DE4441687B4 - Elektrisch isolierende Folie - Google Patents

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Abstract

Elektrisch isolierende Folie aus einem siliconfreien, elastomeren, aliphatischen Polyurethan besteht, das frei von ungebundenen Isocyanatgruppen ist und in das eine oder mehre miteinander vermischte Füllstoffe in gleichmäßiger Verteilung eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffe durch 50 bis 85 Gew.-% pulverförmige Aluminiumoxid-, Siliziumoxid-, Berilliumoxid-, Magnesiumoxid-, Aluminiumnitrid-, Bornitrid-, Siliziumnitrid- und/oder Siliziumkarbidteilchen gebildet sind, die einen Durchmesser von 0,5 bis 50 μm haben, wobei Nitride immer enthalten sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrisch isolierende Folie.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung weiter verdeutlicht. Es zeigen:
  • 1 Ein durch eine Kühlplatte aus Metall gebildetes Chassis mit einer darauf aufgebrachten Folie.
  • 2 Das Chassis gemäß 1 einschließlich der darauf angeordneten Folie und eines Halbleiterbauelementes in quergeschnittener Darstellung.
  • 3 Einen Ausschnitt aus einer mit einer Oberflächenstrukturierung versehenen Folie in quergeschnittener Darstellung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (7)

  1. Elektrisch isolierende Folie aus einem siliconfreien, elastomeren, aliphatischen Polyurethan besteht, das frei von ungebundenen Isocyanatgruppen ist und in das eine oder mehre miteinander vermischte Füllstoffe in gleichmäßiger Verteilung eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffe durch 50 bis 85 Gew.-% pulverförmige Aluminiumoxid-, Siliziumoxid-, Berilliumoxid-, Magnesiumoxid-, Aluminiumnitrid-, Bornitrid-, Siliziumnitrid- und/oder Siliziumkarbidteilchen gebildet sind, die einen Durchmesser von 0,5 bis 50 μm haben, wobei Nitride immer enthalten sind.
  2. Folie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyurethan zusätzlich mit einem Gehalt von 0,5 bis 15 Gew.-% eines Melaminharzes versetzt ist.
  3. Folie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Folie eine Verstärkungseinlage (4) eingebettet ist, die sich parallel zu ihren Deckflächen (5) erstreckt
  4. Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (3) zumindest einseitig mit einer reliefartigen Oberflächenstrukturierung (6) versehen ist.
  5. Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie zumindest einseitig mit einer verformbaren Filmbeschichtung (7) aus einem Klebstoff versehen ist.
  6. Folie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filmbeschichtung (7) zusätzlich einen Gehalt an wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Partikeln in gleichmäßiger Verteilung aufweist.
  7. Verwendung der Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Montageunterlage bei der elektrisch isolierenden Verbindung eines Halbleiterbauelementes (1) mit einem Chassis (2).
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