IT201800021346A1 - Resina di tipo hot-melt per dissipare calore, non conduttiva elettricamente e/o isolante elettricamente. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

dell'invenzione industriale avente per titolo:

“Resina di tipo hot-melt per dissipare calore, non conduttiva elettricamente e/o isolante elettricamente”

La presente invenzione concerne una resina di tipo hot-melt per dissipare calore e che al contempo sia elettricamente isolante o meglio non abbia alcuna conducibilità elettrica.

La maggior parte dei componenti elettronici sono a basso voltaggio e producono quantità trascurabili di energia termica.

Tuttavia ci sono anche molti dispositivi - quali CPU, diodi di potenza, transistori di potenza e così via - che producono quantità significative di calore ed è importante che questo calore venga rimosso dal dispositivo in modo rapido ed efficiente per garantire prestazioni affidabili del componente ed evitare guasti prematuri.

L’uso di dispositivi sempre più potenti, per esempio circuiti elettronici, batterie, meccanismi ad ingranaggi, determina uno sviluppo di calore sempre più elevato e pericoloso per i dispositivi stessi.

Nel campo dell’auto, per esempio, la crescente attenzione per una riduzione delle emissioni inquinanti sta dando un forte sviluppo alla diffusione delle auto elettriche e quindi di batterie elettriche sempre più capaci di garantire una elevata autonomia unita ad una maggiore velocità di ricarica.

Anche nel settore della telefonia gli smartphone sono sempre più grandi, potenti e quindi atti a sviluppare più calore.

Ad oggi tutti i dispositivi quali computer, laptop, monitor e molto altro, sono concepiti con processori sempre più sofisticati ma, al contempo, quest’ultimi sviluppano elevati carichi di energia termica / calore che si necessita dissipare al fine di non alterare le caratteristiche elettroniche e relative performance, oltre alla loro durabilità.

In fisica, la resistenza termica è definita come la difficoltà del calore nell'attraversare un mezzo solido, liquido o gassoso.

Si immagini un processo di scambio termico tra due punti a e b mantenuti a temperature costanti diverse tra loro, Ta e Tb, con Ta>Tb (si pensi per esempio ai punti interno ed esterno di un muro perimetrale di un'abitazione riscaldata durante l'inverno): il calore passerà spontaneamente dal punto a al punto b, e la velocità del processo, una volta fissate e mantenute le temperature Ta e Tb, dipende proprio dalla resistenza termica del mezzo.

In condizioni stazionarie, cioè tralasciando il periodo transitorio di inizio dello scambio termico e considerando solo dopo tale periodo (nell'esempio precedente si immagini che la casa sia già riscaldata e si debba soltanto mantenere costante la temperatura interna), si definisce flusso radiante W la quantità di calore scambiata nell'unità di tempo e si misura in Joule su secondo [J/s], cioè watt [W]. Il rapporto tra la differenza di temperatura (Ta - Tb) ed il flusso radiante W che essa provoca in un mezzo è la Resistenza Termica del mezzo, e si misura in Kelvin per watt [K/W], o in modo equivalente in gradi Celsius su watt [°C/W].

Nel Sistema intemazionale l'unità di misura della resistenza termica è data da kelvin per watt (K/W), o in modo equivalente in gradi Celsius (°C) per watt (°C/W) (nelle equazioni usate compare solo la differenza di temperatura tra due punti che ha lo stesso valore se misurata in gradi Celsius o kelvin: 1 K = 1 °C; quello che cambia è solo il riferimento: 0 °C corrispondono a 273,15 K)

La resistenza termica dei materiali è di grande interesse nell'ingegneria elettronica perché la maggior parte dei componenti elettronici genera calore che va disperso. I componenti elettronici sono sensibili alla temperatura di funzionamento: nei datasheet viene specificata la massima temperatura del die (ovvero la sottile piastrina di materiale semiconduttore sulla quale è stato realizzato il circuito elettronico del circuito integrato, chiamato anche chip) per cui viene garantito un funzionamento corretto e l'affidabilità è legata in modo esponenziale a questo parametro (più bassa è la sua temperatura minore è la probabilità di guasto).

Quindi in fase di progetto è importante calcolare e verificare le temperature dei componenti nelle condizioni termiche di funzionamento più stressanti.

Sono noti mezzi di dissipazione di calore da accoppiare a dispositivi elettrici comprendenti corpi in metallo, per esempio alluminio e sue leghe, aventi alette dissipative. L’alluminio laminato ha una conducibilità termica molto alta, di 290 W/(m*K).

