KR102048057B1 - 몰딩 컴파운드, 상기 몰딩 컴파운드를 제조하는 방법, 전자 컴포넌트 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라스틱 메인 매트릭스(10)를 포함하는, 전자 컴포넌트를 위한 몰딩 컴파운드(100)에 관한 것으로서, 상기 플라스틱 메인 매트릭스(10) 내로 베타 결정체 구조를 갖는 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)가 도입된다.

Description

몰딩 컴파운드, 상기 몰딩 컴파운드를 제조하는 방법, 전자 컴포넌트 및 자동차
본 발명은 전자 컴포넌트를 위한 몰딩 컴파운드에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 몰딩 컴파운드를 제조하는 방법 및 이러한 유형의 몰딩 컴파운드를 포함하는 전자 컴포넌트 및 대응하는 전자 컴포넌트를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
전자 컴포넌트, 예를 들어 적층 철심, 와이어 권선 및 스위칭 링을 포함할 수 있는 예를 들어 전기 기계와 같은 전력 전자 부품용 전자 컴포넌트를 위한 몰딩 컴파운드에서는, 몰딩될 전자 컴포넌트의 개별 부품의 열에 의한 팽창 및 수축과 관련하여 가능한 한 높은 강도, 높은 화학적 저항성 및 높은 내성, 소위 델타-알파 내성(Delta-Alpha Tolerance)을 갖는 몰딩 컴파운드를 제공하기 위한 요구 사항이 존재한다.
몰딩 컴파운드가 높은 가교 결합 밀도를 갖는 열경화성 수지로 형성되는 경우, 상기 몰딩 컴파운드는 충분히 높은 강도 및 화학적 저항성을 포함할 수 있지만, 그러나 낮은 델타-알파 내성을 포함하게 된다. 냉각 과정 중에 열경화성 플라스틱의 경화를 통해 수반되는 자유 체적의 감소와 결합되어 전자 컴포넌트의 개별 부품의 수축을 통해, 이러한 유형의 몰딩 컴파운드는 높은 기판 접착력 및 적은 층 두께에서는 크래킹이 발생하는 경향이 있고, 낮은 기판 접착력 및 높은 층 두께에서는 몰딩 컴파운드가 기판으로부터 분리되고 이에 따라 전자 컴포넌트의 부품으로부터 분리되는 경향이 있다. 따라서 특히 후속 냉각이 이루어지는 경화 공정은 임계적인 것으로 간주되어야 하는데, 몰딩 컴파운드에 대한 기판으로서의 역할을 하는 전자 컴포넌트의 금속 부품이 이 경우 수축되고 몰딩 컴파운드 자체는 이미 비교적 강하게 가교 결합되어 있기 때문이다. 이를 통해, 몰딩 컴파운드 내에 응력이 형성되고, 상기 응력은 전자 컴포넌트의 즉각적인 또는 추후의 작동 시 몰딩 컴파운드의 크래킹 및/또는 분리와 같은 상기 언급된 효과를 발생시킬 수 있다.
크랙 소산을 통해 몰딩 컴파운드에 형성되는 크랙을 정지시킬 수 있게 하기 위해, 몰딩 컴파운드의 열경화성 플라스틱 내에 엘라스토머 입자를 미세하기 분산시키는 것이 알려져 있다. 이러한 유형의 몰딩 컴파운드는 특히 급작스러운 스트레스에서 비교적 높은 강도 및 소정의 연성을 포함한다. 예를 들어 엘라스토머 입자로서 아크릴로니트릴 부타디엔 고무(acrylonitrile-butadiene rubber)(NBR)를 사용하는 것이 알려져 있지만, 이는 약 100℃ 내지 130℃ 이상의 온도에서는 부서지기 쉽고, 이에 의해 실제의 연성 변형과 정확히 반대가 이루어진다. 따라서, 약 100℃ 내지 130℃의 온도 범위에서 엘라스토머 입자가 부서지거나 또는 분해되기 때문에, 이러한 유형의 몰딩 컴파운드의 사용은 사용 온도와 관련해서 강하게 제한된다. 150℃까지의 비교적 높은 작동 온도를 포함할 수 있는 예를 들어 전기 기계와 같은 전자 컴포넌트에서는, 이러한 유형의 몰딩 컴파운드가 사용될 수 없다.
