyaminoamid, umfassen oder daraus ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine Füllstoff mindestens einen wärmeleitenden Füllstoff und/oder mindestens einen elektrisch leitenden Füllstoff, insbesondere mindestens einen wärmeleitenden Füllstoff.
Zum Beispiel kann der mindestens eine, insbesondere wärmeleitende, Füllstoff Aluminiumhydroxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Aluminiumnitrid und/oder Siliciumdioxid, insbesondere Quarz, und/oder Bornitrid und/oder Alumosilikat und/oder Magnesiumoxid und/oder Magnesiumcarbonat und/oder Silber und/oder Silicium und/oder Kreide und/oder Mikrodolomit und/oder Talkum und/oder Glimmer und/oder Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen umfassen oder sein.
Durch die Verwendung von Aluminiumhydroxid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, insbesondere Quarz, Bornitrid, Alumosilikat, Aluminiumnitrid, Magnesiumoxid, Magnesiumcarbonat, Kreide, Mikrodolomit, Talkum und/oder Glimmer kann ein Material mit Wärme leitenden und elektrisch isolierenden Eigenschaften, beispielsweise zur wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Kontaktierung von Batteriezellen, zum Beispiel zur Herstellung einer Batterie, bereitgestellt werden.
Durch die Verwendung von Silber, Silicium, Ruß, Graphit und/oder Graphen kann ein Material mit Wärme leitenden und elektrisch leitenden Eigenschaften, beispielsweise zur wärmeleitenden und elektrischen Kontaktierung von elektronischen Bauteilen, zum Beispiel zur Herstellung einer Elektronik-Baugruppe, bereitgestellt werden.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung umfasst oder ist der mindestens eine Füllstoff Aluminiumhydroxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliciumdioxid, insbesondere Quarz, und/oder Bornitrid. Insbesondere kann der mindestens eine, insbesondere wärmeleitende, Füllstoff Aluminiumhydroxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliciumdioxid, insbesondere Quarz, umfassen oder sein.
Beispielsweise kann der mindestens eine Füllstoff eine Korngrößenverteilung in einem Bereich von ≥ 2 µm bis ≤ 1 mm aufweisen. In Abmischung können gegebenenfalls auch Nanopartikel enthalten sein.
Das Reaktionsharzsystem kann beispielsweise ein Ein-Komponenten-System (1K-System) oder ein Zwei-Komponenten-System (2K-System) sein.
Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform ist das Reaktionsharzsystem ein Zwei-Komponenten-System. Dabei kann insbesondere die erste Komponente das mindestens eine Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F und den mindestens einen Füllstoff und die zweite Komponente den mindestens einen Härter und/oder Katalysator enthalten. So kann vorteilhafterweise auf eine Lagerung bei Minustemperaturen verzichtet werden.
Insbesondere können dabei sowohl die erste Komponente als auch die zweite Komponente den mindestens einen Füllstoff enthalten. So können vorteilhafterweise höhere Füllgrade realisiert und/oder ähnlichere Viskositäten der Komponenten erzielt werden, wodurch ein Mischprozess der Komponenten vereinfacht werden kann.
Das Reaktionsharzsystem kann gegebenenfalls teilvernetzt sein. Zum Beispiel kann das Reaktionsharzsystem ein B-Zustand Material (Englisch: B Stage Material) sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Reaktionsharzsystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Halbzeug und den erfindungsgemäßen Verfahren sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Reaktionsharzsystems und/oder zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs.
In dem Verfahren, beispielsweise in einem Verfahrensschritt a), können insbesondere mindestens ein Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F und mindestens ein Füllstoff gemischt werden. Insbesondere können in dem Verfahren mindestens ein Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F, mindestens ein Füllstoff und mindestens ein Härter und/oder Katalysator, insbesondere Härter, gemischt werden.