Svantaggiosamente un rivestimento in metallo è pesante, costoso e non applicabile a componentistica elettronica presente in micro circuiti studiati per i dispositivi in genere.

E’ noto anche l’uso di materie plastiche come rivestimento: il basso costo però si scontra con la bassa conducibilità termica, inferiore a 0,5 W/(m*K).

CN-103320076A descrive un adesivo hot melt conduttivo anisotropico privo di solventi che è composto dal 75% al 97% in peso di colla hot melt e dal 3% al 25% in peso di particelle conduttive, in cui la colla termofusibile è scelta tra resina poliestere, resina poliammidica o resina poliuretanica il cui punto di rammollimento è superiore a 90 ° C. Le particelle conduttive costituenti sono selezionate tra: argento, nichel o particelle metalliche dorate; particelle di platino a forma di palla o casuali che sono state rivestite con argento, nichel, oro o platino; o microsfere monodisperse di poliacrilato.

EP-2466811A descrive una composizione di stampaggio termoplastica che comprende, in base al peso della composizione: (a) almeno una poliammide (PA), copoliammide o una miscela polimerica comprendente poliammide; (b) dallo 0,1% al 10% in peso di nanotubi di carbonio e/o grafeni; e (c) da 0,1% a 3% in peso di liquidi ionici. La composizione di stampaggio termoplastica non comprende unità di poliammide-12.

JP-2010006998A descrive una composizione elettroconduttiva che comprende una resina poliammidica in cui è stata incorporata una carica elettroconduttiva e un agente ausiliario elettroconduttivo scelto dai coloranti a base di azoto. In una forma di realizzazione preferita, la composizione di resina comprende da 0,01% a 5% in peso di nigrosina come agente ausiliario elettroconduttivo. In un'ulteriore forma di realizzazione, la composizione comprende dallo 0,1% al 10% in peso di carbonio nanofibre come carica elettroconduttiva.

WO-2003035739 descrive una composizione di resina elettroconduttiva che comprende: una polvere di rame placcata in argento (al) avente un rapporto di aspetto da 1 a 20 o una polvere di rame placcato in argento (a2) avente cooper parte della superficie di esso; una polvere elettroconduttiva contenente una polvere d'argento (Al); una resina termoplastica (B1) avente uno o più gruppi funzionali scelti dal gruppo costituito da un gruppo ammidico, un gruppo estereo, un gruppo immide e un gruppo etereo; e un solvente organico (C). In una forma di realizzazione alternativa, è descritta una composizione di resina elettroconduttiva che comprende: detta polvere di argento elettroconduttiva (A1), una resina termoplastica (B2) scelta dal gruppo costituito da una resina siliconica poliammidica, una resina siliconica poliammidica e una resina siliconica poliimmidica; e un solvente organico (C).

US-20140374032A1 descrive un adesivo hot-melt contenente: dal 20% al 90% in peso di almeno una poliammide avente un peso molecolare (Mw) da 10.000 g/mol a 250.000 g/mol; da 1% a 25% in peso di almeno un sale organico o inorganico; da 0% a 60% in peso di ulteriori additivi, in cui l'adesivo ha un punto di rammollimento da 100°C a 220°C. Ulteriormente descritto è un processo per l'incollaggio reversibile di substrati, in cui il legame adesivo viene rilasciato sotto tensione dopo l'applicazione di una tensione elettrica.

WO-2017182621A1 descrive un campo di composizione adesivo o di stampaggio Hot-melt elettricamente conduttivo. Sono individuati alcuni formulati che al fine di garantire termoconduttività e conseguentemente dissipazione termica impiegano sfere di vetro. Svantaggiosamente questo genere di filler, così come già formulato per il settore elettronico, dell’iniezione di hot-melt a base poliammide comporta una innumerevole serie di problematiche in termini di applicazione, in cui gli strumenti applicativi usati (pompe, fusori e dosatori) vengono abrasi anche dopo sole 4 ore di utilizzo del prodotto.

La tecnica nota sopra menzionata non ha fornito una soluzione al problema di incorporare riempitivi dotati di consistente dissipazione termica ma che al contempo non siano conduttivi elettricamente in composizioni di stampaggio a base di poliammide che:

Scopo della presente invenzione è realizzare un prodotto solido o semisolido da applicare a dispositivi elettrici e meccanici che sia atto a dissipare calore e che non funga da conduttore elettrico poiché la conducibilità elettrica provocherebbe un cortocircuito.

Ulteriore scopo della presente invenzione è che detto prodotto sia semplice da realizzare e da accoppiare al dispositivo.

