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Die
Erfindung betrifft eine elektrisch isolierende Folie.
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Derartige
Folien werden zum Umwickeln wärmeabgebender,
elektrischer Leiter benötigt.
Sie haben den Zweck, den Übertritt
von elektrischen Ladungen zu verhindern und bestehen aus einem flexiblen
Material, das in übereinanderliegenden
und einander zumindest in Teilbereichen überlappenden Lagen um den zu
isolierenden, elektrischen Leiter herumgewickelt wird. Dabei ist
häufig
ein großer
Wärmestau
im Bereich der Leiteroberfläche
zu beobachten, der unzureichend abgeführt wird und der seinerseits
wiederum einen Anstieg der Wärmeabgabe
des elektrischen Leiters bedingt und einen vorzeitigen Ausfall der
Folie zur Folge haben kann. Die mechanische Widerstandsfähigkeit
der bekannten Folien und insbesondere deren Durchstoßfestigkeit
ist wenig befriedigend. Einer Verwendung in Transformatoren steht
die unzureichende Beständigkeit
gegen Siliconöl
entgegen.
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Aus
der DE-PS 34 46 047 ist eine dreischichtig aufgebaute Folie bekannt,
die ausschließlich
als Montageunterlage für
Halbleiterbauelemente zur Anwendung gelangt und die neben einer
mittleren Schicht aus Polyamid zwei äußere Schichten aus Silicongummi
umfaßt,
das mit organischen, isolierenden Feststoffteilchen gefüllten ist.
Neben der aufwendigen Herstellung ist die geringe Lösungsmittelbeständigkeit
wenig befriedigend. Derartige Folien können daher nur bedingt in Kraftfahrzeugen
verwendet werden. Sie haben eine unzureichendde Flexibilität und sind
nicht zur Umwicklung elektrischer Leiter geeignet. Sie dienen nur
dem Zweck, eine Wärmebrücke zwischen
einem wärmeerzeugenden
und einem wärmeabführenden "Teil herzustellen.
Eine solche Wärmeabführung ist
bei der Montage von Halbleiterbauelementen besonders wichtig. Diese
erzeugen selbst Wärme
und sie verlieren bei einer Erwärmung
bereits oberhalb einer sehr niedrigen Temperaturschwelle weitgehend
oder völlig
ihre Wirksamkeit. Außerdem
wird die Dauerhaltbarkeit von Halbleiterbauelementen durch eine
Erwärmung
während
der bestimmungsgemäßen Verwendung
erheblich herabgesetzt.
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Es
entstand daher der Wunsch, eine Folie der eingangs genannten Art
zu zeigen, die sich universell für
die Umwicklung elektrischer Leiter und zugleich als Montageunterlage
für Halbleiterbauelemente
eignet und die in beiden Anwendungen bessere Eigenschaften aufweist
als bisher bekannten Ausführengen.
Dabei soll die Folie kostengünstig
herstellbar sein und bei einer guten Wärmeleitfähigkeit und einer guten Durchstoßfestigkeit
eine bessere Beständigkeit
gegenüber
Lösungsmitteln
und Siliconöl
besitzen. Die Anwendungsbreite soll dadurch erweitert und insbesondere
der Kfz-Sektor in weiten Teilen problemlos abgedeckt werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer
Folie der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen
von Anspruch 1 gelöst.
Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Bei
der erfindungsgemäßen Folie
ist es vorgesehen, daß daß sie aus
einem siliconfreien, elastomeren, aliphatischen Polyurethan besteht,
das frei von ungebundenen Isocyanatgruppen ist und in das allein
oder in Abmischung miteinander 50 bis 85 Gew.-% pulverförmige Aluminiumoxid-,
Silizium- oxid-, Berilliumoxid-, Magnesiumoxid-, Aluminiumnitrid-,
Bornitrid-, Siliziumnitrid- und/oder
Siliziumkarbidteilchen in gleichmäßiger Verteilung eingebettet
sind, die einen Durchmesser von 0,5 bis 50 μm haben, wobei Nitride immer
enthalten sind. Die Folie besitzt eine gute mechanische Festigkeit,
eine gute Beständigkeit
gegen organische Lösungsmittel
und läßt sich
durch ihre ausgezeichnete Flexibilität, Zugfestigkeit und elektrische
Durchschlagfestigkeit hervorragend zum Umwickeln elektrischer Leiter
verwenden. Die hohe Wärme-
Leitfähigkeit
verhindert dabei einen Wärmestau
im Bereich der Oberfläche
des elektrischen Leiters, was die Erzielung einer guten Dauerhaltbarkeit
wesentlich begünstigt.