따라서, 본 발명의 과제는 높은 강도와 높은 화학적 저항성 및 동시에 높은 델타-알파 내성을 특징으로 하는 몰딩 컴파운드를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 과제의 해결 방안은 독립 청구항의 특징에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예 및 개발예는 종속항에 명시되어 있다.
본 발명에 따른 몰딩 컴파운드는 플라스틱 메인 매트릭스를 포함하고, 플라스틱 메인 매트릭스 내에는 베타 결정체 구조를 갖는 폴리프로필렌 플라스틱 입자가 도입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 베타 결정체 구조를 갖는 폴리프로필렌 플라스틱 입자가 플라스틱 메인 매트릭스 내로 도입되는 몰딩 컴파운드를 제조하는 방법을 특징으로 한다.
베타 결정체 구조를 갖는 폴리프로필렌 플라스틱 입자는 특히 높은 연성을 특징으로 한다. 베타 결정체 구조를 형성하기 위해 폴리프로필렌 플라스틱 입자에 베타-핵 생성제가 첨가된다. 이러한 베타-핵 생성제를 사용함으로써 폴리프로필렌 플라스틱 입자에 베타 구결정(spherulite)이 생성된다. 인장력, 압력 또는 충격으로 인한 스트레스 시 베타 결정체는 서로에 대해 밀착되고, 이에 의해 미세한 작은 공극, 소위 마이크로 보이드가 형성되어, 스트레스로 인해 재료 내로 도입된 에너지를 흡수할 수 있다. 이러한 효과는 몰딩 컴파운드의 응력 감소를 위해 사용될 수 있다. 베타 결정체 구조를 갖는 폴리프로필렌 플라스틱 입자는 매우 높은 팽창력을 포함하기 때문에, 발생하는 재료 응력으로부터 발생한 힘이 플라스틱 메인 매트릭스로부터 베타 결정체 구조를 갖는 폴리프로필렌 플라스틱 입자로 유도됨으로써, 베타 결정체 구조를 갖는 폴리프로필렌 플라스틱 입자는 플라스틱 메인 매트릭스의 경화 시 그리고 전자 컴포넌트의 부품의 냉각 시 발생하는 재료 응력을 흡수할 수 있다. 힘의 흡수를 통해 일종의 연성 변형이 이루어지는데, 이는 폴리프로필렌의 β-구결정이 다공성 구조의 형성 하에 힘을 감소시킬 수 있기 때문이다. 추가적으로, 다공성 구조의 형성에 의해 플라스틱 메인 매트릭스와 베타 결정체 구조를 갖는 폴리프로필렌 플라스틱 입자 사이의 접착력이 향상될 수 있다. 이러한 방식으로 형성되는 몰딩 컴파운드는 고온 안정성을 특징으로 하므로, 전기 기계와 같은 전자 컴포넌트에서도 높은 작동 온도로 사용될 수 있다. 몰딩 컴파운드를 제조하기 위해 플라스틱 메인 매트릭스는 우선 베타 결정체 구조를 포함하는 폴리프로필렌 플라스틱 입자와 혼합되고, 이어서 혼합물은 가열되고, 특정 시간 동안 경화를 위해 보다 높은 온도에서 유지되고 이어서 냉각된다.
플라스틱 메인 매트릭스와 폴리프로필렌 플라스틱 입자의 습윤성을 향상시키기 위해, 폴리프로필렌 플라스틱 입자는 친수화제 또는 플라즈마 처리로 사전 처리될 수 있다. 예를 들어, Irgasurf® HL 560가 친수화제로서 사용될 수 있다. 친수화제는 바람직하게는 폴리프로필렌 플라스틱 입자가 플라스틱 메인 매트릭스와 혼합되기 이전에 폴리프로필렌 플라스틱 입자 상에 도포된다.