Dabei können zum Beispiel der mindestens eine Füllstoff und das mindestens eine Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F vorgemischt, der mindestens eine Härter und/oder Katalysator zugegeben und die Mischung dann mit dem mindestens einen Füllstoff weiter gefüllt werden oder der mindestens eine Füllstoff, das mindestens eine Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F und der mindestens eine Härter und/oder Katalysator können beispielsweise, insbesondere direkt, gemeinsam gemischt werden. Zum Beispiel der mindestens eine Füllstoff mit dem mindestens einen Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F, beispielsweise bis zum Erreichen eines hochviskosen Zustands, zum Beispiel in einem Dissolver, vorgemischt und nach Zugabe des mindestens einen Härters und/oder Katalysators, zum Beispiel auf einem Walzenstuhl, bis zum gewünschten Füllungsgrad weiter mit dem mindestens einen Füllstoff gefüllt werden oder der mindestens eine Füllstoff, das mindestens eine Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F und der mindestens eine Härter und/oder Katalysator können - vorzugsweise gänzlich - zum Beispiel auf einem Kneter oder Extruder, gemischt werden.
Durch das Mischen kann insbesondere eine Mischung in Form einer teigförmigen Masse ausgebildet werden.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung wird jedoch zunächst das mindestens eine Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F mit dem mindestens einen Füllstoff gemischt und beispielsweise eine erste Komponente eines Zwei-Komponenten-Systems ausgebildet. Der mindestens eine Härter und/oder Katalysator, insbesondere Härter, kann dabei insbesondere eine zweite Komponente eines Zwei-Komponenten-Systems bilden. Dabei kann der mindestens eine Härter und/oder Katalysator beispielsweise ebenfalls zunächst mit dem mindestens einen Füllstoff gemischt und beispielsweise eine beziehungsweise die zweite Komponente eines beziehungsweise des Zwei-Komponenten-Systems ausbilden. So können vorteilhafterweise höhere Füllgrade realisiert und/oder ähnlichere Viskositäten der Komponenten erzielt werden, wodurch ein Mischprozess der Komponenten vereinfacht werden kann.
In dem Verfahren, beispielsweise in einem Verfahrensschritt b), kann dann aus der Mischung ein Halbzeug, beispielsweise in eine für die jeweilige Anwendung geeignete Form, geformt werden. Dabei kann die Mischung, insbesondere in Form einer teigförmigen Masse, zum Beispiel auf einem Walzenstuhl, zu einer Platte, einem Pad oder einer Folie, insbesondere mit gewünschter Dicke, oder, zum Beispiel auf einem Extruder, zu einer anderen - insbesondere nahezu beliebigen - Form weiter verarbeitet werden. Gegebenenfalls in einem weiteren Schritt, kann das Material, zum Beispiel mit einem geeigneten Werkzeug, beispielsweise in der gewünschten Form und Größe vorkonfektioniert, zum Beispiel ausgestanzt, werden. So können vorteilhafterweise geometrische Anforderungen flexibler erfüllt werden. In Abhängigkeit von der Stückzahl und/oder Größe, können hieraus Kostenvorteile, beispielsweise gegenüber der Verwendung von flüssigen Wärmeübertragungsmaterialien, resultieren.
Nach dem Mischen und/oder Formen kann das Material des Halbzeugs beziehungsweise Reaktionsharzsystems in einen teilvernetzten Zustand überführt werden.
Das Halbzeug beziehungsweise das, insbesondere (vor-)geformte, Reaktionsharzsystem kann beispielsweise durch Trennelemente, wie Trennpapier, getrennt, beispielsweise unter Kühlung auf Minustemperaturen, zum Beispiel bei etwa -40 °C, gelagert oder, beispielsweise in einem Online-Prozess, insbesondere direkt, zum Beispiel in einem beziehungsweise dem im Folgenden erläuterten Verfahren zur Herstellung einer elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder elektronischen Baugruppe, weiter verarbeitet werden.
Ferner betrifft die Erfindung nämlich ein Verfahren zur Herstellung einer, insbesondere elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder elektronischen, Baugruppe, zum Beispiel zur Herstellung einer Batterie und/oder einer Elektronik- Baugruppe.
In diesem Verfahren wird ein erfindungsgemäßes Halbzeug und/oder Reaktionsharzsystem und/oder ein erfindungsgemäßes, wie vorstehend beschrieben hergestelltes Halbzeug und/oder Reaktionsharzsystem an mindestens ein, insbesondere elektrisches und/oder elektrochemisches und/oder elektronisches, Bauteil angeformt.
Zum Beispiel kann das Halbzeug beziehungsweise Reaktionsharzsystem, gegebenenfalls einerseits, an eine oder mehrere Batteriezellen oder, beispielsweise einerseits, an einen oder mehrere elektronische Chips, zum Beispiel MOSFET, und/oder, beispielsweise andererseits, an ein Schaltkreis-Substrat angeformt werden.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Halbzeug und dem erfindungsgemäßen Reaktionsharzsystem sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Figurenliste
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung und die Ausführungsbeispiele veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung und die Ausführungsbeispiele nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt

