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Wärme gut leitende Isolierfolie mit Füllstoff Die Erfindung betrifft
eine Wärme gut leitende Isolierfolie, insbesondere dünne Folie aus Kunststoff, die
einen elektrisch nichtleitenden körnigen Füllstoff enthält, dessen Wärmeleitfähigkeit
größer als die des Folienwerkstoffes ist.
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Es ist bekannt, Folien, insbesondere Kunststofffolien, für Isolationszwecke
oder zum Zweck des Schutzes von: Geräteteilen vor Staub und Feuchtigkeit zu verwenden.
Dabei tritt die Schwierigkeit auf, daß, falls in dem abgedeckten oder elektrisch
isolierten Geräteteil Wärme entsteht, die Abfuhr dieser Wärme durch die Folie behindert
wird. Die Folien müssen eine Mindestdicke aufweisen, um der mechanischen und/oder
elektrischen Beanspruchung gewachsen zu sein. Das hat zur Folge, daß wegen der schlechten
Wärmeleiteigenschaften, insbesondere von Kunststoffolien, die Wärme in den Geräteteilen
gestaut wird. Dadurch kann die Temperatur der Geräteteile unzulässig hoch ansteigen.
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Es ist bereits bekannt, die Wärmeleitfähigkeit eines elektrischen
Isolierbandes aus einem zugfesten Stoffgewebe oder -geoecht zu erhöhen, indem man
sie mit einer gut wärmeleitenden Isoliermasse bedeckt, die aus einem weitgehend
mit hoch wärmeleitenden anorganischen elektrischen Isolierstoffen gefüllten weiteren
Isolierstoff besteht. Eine solche Isoliermasse kann z. B. zu dünnen Fellen ausgewalzt
und dann mit dem Stoffgewebe oder -geflecht verarbeitet werden.
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Auch sind bereits Isolierstoffbänder hergestellt worden, indem ein
nicht brennbarer Faserstoff, z. B. Asbest oder Schlackenwollefasern, mit Füllstoffen
versetzt und mit einer Flüssigkeit aufgeschlämmt wurde, wonach nach Abtropfen des
flüssigen Aufschlämmittels das so hergestellte Band getrocknet wurde.
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In einem elektrischen Gerät, das hoch wärmeempfindliche, gegen eine
größere metallische Masse zu isolierende Bauelemente, wie Transistoren oder Dioden,
enthält, werden jedoch besondere Anforderungen an die Ableitung der in diesen Bauelementen
im Betrieb entstehenden Wärme gestellt. Von solchen Halbleiterbauelementen, insbesondere
größerer Leistung, müssen häufig größere Wärmemengen in kurzer Zeit abgeführt werden,
damit nicht die höchste zulässige Betriebstemperatur überschritten wird, die recht
niedrig, z. B. bei Halbleiterelementen aus Germanium etwa bei 75° C, liegt. Bei
überschreiten dieser Temperatur können sich die Betriebswerte ändern oder die Bauelemente
gar zerstört werden.
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Die bekannten, oben beschriebenen Isolierbänder eignen sich jedoch
allein wegen ihrer Dicke nicht für die Wärmeableitung bei Bauelementen der oben
beschriebenen Art. Diese Dicke ist jedoch notwendig, um den Zusammenhalt eines solchen
Isolierbandes beim Wickeln zu gewährleisten. Weiter behindert bei dem Isolierband
aus einem zugfesten Stoffgewebe, das mit einer hoch wärmeleitenden Bedeckung versehen
ist, die schlechte Wärmeleitung des Stoffgewebes eine wirksame Ableitung der Wärme
von dem wärmeempfindlichen Bauelement. Andererseits wird zwar bei dem aus einem
nicht brennbaren Faserstoff bestehenden Isolierband die an sich schlechte Wärmeleitfähigkeit
des nicht brennbaren Faserstoffs durch die Zwischenlagerung eines gut wärmeleitenden
Füllstoffes verbessert; aber auch ein solches Band erfüllt nicht die extremen Forderungen
an die Wärmeableitung, die im vorliegenden Fall vorhanden sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile
zu vermeiden und eine gut wärmeleitende Folie zu schaffen, die auch als isolierende
Zwischenlage für die Ableitung der Wärme von empfindlichen Bauelementen geeignet
ist. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Körner des Füllstoffes
untereinander nahezu gleich groß sind, ihre Durchmesser etwa der Foliendicke entsprechen
und die Körner die Oberfläche der Folie durchstoßen.
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Ein besonderer Vorteil einer derartigen Folie mit in ihr angeordneten
Körnern besteht darin, daß aus fertigen Folien Stücke der benötigten Größe und Form,
z. B. durch einfaches Schneiden, abgetrennt werden können. Besonders zweckmäßig
ist es, die Folien aus thermoplastischem Material herzustellen.
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In der Folie nach der Erfindung dienen die Körner als Abstandsstücke.