바람직하게는, 폴리프로필렌 플라스틱 입자는 섬유 형태로 또는 분말 형태로 플라스틱 메인 매트릭스 내로 도입된다. 섬유 형태로 형성되어 있는 경우, 폴리프로필렌 플라스틱 입자는 바람직하게는 짧은 섬유의 형태로 형성된다. 섬유는 공극의 형성을 위해 보다 큰 표면적을 제공하므로, 플라스틱 메인 매트릭스로부터의 힘의 특히 양호한 흡수 및 이에 따라 몰딩 컴파운드에서의 특히 양호한 응력 감소가 달성될 수 있다. 섬유 형태로 형성되어 있는 경우, 주로 베타-핵 생성제가 첨가된 폴리프로필렌 과립은 멜트블로운 공정 또는 스피닝 공정에 의해 섬유 또는 섬유 코어로 가공된다. 분말 형태로 형성되어 있는 경우, 바람직하게는 베타-핵 생성제가 첨가된 폴리프로필렌 과립은 분쇄된다. 분말 형태의 폴리프로필렌 플라스틱 입자를 플라스틱 메인 매트릭스 내로 도입할 때, 섬유에 비해 폴리프로필렌 플라스틱 입자와 플라스틱 메인 매트릭스 사이의 혼합이 촉진될 수 있으며, 이에 의해 특히 플라스틱 메인 매트릭스 내에서 폴리프로필렌 플라스틱 입자의 특히 균일한 분포가 달성될 수 있다.
섬유 형태로 도입된 폴리프로필렌 플라스틱 입자는 50 ㎚ 내지 500 ㎛, 바람직하게는 100 ㎚ 내지 100 ㎛의 섬유 직경을 포함할 수 있다.
도입된 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)가 분말 형태인 경우, 0,1 ㎛ 내지 1000 ㎛, 바람직하게는 10 ㎛ 내지 1000 ㎛의 입자 직경을 포함할 수 있다.
몰딩 컴파운드의 특히 높은 강도를 달성할 수 있기 위해, 플라스틱 메인 매트릭스는 바람직하게는 열경화성 플라스틱으로 형성된다. 경화 후에 그리고 이에 따른 열경화성 플라스틱의 가교 결합 공정 후에 이것은 더 이상 변형될 수 없으며, 이에 의해 몰딩 컴파운드 전체는 더 이상 변형될 수 없으며, 이에 따라 매우 높은 강도 및 강성을 포함하게 된다.
바람직하게는, 열경화성 플라스틱은 에폭시 수지이다. 에폭시 수지는 양호한 기계적 성질과 양호한 온도 내구성 및 화학적 내구성을 특징으로 한다. 그러나 열경화성 플라스틱으로서는, 예를 들어 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐 에스테르 수지, 멜라민-포름알데히드 수지, 폴리이미드 수지, 이소시아네이트 수지 또는 이소시아누레이트 수지가 사용될 수도 있다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 전자 부품과, 상기 적어도 하나의 전자 부품을 고정된 위치에 고정하기 위해 상기 설명된 바와 같이 형성되고 발전된 몰딩 컴파운드를 포함하는 전자 컴포넌트를 특징으로 한다. 전자 컴포넌트는, 예를 들어 스테이터 및 로터를 포함하는 전기 기계일 수 있다. 스테이터는 스테이터의 권선을 전기적으로 서로 연결하고 외부 응력 소스에 연결되는 스위칭 링을 포함할 수 있다. 전기적 절연체, 기계적 보호 장치 및 화학적 영향에 대한 보호 장치를 형성하기 위해, 스위칭 링과 권선의 부품이 몰딩 컴파운드 내에 매립될 수도 있다.
또한, 본 발명은 전술한 바와 같이 형성되고 개발된 전자 컴포넌트를 포함하는 자동차를 특징으로 한다.
또한, 이하의 도면을 기초로 하여 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명에 기초하여 본 발명을 개선하는 방법이 이하에서 나타난다.
도 1a는 약 25℃에서의 초기 상태에서 경화 공정 이전의 본 발명에 따른 몰딩 컴파운드의 광학 현미경 이미지를 도시한다.
도 1b는 도 1에 따른 광학 현미경 이미지의 개략도를 도시한다.
도 2a는 약 190℃에서의 유지 단계에서 경화 공정 이전의 본 발명에 따른 몰딩 컴파운드의 광학 현미경 이미지를 도시한다.
도 2b는 도 2에 따른 광학 현미경 이미지의 개략도를 도시한다.