1 schematischen Querschnitte zur Veranschaulichung der Verwendung einer plattenförmigen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbzeugs anhand einer Herstellung einer Batterie, beispielsweise mit einer Seitenkühlung; und
2 einen schematischen Querschnitt zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbzeugs mit einer auf die jeweilige spezifische Anwendung angepassten Form.

1 zeigt, dass zur Herstellung einer Batterie jeweils ein plattenförmiges Halbzeug 1 aus einem mindestens einen wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Füllstoff enthaltenden Epoxidharz-Material und eine Platte 2 zur Fixierung während des Aushärtungsprozesses, beispielsweise aus Aluminium, an einer Seitenfläche eines Batteriemoduls aus mehreren durch elektrisch isolierende Elemente 3, beispielsweise Isolierpapier, elektrisch getrennten Batteriezellen 4 angeordnet wird. Die Fixierplatten 2 werden dann in Richtung der Seitenflächen gepresst, wobei die Halbzeuge 1 jeweils einerseits an die Batteriezellen 4 und andererseits an die jeweilige Fixierplatte 2 angeformt werden. Dabei dringt das Material des Halbzeugs vorteilhafterweise in - beispielsweise durch Radien an den Zellkanten entstehende - Unebenheiten, wie Vertiefungen und/oder Spalte, ein und füllt diese auf. Anschließend wird das Material der Halbzeuge 1 vernetzt und damit ausgehärtet.
Durch die Halbzeuge 1 kann so eine thermische Anbindung der Batteriezellen 4 und eine elektrische Isolierung zwischen den Batteriezellen 4 untereinander realisiert werden. Dabei können die angeformten und ausgehärteten Halbzeuge 1 - insbesondere in gewissem Maße - zusätzlich zur Fixierung zwischen den Batteriezellen 4 untereinander dienen. Die Verwendung von derartigen Halbzeugen 1 hat zudem den Vorteil, dass nach dem Vernetzen und Aushärten das Material nicht mehr ausgequetscht werden kann und somit eine elektrische Isolierung und thermische Anbindung über Lebensdauer sichergestellt werden kann.
2 veranschaulicht, dass durch die beliebige Formbarkeit des Materials des Halbzeugs 1 beziehungsweise des erfindungsgemäßen Reaktionsharzsystems, insbesondere im unvernetzten Zustand, Halbzeuge in unterschiedlichsten, auf die jeweilige spezifische Anwendung angepassten Formen realisiert werden können. Dabei ist in 2 beispielhaft eine für die in 1 dargestellte spezifische Anwendung mögliche Form für das Halbzeug 1 dargestellt. Aus einer Zusammenschau der 1 und 2 ist ersichtlich, dass durch die Verwendung eines Halbzeugs 1 mit einer in 2 dargestellten, auf die spezifische in 1 dargestellte Anwendung angepassten Form sowohl die durch Radien an den Zellkanten entstehenden Zwischenräume zwischen benachbarten Batteriezellen 4 ausreichend gefüllt als auch vorteilhafterweise sehr geringe Schichtdicken über den seitlichen Zellwänden der Batteriezellen 4 erzielt werden können, was sich vorteilhaft auf die Wärmeableitung von den Batteriezellen 4 auswirken kann.
Ausführungsbeispiele