Es sei beispielsweise eine Folie aus thermoplastischem Material mit in ihr angeordneten
Körnern einer nahezu gleichen Größe zwischen
zwei Metallplatten
als' elektrische Isolierung angebracht. Bei einer beabsichtigten oder unbeabsichtigten
Erhöhung der Temperatur der Folie, bei der das thermoplastische Material seine Festigkeit
verliert, sorgen die in der Folie enthaltenen Körner für die Einhaltung eines vorgegebenen
Abstandes zwischen den beiden Platten, wobei die Größe des Abstandes der Größe der
Körner entspricht.
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Für elektrische Isolationszwecke wird nach der Erfindung vorzugsweise
ein Folienmaterial aus einem Kunststoff hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit
verwendet, in dem Körner aus Aluminiumoxyd und/ oder Magnesiumoxyd angeordnet sind.
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Eine@Fölie nach der Erfindung läßt sich in vorteilhafter Weise dadurch
herstellen, daß das Ausgangsmaterial, z. B. der Kunststoff, in Pulverform mit den
Körnern, beispielsweise aus A1203, in der gewünschten Menge vermischt wird. Diese
Mischung wird zu Blättern gepreßt. Der mechanische Zusammenhalt dieser Blätter nach
de -in Pressen ist ausreichend, daß sie auf eine Platte gebracht und erhitzt werden
können, so daß das Folienmaterial schmilzt und auf der Platte ein fertiges Stück
Folie nach der Erfindung bildet. Dabei können z. B. 50 Volumteile Kunststoffpulver
mit 50 Volumenteilen Aluminiumoxydkörnem gemischt werden. Die entstandene Folie
ist noch nicht brüchig, auch ihre thermoplastischen Eigenschaften sind auch bei
diesem relativ hohen Anteil an Aluminiumoxyd noch ausreichend gut. Bei dem vorstehenden
Verfahren ist es zweckmäßig, die Folienblätter gleich in der für die Isolationszwecke
benötigten Größe und Form zu pressen.
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Weiterhin ist dieses Verfahren geeignet, die Folien unmittelbar auf-
dem zu isolierenden Bauteil herzustellen. Hierfür stehen zwei Wege zur Verfügung.
Einmal kann eine Mischung aus dem pulverförmigen Folienwerkstoff und den Körnern,-
beispielsweise aus Aluminiumoxyd, auf das Bauteil aufgebracht und direkt auf diesem
zusammengeschmolzen werden. Zu anderen können auch die gepreßten Blätter auf das
Bauteil gelegt und ebenfalls zusammengeschmolzen werden. Bei beiden Verfahren kann
die Folie auf die gewünschte Dicke dadurch gebracht werden, daß sie zwischen erwärmten
Platten auf die- gewünschte Dicke verformt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Erwärmung des Fohenmaterials auf
dem Bauteil so vorzunehmen, z. B. das Folienmaterial so hoch zu erwärmen, daß es
auch nach dem Abkühlen fest an dem elektrischen Bauteil haftet. Auf die gleiche
Weise kann die Platte, die dazu dient, die Folie auf die gewünschte Dicke zu bringen,
an dem-Folienwerkstoff befestigt werden, so daß sie zu einem Teil des zu isolierenden
Bauteiles wird. Das Verfahren wird am Beispiel zweier Durchführungsformen erläutert.
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I. Eine Mischung von 50 Volumenteilen Kunststoffpulver mit 50 Volumenteilen
A1203 mit der mittleren Korngröße 20 [, wird durch Schütteln gemischt. Diese Mischung
wird auf die zu isolierende Fläche des elektrischen Bauteiles aufgehäuft und bei
etwa 200° C aufgeschmolzen. Dadurch entsteht aus dem Pulver, eine zusammenhängende,
sehr gut an dem Bauteil haftende Schicht. Ein zweites Metallteil in Form einer Platte
wird unter leichtem Druck 15 Minuten lang bei etwa 180° C auf die Kunststoffschicht
aufgesetzt. Dadurch wird die Schicht auf etwa 20 Ei zusammengedrückt und. haftet
ebenfalls sehr fest an dem aufgesetzten Metallteil.
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H. Eine Mischung von Kunststoffpulver mit A1203 Körnern, wie im Beispiel
I, wird in einer Tablettiermaschine zu Tabletten von etwa 100 #L Dicke und 3 mm
Durchmesser gepreßt. Diese Tabletten sind noch brüchig. Sie werden auf das zu isolierende
Teil aufgelegt und dann weiter, wie im ersten Beispiel, thermisch behandelt.
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Eine Folie nach der Erfindung hat beispielsweise die folgenden Eigenschaften:
Bei einem kreisförmigen Blättchen von 20 #t Dicke und 3 mm Durchmesser ist der Isolationswiderstand
größer als 109 Ohm. Der Wärmewiderstand beträgt 10° C pro Watt, während das Kunststoffmaterial
ohne Hnzufügung von Aluminiumoxyd oder Magnesiumoxydpulver einen Wärmewiderstand
von 60° C pro Wat hat. Die thermischen Eigenschaften der Folien werden also wesentlich-verbessert,
ohne daß die-elektrischen Eigenschaften verschlechtert werden.