도 3a는 약 75℃에서의 냉각 단계에서 경화 공정 동안의 본 발명에 따른 몰딩 컴파운드의 광학 현미경 이미지를 도시한다.
도 3b는 도 3에 따른 광학 현미경 이미지의 개략도를 도시한다.
도 1a 내지 도 3b에는 몰딩 컴파운드(100)의 경화가 시작되기 전에, 예를 들어 전자 컴포넌트 내로 도입될 수 있는, 본 발명에 따른 몰딩 컴파운드(100)의 경화가 개략적으로 도시된다. 경화는 바람직하게는 오븐 내에서 이루어지고, 상기 오븐 내에서 몰딩 컴파운드(100) 및 이에 따라 전체 전자 컴포넌트에는 열이 공급된다.
몰딩 컴파운드(100)는 플라스틱 메인 매트릭스(10) 및 베타 결정체 구조를 포함하는 복수의 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)로 형성된다. 플라스틱 메인 매트릭스(10)는 열경화성 플라스틱, 특히 에폭시 수지이다. 플라스틱 메인 매트릭스(10)에는 베타 결정체 구조를 포함하는 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)가 도입되어, 플라스틱 메인 매트릭스(10)와 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11) 사이의 양호한, 특히 균일한 혼합이 달성된다.
베타 결정체 구조를 생성하기 위해, 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)에는 베타-핵 생성제(바람직하게는 0.05 내지 0.5 중량%의 폴리프로필렌에서 핵 생성제의 농도)가 첨가된 다음, 바람직하게는 과립으로 가공되고, 이 과립은 그 후 대응하는 섬유로 스피닝되거나 또는 분말로 그라인딩된다.
이어서, 플라스틱 메인 매트릭스(10)가 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)와 - 분말 형태로 또는 섬유 형태로 - 혼합된다. 플라스틱 메인 매트릭스(10) 내에 분포되어 배치되는 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11) 상에 베타-핵 생성제가 점 형태의 핵 생성제 입자(12)의 형태로 여전히 검출될 수 있다. 핵 생성제(12)는 도 1a에서 검은색 점으로 검출될 수 있고, 도 1b에서 해칭선으로 도시된다.
도 1a 및 도 1b는 여기서 예를 들어 경화되지 않은 2-성분 에폭시 수지인 플라스틱 메인 매트릭스(10)의 혼합 및 초기 상태에서 경화 단계 이전의 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)를 도시한다. 몰딩 컴파운드(100)는 여기서 약 25℃의 온도를 포함한다. 이러한 초기 상태에서 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)는 플라스틱 메인 매트릭스(10) 내에서 별도의 상으로 존재한다.
열경화성 플라스틱의 가교 결합 공정을 통해 플라스틱 메인 매트릭스(10)의 경화를 달성할 수 있기 위해, 혼합물 또는 몰딩 컴파운드(100)는 오븐에 적용된 후에 가열된다. 이 경우, 25℃에서 시작하여 10 K/min의 가열 속도가 제공될 수 있다. 플라스틱 메인 매트릭스(10)의 소위 겔 포인트인 약 150℃의 온도에서, 또한 베타 결정체 구조를 갖는 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)는 용융되기 시작한다. 특정 시간 동안, 바람직하게는 20분 동안 온도가 약 190℃에서 일정하게 유지되는 도 2a 또는 도 2b에 도시된 유지 단계에서, 우선 플라스틱 메인 매트릭스(10)와 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)는 모두 용융된 상태로 존재하고, 이 경우 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)와 플라스틱 메인 매트릭스(10) 사이의 상 경계면은 더 이상 검출될 수 없다. 고온에서의 유지 단계 동안, 플라스틱 메인 매트릭스(10)의 경화 및 이에 따른 플라스틱 메인 매트릭스(10)의 가교 결합이 발생한다.