Zugleich läßt sich
die Folie aufgrund ihrer guten Dauerelastizität ausgezeichnet als Montageunterlage
zwischen einem Halbleiterbauelement und einem Chassis verwenden,
beispielsweise einer Kühlplatte.
Hierdurch ist ein luftdicht anliegender Körperschluß zu den beiderseits anschließenden Bauele-
menten gewährleistet,
mit der Folge, daß sich
auch bei einer langfristigen Verwendung ein ausgezeichneter Wärmeübergang
erreicht und eine gute Wärmeleitung
erzielt wird. Der thermische Widerstand ist deutlich verringert,
was es zuläßt, die
Dicke in bezug auf die bekannten Folien zu verringern. Die Dicke
liegt im allgemeinen zwischen 20 μm
und 1 mm, vorteilhaft in dem Bereich zwischen 0,1 und 0,6 mm. Die
Flexibilität ist
dementsprechend vergrößert, was
die Verarbeitbarkeit verbessert.
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Durch
einen zusätzlichen
Gehalt von 0,5 bis 15 Gew.-% Melaminharzes läßt sich die Hydrolysebeständigkeit
der Folie so weitgehend verbessern, daß eine langzeitige Verwendung
auch in einer Umgebung möglich
ist, in der eine Beaufschlagung mit Luftfeuchtigkeit nicht auszuschließen ist.
Das ist beispielsweise auf dem Gebiet der KFZ-Technik zumeist der
Fall.
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Die
Zugfestigkeit sowie die Ein- und Weiterreißfestigkeit der Folie läßt sich
durch eine darin eingebettete Verstärkungseinlage verbessern, die
sich parallel zu ihren Deckflächen
erstreckt. Die Verstärkungseinlage kann
beispielsweise aus einem Fadengelege oder aus einem gewebten oder
nichtgewebten, eigenfesten Flächengebilde
aus Fasern bestehen, beispielsweise aus synthetischen oder mineralischen
Fasern, beispielsweise aus Glasfasern. Die verbesserte Zugfestigkeit
erleichtert es, die Folie gegebenenfalls unter Verwendung automatischer
Wickelmaschinen für
die Umwicklung elektrischer Leiter einzusetzen. Außerdem läßt sich
durch eine Verstärkungseinlage
dieser Art läßt sich
die Neigung zum Setzen verringern, was von großer Bedeutung ist in bezug
auf einen langfristig anhaltenden Körperschluß mit der wärmeabgebenden Einheit einerseits
und der wärmeabführenden
Einheit andererseits. Auch bei Verwendung starrer Verbindungselemente
für die
Festlegung der Halbleiter-Bauelemente
an dem Chassis, beispielsweise von Schrauben oder Nieten, läßt sich
so über
einen unbegrenzten Zeitraum eine gute Wärmeableitung über das
Chassis gewährleisten.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Folie zumindest einseitig
mit einer reliefartigen Oberflächenstrukturierung
versehen. Eine solche Oberflächen-Strukturierung ist
dadurch charakterisiert, daß feine Riefen
gleichmäßig über die
gesamte Oberfläche
verteilt sind, die einander gegebenenfalls durchschneiden. Sie verleihen
der Folie eine verbesserte Flexibilität und Biegsamkeit, was in Bezug
auf die festanliegende und blasenfreie Umwicklung elektrischer Leiter
von großem
Vorteil ist. Außerdem
ermöglichen
es die Riefen den in den Zwischenräumen liegenden Oberflächenbestandteilen
der Folie in seitlicher Richtung auszuweichen, wenn diese zwischen
einem Halbleiterbauelement und einem unnachgiebigen Chassis verpreßt werden. Durch
diese verbesserte Nachgiebigkeit vermag die Oberfläche der