Es wurden Reaktionsharzsysteme mit den in Tabelle 1 und 2 angegebenen Zusammensetzungen hergestellt. Tabelle 1: Beispiel 1 bis 5 Reaktionsharzsysteme mit Aminhärter

Beispiel	1	2	3	4	5
Bisphenol A/F	8,6	9,4	10	7	8
Silikon	3,4	2,1	0,8	2,7	0,7
Additiv	0,6	0,6	0,6	0,5	0,45
Füllstoff 1	34,7	34,5	32,3
Füllstoff 2	47,9	48,2	50,6
Füllstoff 3				85,9	86,25
Aminhärter	4,8	5,2	5,7	3,9	4,6

Tabelle 2: Beispiele 6 bis 13: Reaktionsharzsysteme mit Anhydridhärter

Beispiel		6	7	8	9	10	11	12	13
Bisphenol A/F		5	5,6	7,25	8,2	4,18	4,58	6	6,62
Silikon		3,3	0,85	3,42	0,85	2,78	0,69	2,8	0,69
Additiv		0,3	0,25	0,3	0,23	0,25	0,19	0,2	0,19
Füllstoff 1		35	32	34,7	32,33
Füllstoff 2		48	51	47,9	50,65
Füllstoff 3						85,83	86,24	85,7	86,24
Anhydridhärter		8,4	10,3	6,43	7,74	6,96	8,3	5,3	6,26
Füllstoff 1:	Aluminiumhydroxid mit Sieblinie: D10 = 3 µm, D50 = 20 µm und D90 = 50 µm.
Füllstoff 2:	Quarzsand mit D50 von 0,18 bis 0,25 mm
Füllstoff 3:	Aluminiumhydroxid mit Sieblinie: D10 = 0,5 µm, D50 = 8 µm und D80 = 50 µm
Additiv:	Entschäumer auf Silikonbasis und ein Netz- und Dispergieradditiv-Copolymer mit Phosphorsäure-Gruppen

Aus den Reaktionsharzsystemen gemäß Beispiel 1 bis 13 wurden plattenförmige Halbzeuge hergestellt und diese in wie in 1 veranschaulichten Batteriesystemen verbaut. Die elektrische Isolierung des so hergestellten Batteriesysteme war fehlerfrei.

Von Beispiel 1, 3, 4 und 5 wurde die Glasübergangstemperatur, der thermische Ausdehnungskoeffizient bis 20 °C, der thermische Ausdehnungskoeffizient von 60 °C bis 120 °C, die Bruchspannung, die Bruchdehnung und die Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 wiedergegeben: Tabelle 3: Glasübergangstemperatur, Ausdehnungskoeffizienten, Bruchspannung und -dehnung sowie Wärmeleitfähigkeit von Beispiel 1, 3, 4 und 5

Beispiel	1	3	4	5
Glasübergangstemperatur [°C]	38	35	36	37
thermischer Ausdehnungskoeffizient bis 20 °C [10^-6 1/°C]	23	26	25	24
thermischer Ausdehnungskoeffizient von 60 °C bis 120 °C [10^-6 1/°C]	60	66	66	58
E-Modul bei 25 °C [N/mm²]	7850	13400	14000	16200
Bruchspannung [N/mm²]	37	49	46	43
Bruchdehnung [%]	0,44	0,37	0,48	0,23
Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur [W/m·K]	2,08	2,18	2,84	2,96

Die Beispiel 1, 3, 4 und 5 wiesen eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 2 W/m·K sowie vergleichsweise hohe Glasübergangstemperaturen und geringere thermische Ausdehnungskoeffizienten auf.