Ancora ulteriore scopo della presente invenzione è che detto prodotto non sia inquinante, poiché riciclabile.

In accordo con l’invenzione detti ed ulteriori scopi sono raggiunti con una resina di tipo hot-melt per dissipare calore prodotto da dispositivi su cui viene applicata la resina, caratterizzata dal fatto di comprendere un adesivo caricato con nitruro di boro.

Vantaggiosamente la resina è allo stato solido, è priva di solventi, non è reattiva, non conduce potenza elettrica, non è abrasiva, ma soprattutto ha una conducibilità termica e quindi dissipativa, chiaramente maggiore dell’adesivo.

La resina secondo la presente invenzione è applicabile mediante mezzi meccanici senza usurarli, per realizzare componenti elettronici ed elettrici, per esempio cavi e connettori.

Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione saranno rese maggiormente evidenti dalla seguente descrizione dettagliata in un suo esempio di realizzazione pratica a titolo non limitativo.

Una resina di tipo hot-melt comprende una materia prima adesiva (collante) caricata con polveri di nitruro di boro (filler).

La materia prima è normalmente una poliammide ma può essere anche poliolefina, APAO (poli-alfa-olefme-amorfe) o un EVA (etilene-vinyl-acetato).

La materia prima ha forma solida o semisolida.

Per resina (artificiale o sintetica) si intende un materiale viscoso capace di indurirsi a freddo o a caldo. Si tratta in genere di un’ampia classe di differenti e complessi polimeri.

Una resina di tipo hot-melt è un adesivo (collante) termoplastico solitamente venduto allo stato solido che può essere applicato a caldo tramite opportuni mezzi, per esempio fusori collegati ad iniettori o ugelli riscaldati che per iniezione, colata o altro strumento specifico, trasferiscono la resina di tipo hot-melt laddove il manufatto lo richiede.

Detta materia prima ha un costo limitato ed è facilmente producibile ma presenta una bassa conducibilità termica: le poliammidi per esempio hanno una conducibilità termica inferiore a 0,3 W/(m*K), ovvero chiaramente inferiore ad una lega di alluminio la cui conducibilità è prossima a 300 W/(m*K).

In un esempio di realizzazione testato dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, la resina di tipo hot-melt oggetto dell’invenzione è composta dal 67% in peso di poliammide e dal 33% in peso di nitruro di boro.

Un provino di resina è stato ottenuto sciogliendo a caldo (a circa 200°C) la resina poliammidica in un contenitore sottovuoto e poi aggiungendo lentamente il nitruro di boro in forma di polvere. Il vuoto si rende necessario al fine di preservare la poliammide da gruppi -OH presenti in ambiente sotto forma di umidità. Umidità quest’ultima che andrebbe ad alterare le caratteristiche morfologiche del prodotto finale in quanto avente potere ossidante.

La miscela calda di poliammide e nitruro di boro è stata poi spinta da una pompa in un estrusore da cui è uscito il prodotto finale che in uscita dall’estrusore si è solidificato rapidamente (circa 3/6 secondi).

Il prodotto finale era in forma di palline, ma può assumere altra forma in base alla tipologia di taglio che si desidera ottenere ed utilizzare (per esempio cubetti).

In generale, il prodotto finale è allo stato solido, è privo di solventi, non è reattivo, non conduce potenza elettrica, non è abrasivo, ma soprattutto ha una conducibilità termica chiaramente maggiore della materia prima.

Il prodotto finale sopra descritto è stato testato secondo tre noti metodi di misura della conducibilità:

- metodo MTPS (Modified Transient Piane Source): il metodo consiste nell'applicare sulla superficie del provino una sollecitazione termica e nella misura della sua temperatura superficiale durante il conseguente transitorio, mediante strumento apposito come descritto nella nonna ASTM D7984-16; la prova è stata eseguita con lo strumento TCi della C-Therm Technologies, con accuratezza stimata pari a 5% della misura, con temperatura iniziale di provino e sensore pari a quella ambiente;

- metodo HFM (Heat Flow Meter Apparatus): questo metodo, diversamente dal precedente, consiste nel mantenere le due facce del provino a due diversi valori di temperatura, e nel misurare il conseguente flusso termico, come descritto nelle norme ASTM C518 ed E1530, e dalla ISO 8301; la prova è stata eseguita con strumento Fox 50 della TA Instruments, con accuratezza stimata pari a 4% della misura; la differenza di temperatura tra le due facce è 10°C, mentre la prova è stata eseguita per valori di temperatura media (T media) pari a 25°C e 85°C.