Folie besonders gut in feinste Oberflächenunregelmäßigkeiten
des Chassis bzw. des Halbleiterbauelementes einzudringen mit der
Folge, daß auch eingetiefte
Bereiche dieser Oberflächenzonen
für eine
Wärmeableitung
nutzbar gemacht werden können
und daß sich
eine gute Wärmeableitung
in allen Teilbereichen auch dann ergibt, wenn mehrere Halbleiterbauelemente
dicht benachbart, jedoch unabhängig
von einander und mit einer voneinander unterschiedlichen, spezifischen
Flächenpressung
montiert werden. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn die
Halbleiterbauelmente eine voneinander abweichende Größe haben
und unter Verwendung identischer Schrauben und desselben Drehemoments
befestigt werden. Solche Umstände
ergeben sich dann, wenn die Schrauben benachbarter und unterschiedlich
großer
Halbleiterbauelemente unter Verwendung von Motorschraubwerkzeugen
mit einer starren Drehmomentbegrenzung festgezogen werden.
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Die
hinter den am weitesten vorstehenden Oberflächenbestandteilen zurücktretenden
Oberflächenzonen
sollen bei einer Oberflächenstrukturierung
der Folie, in ihrer Gesamtheit betrachtet, nicht mehr als 15 % der
insgesamt verfügbaren
Oberfläche
einnehmen und gleichmäßig über die
gesamte Oberfläche
verteilt sein. Das Musterungsbild kann demjenigen einer Schokoladentafel ähnlich sein,
ist jedoch wesentlich feiner strukturiert. Die einzelne Riefe hat
einen Querschnitt von nicht mehr als 0,01 mm2,
wobei die Tiefe gewöhnlich
größer ist
als die Breite. Das Profil kann dreieckig begrenzt sein.
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Die
Folie kann zumindest einseitig mit einer verformbaren Filmbeschichtung
aus einem Klebstoff versehen sein, zweckmäßig mit einer Filmbeschichtung,
welche zusätzlich
einen Gehalt an wärmeleitenden
Partikeln in gleichmäßiger Verteilung
aufweist. Die Wärmeableitung
läßt sich
dadurch weiter verbessern.
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Die
erfindungsgemäße Folie
zeichnet sich neben einer ausgezeichneten Lösungsmittelbeständigkeit vor
allem durch eine günstige
Herstellbarkeit aus sowie durch eine gute Wärmeleitfähigkeit bei verbesserter Durchstichfestigkeit
und vergleichsweise verminderter Dicke. Sie ist problemlos auf dem
Kfz-Sektor verwendbar.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung weiter
verdeutlicht. Es zeigen:
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1 Ein durch eine Kühlplatte
aus Metall gebildetes Chassis mit einer darauf aufgebrachten Folie.
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2 Das Chassis gemäß 1 einschließlich der
darauf angeordneten Folie und eines Halbleiterbauelementes in quergeschnittener
Darstellung.
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3 Einen Ausschnitt aus einer
mit einer Oberflächenstrukturierung
versehenen Folie in quergeschnittener Darstellung.
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Das
in 1 gezeigte Chassis 2 wird
durch eine Kühlplatte
aus metallischem Werkstoff gebildet, beispielsweise aus Aluminium,
und ist an der Unterseite mit Kühlrippen
versehen. Seine Oberseite ist im wesentlichen eben ausgebildet.