Claims

Halbzeug zur, insbesondere thermischen und/oder elektrischen, Kontaktierung von, insbesondere elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder elektronischen, Bauteilen, umfassend - mindestens ein Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F, - mindestens einen Füllstoff und - mindestens einen Härter und/oder Katalysator.
Halbzeug nach Anspruch 1, wobei das Halbzeug bei einer Temperatur in einem Bereich von ≥ 20 °C bis < 120 °C, insbesondere ≥ 20 °C bis ≤ 60 °C, härtbar ist.
Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Härter und/oder Katalysator einen Aminhärter und/oder einen Anhydridhärter und/oder einen Katalysator umfasst.
Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mindestens eine Füllstoff mindestens einen wärmeleitenden Füllstoff und/oder mindestens einen elektrisch leitenden Füllstoff umfasst.
Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Halbzeug - ≥ 4 Gew.-% bis ≤ 10 Gew.-%, insbesondere ≥ 4 Gew.-% bis < 9 Gew.-%, an dem mindestens einen Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F, und/oder - ≥ 70 Gew.-% bis ≤ 90 Gew.-%, insbesondere ≥ 80 Gew.-% bis ≤ 90 Gew.-%, an dem mindestens einem Füllstoff, und/oder - ≥ 3 Gew.-% bis ≤ 12 Gew.-% an dem mindestens einen Härter und/oder Katalysator, umfasst.
Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Halbzeug weiterhin ≥ 0,5 Gew.-% bis ≤ 3 Gew.-% an mindestens einem Silikon umfasst.
Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Halbzeug eine Platte, ein Pad oder eine Folie oder stangenförmig ist.
Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Halbzeug ein Reaktionsharzsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 14 umfasst.
Reaktionsharzsystem, insbesondere zur Herstellung eines Halbzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder zur, insbesondere thermischen und/oder elektrischen, Kontaktierung von, insbesondere elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder elektronischen, Bauteilen, umfassend - ≥ 4 Gew.-% bis < 9 Gew.-% an mindestens einem Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F und - ≥ 70 Gew.-% bis ≤ 90 Gew.-% an mindestens einem Füllstoff.
Reaktionsharzsystem nach Anspruch 9, wobei das Reaktionsharzsystem weiterhin ≥ 0,5 Gew.-% bis < 3 Gew.-% an mindestens einem Silikon umfasst.
Reaktionsharzsystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Reaktionsharzsystem weiterhin mindestens einen Härter und/oder Katalysator umfasst, insbesondere wobei der mindestens eine Härter und/oder Katalysator einen Aminhärter und/oder einen Anhydridhärter und/oder Katalysator umfasst.
Reaktionsharzsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der mindestens eine Füllstoff mindestens einen wärmeleitenden Füllstoff und/oder mindestens einen elektrisch leitenden Füllstoff umfasst, insbesondere wobei der mindestens eine Füllstoff Aluminiumhydroxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliciumdioxid, insbesondere Quarz, und/oder Bornitrid und/oder Alumosilikat und/oder Aluminiumnitrid und/oder Magnesiumoxid und/oder Magnesiumcarbonat und/oder Silber und/oder Silicium und/oder Kreide und/oder Mikrodolomit und/oder Talkum und/oder Glimmer und/oder Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen umfasst.
Reaktionsharzsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Reaktionsharzsystem ein Zwei-Komponenten-System ist, wobei die erste Komponente das mindestens eine Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol F und den mindestens einen Füllstoff und die zweite Komponente den mindestens einen Härter und/oder Katalysator enthält.
Reaktionsharzsystem nach Anspruch 13, wobei sowohl die erste Komponente als auch die zweite Komponente den mindestens einen Füllstoff enthalten.
Verfahren zur Herstellung einer, insbesondere elektrischen und/oder elektrochemischen und/oder elektronischen, Baugruppe, insbesondere zur Herstellung einer Batterie und/oder einer Elektronik-Baugruppe, in dem ein Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder ein Reaktionsharzsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 14 an mindestens ein, insbesondere elektrisches und/oder elektrochemisches und/oder elektronisches, Bauteil angeformt wird.