I risultati di conducibilità k (W/(m*K) sono stati i seguenti:

- C-Therm = 1,9;

- Fox 50 (T media = 25°C) = 1,78;

- Fox 50 (T media = 85°C) = 1,56.

Ne deriva un valore medio di quasi 1,75k, ovvero molto maggiore della conducibilità termica della materia prima (poliammide).

La resina oggetto della presente invenzione presenta preferibilmente una o più delle seguenti caratteristiche:

- viscosità Brookfield (a 200°C - Sp.27 a 10 rpm, metodo ASTM D 3236) compresa tra 6000 mPa*s (milli Pascal per secondo) e 12000 mPa*s, preferibilmente tra 9000 mPa*s e 11000 mPa*s, ancor più preferibilmente compresa tra 9800 mPa*s e 10200 mPa*s;

- punto di rammollimento (R&B, metodo ASTM D 3461) compreso tra 150°C e 180°C, preferibilmente tra 160°C e 170°C, ancor più preferibilmente tra 162°C e 168°C;

- contenuto d’acqua inferiore allo 0,2% in peso;

- densità inferiore a 1,3 cm<3>, preferibilmente inferiore a 1,15 cm<3>;

- durezza (a 23°C, metodo ISO 868) compresa tra 65 e 75 shore D, preferibilmente pari a 70 shore D;

- assorbimento d’acqua (in immersione a 23°C, metodo ISO 62) compreso tra 1% e 1,5% in peso, preferibilmente pari ad 1,2% in peso;

- colore neutro/biancastro;

- caratteristiche autoestinguenti: riferimento Flammability UL94: VO

- lunghezza a rottura (50 mm/min, a 23 °C, metodo ISO 527) compresa tra 4 e 4,5 MPa*s, preferibilmente pali a 4,2 MPa*s.

Preferibilmente la superficie specifica (BET) è compresa tra 5 m<2>/g e 10 m<2>/g, preferibilmente pari a 7 m<2>/g.

Preferibilmente la dimensione media delle particelle (D50) è compresa tra 10 μm e 15 μm, preferibilmente pari a 12 μm.

Le caratteristiche sopra descritte permettono di applicare la resina secondo la presente invenzione mediante mezzi meccanici senza usurarli: l’applicatore, per esempio una pistola riscaldata, ha preferibilmente una temperatura di esercizio compresa tra 195°C e 230°C.

Il prodotto finale (resina) è utilizzabile nella realizzazione di componenti elettronici ed elettrici, per esempio cavi e connettori.

E’ possibile inoltre rivestire circuiti elettrici inserendo il componente in uno stampo atto a contenere il circuito stesso: nello stampo la temperatura di esercizio è preferibilmente compresa tra 20°C e 60°C.

Lo scioglimento della materia prima avviene preferibilmente tra 180°C e 220°C, ancor più preferibilmente a 200°C come nel test sopra descritto.

La percentuale in peso di materia prima e nitruro di boro può variare rispetto a quella ottimale del test: il contenuto di materia prima varia tra il 62% ed il 72% in peso, il contenuto di nitruro di boro varia conseguentemente tra il 28% ed il 38% in peso.

Un aumento del nitruro di boro migliora la dissipazione termica ma comporta una diminuzione di materia prima che svantaggiosamente aumenta troppo la viscosità generando indesiderati problemi di iniezione.

Viceversa un aumento della percentuale di materia prima migliora la viscosità ma penalizza la dissipazione termica.

La scelta della miscela ottimale dipende dall’applicazione del prodotto, la miscela del test essendo comunque da considerare come preferita per la maggior parte delle applicazioni.

Vantaggiosamente la resina secondo la presente invenzione non crea alcun problema di abrasione a carico degli strumenti di applicazione quali in primis gli ingranaggi presenti nei fusori, le pompe di estrusione, i dosatori, e gli ugelli che erogano la resina negli stampi.

Si sottolinea che al contrario della resina poliammidica, le resine a base di poliolefine, le resine APAO e le resine ÈVA formulati con nitruro di boro, pur facenti parte della presente invenzione, non possono essere utilizzate nella produzione di microcircuiti, quali quelli per il settore della telefonia mobile.

Le resine a base poliolefina qualora raggiungano un punto di rammollimento maggiore di 140°C, la loro TG (temperatura di transizione vetrosa) sarebbe troppo bassa ed il prodotto finale risulterebbe avere una elevata viscosità. Pertanto risultano non adatte alla produzione di microcircuiti, in quanto quest’ultimi richiedono piccole quantità di adesivo e questo è applicato a basse pressioni nei relativi stampi i quali a loro volta vengono riempiti attraverso collettori dal diametro nell’ordine di pochi millimetri.