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Die Erfindung- wird weiter an Hand der Zeichnung, die ein anderes
Beispiel eines Herstellungsverfahrens und zwei Anwendungsbeispiele zeigt, näher
erläutert. - -. F i g. 1 zeigt schematisch die Herstellung einer thermoplastischen
Folie nach der Erfindung; F i g. 2 zeigt ein bandförmiges Stück einer solchen Folie;
F i g. 3 zeigt die Folie zwischen zwei Metallplatten; F i g. 4 zeigt die Anwendung
der Folie bei der Befestigung eines Transistors; F i g. 5 bis 7 zeigen aufeinanderfolgende
Verfahrensschritte bei der isolierten Befestigung eines Trantistors auf dem Gehäuseboden
in Seitenansicht im Schnitt.
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Eine Folie nach der Erfindung kann mit an sich bekannten Verfahren
hergestellt werden. Ein durch Walzen hergestelltes Band 1 aus thermoplastischem
Material (F i g. 1) wird durch ein geheiztes Walzenpaar 2 zu einer Folie 3 von etwa
0,1 mm Dicke ausgewalzt. Aus einer Schüttvorrichtung 4 werden möglichst gleichmäßig
Körner 5 aus Aluminiumoxyd aufgestreut. Diese Körner sind etwa 0,05 mm groß. Die
gleichmäßige Größe dieser Körner kann beispielsweise durch Siebung erreicht werden.
Nach dem Aufstreuen der Körner durchläuft die Kunststoffolie ein weiteres geheiztes
Walzenpaar 6, durch das die Körner 5 in den thermoplastischen Kunststoff hineingedrückt
werden und die Folie auf 0,05 mm Dicke ausgewalzt wird. Es ist auch möglich, die
Körner dem thermoplastischen Material von vornherein, also vor dem Walzen, zuzusetzen.
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Bei Folien, die durch Gießen hergestellt werden, werden die Körner
der Ausgangslösung zugesetzt, wobei durch Rühren eine gleichmäßige Verteilung der
Körner in dem durch den Gießschlitz auf die Gießfläche ablaufenden Kunststoff erreicht
wird.
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F i g. 2 zeigt ein Stück der fertigen Folie 7 mit darin befestigten
Körnern 5.
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F i g. 3 zeigt in starker Vergrößerung die Anwendung der Folie als
isolierende Zwischenschicht zwischen zwei Metallplatten 8 und 9. Die Körner 5 verhindern
auch bei Erwärmung auf eine Temperatur, bei der der Kunststoff bereits .plastisch
wird, daß sich die beiden Metallplatten 8 und 9 berühren.
F i g.
4 zeigt die Isolierung eines Transistors 10 von der Grundplatte 11, an der er befestigt
ist, durch Zwischenlegen des Folienstückes 12 zwischen Boden 13 des Transistors
und Platte 11 und des Folienstückes 14 zwischen der Beilagscheibe 15 und der Grundplatte
11.
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Soll der Transistor im Inneren des Gehäuses 10 (F i g. 4) von dem
Boden 13 isoliert angebracht werden, so wird nach F i g. 5 auf dem Gehäuseboden
13 eine pulverförmige Mischung aus Kunststoff 16 und Körnern aus Aluminiumoxyd 5
aufgehäuft. Der Gehäuseboden wird sodann erhitzt (F i g. 6), so daß sich eine an
dem Boden 13 haftende Kunststoffschicht 17 mit darin eingebetteten Körnern 5 ergibt.
Ein Transistor (F i g: 7) bestehend aus einem Halbleiterkristall 18, einem Basiskontakt
19 und einem Emitterkontakt 20 wird auf einer Grundplatte 21 mit einer
Lötschicht 22 befestigt. Diese Grundplatte 21 dient als Kollektoranschluß, sie wird
auf die Kunststoffschicht nach F i g. 6 aufgedrückt. Danach wird das ganze Gebilde
bis zum Schmelzen des Kunststoffes erhitzt und die Kunststoffschicht 17, soweit
es die Aluminiumoxydkörner 5, die als Abstandsstücke wirken, zulassen, zusammengedrückt.
Dabei haftet die Grundplatte 21 an dem Kunststoff, so daß sich eine weitere Befestigung
des Transistors erübrigt. Auf dieses fertige Gebilde nach F i g. 7 kann nunmehr
eine nicht gezeichnete Umhüllung aufgesetzt werden, die an dem Boden 13 befestigt
wird.
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Der größeren Deutlichkeit halber sind die Folienstücke 12 und 14 übertrieben
dick gezeichnet.
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Bei dieser Anwendung sorgt die hohe Durchschlagfestigkeit des Folienmaterials
für die gute elektrische Isolation zwischen Grundplatte und Transistor, während
die in der Folie angeordneten Körner 5 für die gute Ableitung der im Transistor
entstehenden Wärme auf die Kühlfläche sorgen.