유지 단계의 경과 이후에 냉각 단계가 시작되고, 이 경우 190℃의 온도에서 시작하여 바람직하게는 10 K/min의 냉각 속도로 냉각된다. 유지 단계 동안의 이전에 진행된 가교 결합을 통해 플라스틱 메인 매트릭스(10)의 강도 및 밀도(자유 부피의 감소)가 증가된다. 냉각 공정 중에 바람직하게는 약 125℃에서의 플라스틱 메인 매트릭스(10)의 유리 온도의 영역에서 베타-핵 생성된 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)의 재결정이 시작된다. 따라서 예를 들어 적층 철심, 와이어 권선, 스위칭 링 등과 같은 몰딩된 전자 컴포넌트의 열적인, 특히 냉각으로 인한 수축, 특히 열 수축을 통해 냉각 단계 동안, 플라스틱 메인 매트릭스(10) 및 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)로 형성되는 적용된 몰딩 컴파운드(100) 내로 재료 응력이 유도된다. 발생된 재료 응력의 감소를 위해, 플라스틱 메인 매트릭스(10)에서 재료 응력을 통해 발생된 힘은 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11) 내로 도입된다. 이 경우, 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)는 기계적으로 연성으로 반응하고, 도 3a 및 도 3b에서 사행 모양의 구조로 볼 수 있는 바와 같이 다공성 구조를 형성하므로, 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)는 연신을 통해 재료 응력을 감소시킨다. 냉각 단계 이후에, 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)는 완전히 결정화되고 연신되어 존재한다. 또한, 플라스틱 메인 매트릭스(10)는 완전히 경화되어, 플라스틱 메인 매트릭스(10)에서 발생된 재료 응력이 실질적으로 감소된다. 따라서, 몰딩 컴파운드(100)는 더 이상 변형될 수 없다.
본 발명은 그 실시가 상기 명시된 바람직한 실시예로 제한되지는 않는다. 오히려 근본적으로 다른 유형의 실시에서도 설명된 해결 방안을 사용하는 다양한 변형예가 고려될 수 있다. 공간적 배치 및 방법 단계의 구조적인 세부 사항을 포함하여, 청구항, 상세한 설명 또는 도면으로부터 나타나는 모든 특징 및/또는 이점은 그 자체로 그리고 가장 다양한 조합으로 본 발명의 본질적인 것이다.
100 : 몰딩 컴파운드 10 : 플라스틱 메인 매트릭스
11 : 폴리프로필렌 플라스틱 입자 12 : 핵 생성제

Claims (10)

  1. 플라스틱 메인 매트릭스(10)를 구비한, 전자 컴포넌트를 위한 몰딩 컴파운드(100)로서,
    상기 플라스틱 메인 매트릭스(10) 내에는 베타 결정체 구조를 갖는 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)가 도입되는 것인 몰딩 컴파운드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)는 친수화제 또는 플라즈마 처리로 사전 처리되는 것을 특징으로 하는 몰딩 컴파운드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)는 섬유 형태로 또는 분말 형태로 상기 플라스틱 메인 매트릭스(10) 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 몰딩 컴파운드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 섬유 형태로 도입된 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)는 50 ㎚ 내지 500 ㎛의 섬유 직경을 포함하는 것을 특징으로 하는 몰딩 컴파운드.
  5. 제3항에 있어서, 상기 분말 형태로 도입된 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)는 0.1 ㎛ 내지 1000 ㎛의 입자 직경을 포함하는 것을 특징으로 하는 몰딩 컴파운드.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라스틱 메인 매트릭스(10)는 열경화성 플라스틱으로 형성되는 것을 특징으로 하는 몰딩 컴파운드.
  7. 제6항에 있어서, 상기 열경화성 플라스틱은 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐 에스테르 수지, 멜라민-포름알데히드 수지, 폴리이미드 수지, 이소시아네이트 수지, 또는 이소시아누레이트 수지인 것을 특징으로 하는 몰딩 컴파운드.
  8. 몰딩 컴파운드(100)를 제조하는 방법으로서,
    플라스틱 메인 매트릭스(10) 내로 베타 결정체 구조를 갖는 폴리프로필렌 플라스틱 입자(11)가 도입되는 것인 방법.
  9. 적어도 하나의 전자 부품과,
    상기 적어도 하나의 전자 부품을 고정된 위치에 고정하기 위해 제1항 또는 제2항에 따라 형성된 몰딩 컴파운드(100)
    를 포함하는 전자 컴포넌트.
  10. 제9항에 따른 전자 컴포넌트를 포함하는 자동차.
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