Le resine a base di poliolefine, le resine APAO e le resine EVA possono tuttavia essere utilizzate per colata in stampi che richiedono elevate quantità di prodotto come ad esempio i comparti contenenti le batterie ricaricabili per autoveicoli elettrici.

Le resine APAO essendo molto simili alle resine poliolefiniche tradizionali hanno punti di fusione e punti di rammollimento che si aggirano fra 90°C e 110°C, pertanto non idonee a garantire resistenze alle temperature richieste nel mercato della telefonia. Tuttavia possono essere utilizzate nel settore elettronico laddove non sono richieste particolari sollecitazioni termiche e durezza del compound.

La resina oggetto della presente invenzione ottenuta a base EVA o poliolefine richiedono l’addizione di resine tackifier tipo C9 -C5 - C5-C9, colofonie, colofonie esterificate, resine da cumarone, affinché possano essere considerate adesivi, condizione senza la quale non potrebbe aderire alle componentistiche elettroniche.

Materie prime con viscosità elevata, poca scorrevolezza, durezza e basso punto di rammollimento sono utilizzabili solo per produzioni di materiale elettronico con diminuite caratteristiche dispetto alle resine poliammidiche.

La presente invenzione concerne sostanzialmente l'incorporazione di cariche non conduttive elettricamente ma con prestazioni di elevata dissipazione termica all'interno di composizioni di adesivo o di stampaggio hot-melt, che si basano, in particolare, su poliammidi e sull'uso di dette composizioni in tecniche di stampaggio a iniezione tra cui l'incapsulamento, il sottosquillamento e l'over- stampaggio di componenti elettronici.

In particolare la resina rivendicata

1) non richiede tecniche di stampaggio ad iniezione ad alta pressione;

2) realizza un processo semplice e pulito con tempi di ciclo operativi;

3) risolve in modo soddisfacente i problemi di assestamento del riempitivo e di eterogeneità del filler.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Resina di tipo hot-melt per dissipare calore prodotto da dispositivi su cui viene applicata la resina, caratterizzata dal fatto di comprendere un adesivo caricato con nitruro di boro.
2. 2. Resina secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto di prevedere una percentuale in peso di adesivo compresa tra il 62% ed il 72%, ed una percentuale in peso di nitruro di boro compresa il 28% ed il 38%.
3. 3. Resina secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto di prevedere una percentuale in peso di adesivo pari al 67%, ed una percentuale in peso di nitruro di boro pari al 33%.
4. 4. Resina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che l’adesivo è un poliammide.
5. 5. Resina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, caratterizzata dal fatto che l’adesivo è alternativamente una poliolefina, un APAO o un ÈVA.
6. 6. Resina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che la superficie specifica (BET) è compresa tra 5 m<2>/g e 10 m<2>/g, preferibilmente pari a 7 m<2>/g.
7. 7. Resina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che la dimensione media delle particelle (D50) è compresa tra 10 μm e 15 μm, preferibilmente pari a 12 μm.
8. 8. Resina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il nitruro di boro viene caricato in forma di polvere.
9. 9. Resina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di avere una conducibilità termica maggiore di 1,5 k.
10. 10. Resina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di prevedere una o più delle seguenti: - viscosità Brookfield compresa tra 9000 mPa*s e 11000 mPa*s, preferibilmente compresa tra 9800 mPa*s e 10200 mPa*s; - punto di rammollimento compreso tra 160°C e 170°C, preferibilmente tra 162°C e 168°C; - contenuto d’acqua inferiore allo 0,2% in peso; - densità inferiore a 1,4 cm<3>, preferibilmente inferiore a 1,35 cm<3>; - durezza compresa tra 65 e 75 shore D, preferibilmente pari a 70 shore D; - assorbimento d’acqua compreso tra 1% e 1,5% in peso, preferibilmente pari ad 1 ,2% in peso; - lunghezza a rottura compresa tra 4 e 4,5 MPa*s, preferibilmente pari a 4,2 MPa*s.
11. 11. Metodo per realizzare la resina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di prevedere lo scioglimento a caldo dell’adesivo in un contenitore sotto vacuum e poi l’aggiunta lenta di nitruro di boro, il pompaggio della miscela calda in un estrusore da cui esce il prodotto finale che una volta tagliato o confezionato in contenitori specifici rapidamente solidifica.
12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che lo scioglimento avviene ad una temperatura compresa tra 180°C e 220°C, preferibilmente pari a 200°C.