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Mit
der Oberseite ist eine Folie aus einem aliphatischen Polyurethan
verklebt, die an ihrer Oberseite mit einem Muster aus einander durchschneidenden
Riefen
6 versehen ist. Die durch die Riefen gebildeten
Nuten überdecken
in ihrer Gesamtheit 11 % der insgesamt zur Verfügung stehenden Oberfläche. Die
Folie hat eine Dicke von 0,2 mm. Sie besteht aus einem aliphatischen,
elastomeren Polyure than, das frei von ungebundenen Isocyanatgruppen
ist und die folgende Zusammensetzung gemäß der nachfolgenden Tabelle
aufweist:
| Polyurethan | 100
Gewichtsteile |
| Gemisch
aus Aluminium- und Bornitridteilchen eines mittleren Durchmessers
von 8 bis 20 Micrometer in gleichmäßiger Verteilung | 60
Gewichtsteile |
| Siliciumoxid
eines mittleren Durchmessers von 30 Micrometer | 20
Gewichtsteile |
| Melaminharz
eines mittleren Partikeldurchmessers von 18 Micrometer | 10
Gewichtsteile. |
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In
die Folie ist eine sich parallel zu der Deckfläche 5 erstreckende
Verstärkungseinlage 4 aus
einem Glasfasergewebe eingebettet. Die das Glasfasergewebe bildenden
Stränge
haben einen Durchmesser von 0,03 mm. Die lichte Maschenweite beträgt in Längs- und
Querrichtung 1,2 mm.
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Eine
zwischen der Folie 3 und dem Chassis 2 angeordnete
Kleberbeschichtung 7 besteht aus einem lösungsmittelfreien
Silikonkleber. Sie kann bevorzugt eine Dicke von 0,02 mm haben.
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2 zeigt die Anordnung gemäß 1 in quergeschnittener Darstellung
und ergänzt
durch ein Halbleiterbauelement 1, das auf die Deckfläche 5 aufgelegt
und unter Verwendung von zwei Rundkopfschrauben 8 durch
die Folie 3 hindurch mit dem Chassis 2 verschraubt
und verpreßt
ist. Hierdurch resultiert eine feste Einspannung der Folie 2 zwischen
den einander gegenüberliegenden
Oberflächen
des Halbleiterbauelementes 1 einerseits und dem durch eine
Kühlplatte
gebildeten Chassis 2 andererseits. Die mit einer Oberflächenstrukturierung 6 versehe
Deckfläche 5 der
Folie 3 vermag dabei in feinste Oberflächenunregelmäßigkeiten
und Eintiefungen des Halbleiterbauelementes 1 einzudringen,
während
sich auf der gegenüberliegenden
Seite ein guter wärmeleitender
Kontakt zwischen der Folie 3 und dem Chassis 2 durch
die dazwischen angeordnete Kleberbeschichtung 7 ergibt.
Die in dem Halbleiterbauelement 1 während der bestimmungsgemäßen Verwendung freigesetzte
Wärme wird
dadurch in ausgezeichneter Weise auf das Chassis 2 übertragen
und von diesem an die Umgebungsluft abgegeben. Für die Erzielung guter Gebrauchseigenschaften
des Halbleiterbauelementes 1 während einer langen Gebrauchsdauer
ist das von entscheidender Bedeutung.
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3 zeigt einen Ausschnitt
aus einer Folie 3 in quergeschnittener Darstellung, die
mit einer oberseitigen Strukturierung 6 versehen ist. Die
Strukturierung wird durch Ausnehmungen von keilförmigem Profil gebildet, die
etwa zu 1/3 in die Tiefe eindringen. Sie bilden in ihrer Gesamtheit,
in 3 nicht erkennbar,
ein Oberflächenmuster ähnlich 1 und nehmen etwa 10 % der
Oberfläche
ein. In die Folie 3 ist eine Verstärkungseinlage eingebettet,
die aus einander überkreuzenden
Glasfasersträngen
besteht. Diese haben einen Durchmesser von etwa 0,2 mm bei einer
Maschenweite von etwa 1,4 mm. Sie verleihen der Folie eine gute
Zug- und Dehnungsfestigkeit, was für deren industrielle Verarbeitbarkeit
von wesentlicher Bedeutung ist. Außerdem wird die Dauerelastizität im eingespannten
Zustand verbessert und die Fließneigung
vermindert.