ES2247200T3 - Masa de relleno conductora de calor. - Google Patents
Masa de relleno conductora de calor.Info
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Abstract
Masa de relleno sobre la base de una resina que se endurece a través de una reacción química, que contiene un componente de resina epóxido (A), un componente que contiene silicona (B), una substancia de relleno (C), a través de la cual se puede ajustar esencialmente la conductividad térmica de la masa de relleno, y un iniciador (D), caracterizada porque la substancia de relleno presenta una mezcla de dos o más componentes de materiales diferentes, y porque uno de los componentes de materiales es carburo de silicio, presentando la masa de relleno una conductividad térmica de >= 2 W/mk.
Description
Masa de relleno conductora de calor.
La invención se refiere a una masa de relleno
según la reivindicación 1 y a su utilización.
Las masas de relleno sobre la base de una resina,
que se endurece a través de una reacción química. Juegan un papel
importante en la fabricación de módulos y componentes técnicos. En
este caso, se emplean, entre otras cosas, para fines de aislamiento
en módulos eléctricos o electrónicos. Si se calientan tales módulos
durante su funcionamiento, entonces debe proporcionarse una
disipación de calor suficiente. Si aparece calor directamente en
las bandas de circuitos impresos del módulo, entonces es deseable
para su aislamiento o fijación mecánica el empleo de masas de
relleno, que tienen una capacidad de carga alta y presentan una
alta conductividad térmica.
Se conocen a partir del documento DE 41 38 411 C2
masas de relleno que se endurecen, que sirven, entre otras cosas,
para la fijación mecánica y la disipación de calor para
arrollamientos de generadores refrigerados con agua. Las masas de
relleno descritas allí están realizadas, sin embargo, como sistema
de dos componentes y presentan una conductividad térmica entre 0,8 y
1,8 W/mK.
En los sistemas de dos componentes, uno de los
componentes es un agente de endurecimiento, se mezcla con el otro
componente, que contiene resinas de reacción, substancias de
relleno, etc., y se procesa inmediatamente. Esto es desfavorable,
puesto que la preparación de la masa de relleno debe integrarse en
el proceso de procesamiento y no es posible un almacenamiento, por
ejemplo, entre 3 y 12 meses en el estado preparado para el empleo a
temperatura ambiente. Otro inconvenientes consiste en la seguridad
en el trabajo, que solamente se puede garantizar con mucho gasto
técnico, en contacto con el componente de endurecimiento, puesto
que, como componentes de endurecimiento, se emplean con frecuencia
compuestos nocivos para la salud o irritantes, como anhídridos de
ácido carboxílico o aminas. Por este motivo, es deseable el
desarrollo de masas de relleno, por decirlo así, como sistemas de un
componente, que se pueden almacenar durante un periodo de tiempo
prolongado en el estado ya premezclado.
La presente invención tiene el cometido de
preparar una masa de relleno, que se puede almacenar como sistema de
un componente y se puede procesar directamente, que muestra una
buena capacidad de fluencia durante el procesamiento y presenta una
alta capacidad de carga térmica y conductividad de calor en el
estado endurecido.
El cometido en el que se basa la invención se
soluciona, según la invención, a través de la preparación de una
masa de relleno, que se puede procesar como sistema de un
componente que, condicionado por la selección de la mezcla de la
substancia de relleno, presenta una conductividad térmica \geq 2,0
W/mK. Esta masa de relleno se caracteriza por una viscosidad baja y
por una buena acción capilar durante el procesamiento y muestra, en
el estado endurecido, una conductividad térmica tan alta que es
adecuada para la disipación de calor durante el funcionamiento de
módulos eléctricos o bien electrónicos. Además, la masa de relleno
es resistente a las grietas en el estado endurecido y tiene una
alta capacidad de carga térmica.
Con las medidas indicadas en las reivindicaciones
dependientes son posibles desarrollos ventajosos de la masa de
relleno según la invención.
De esta manera, la masa de relleno presenta un
tiempo de endurecimiento corto y un perfil de reacción favorable y,
por lo tanto, se puede procesar bien. Esto se consigue a través de
la selección de un iniciador adecuado, que comprende un agente de
reticulación catiónico y un co-catalizador.
En una forma de realización especialmente
ventajosa, la masa de relleno presenta una porción de hasta 95% en
peso de una substancia de relleno, que contiene una mezcla de
componentes materiales con una distribución definida de los tamaños
de los granos. Esto garantiza una conductividad térmica
especialmente alta de la masa de relleno, sin que se eleve la
viscosidad de la masa de relleno en una medida no deseable durante
el procesamiento.
Las masas de relleno según la presente invención
presentan cuatro componentes básicos, a saber, un componente de
resina epóxido A, un componente B que contiene silicona, una
substancia de relleno C y un iniciador D. Además, están previstos
otros componentes, que encuentran aplicación habitualmente en masas
de relleno del tipo indicado al principio, como por ejemplo agentes
antiespumantes, agentes inhibidores de la sedimentación y
adhesivos, cuya utilización es conocida por el técnico.
En general, se puede observar que las masas de
relleno deben formar un sistema estable antes y durante el
procesamiento, para impedir una desmezcla de los componentes. Así,
por ejemplo, las partículas de substancias de relleno deberían
formar una dispersión estable con los componentes de resina epóxido
y los componentes de resina epóxido deberían formar de nuevo
emulsiones estables entre sí. Esta estabilidad debe garantizarse
tanto durante el procesamiento como también durante el
endurecimiento de las masas de relleno.
Como componente de resina epóxido A se pueden
utilizar, en principio, una pluralidad de compuestos monómeros u
oligómeros, que presentan al menos dos funciones epóxido, solos o
en mezcla con otros compuestos con o sin función epóxido. No
obstante, especialmente ventajosa es la utilización de di, tri o
tetraepóxidos, siendo indicados, a modo de ejemplo, los siguientes
compuestos que se pueden obtener en el comercio:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
El componente de resina epóxido A puede
comprender uno o varios de los compuestos (I) a (VI) así como otros
componentes. Se han revelado como especialmente adecuados
diepóxidos cicloalifáticos, epoxidados en el anillo, como por
ejemplo (I) y (VI). El componente de resina epóxido A está contenido
en la masa de relleno entre 4 y 25% en peso, de una manera
preferida entre 15 y 20% en peso.
El componente B que contiene silicona, que está
contenido, además, en la masa de relleno, representa una dispersión
o emulsión de una o varias siliconas en una resina epóxido. Como
siliconas se contemplan aceites de silicona, copolímeros en bloque
de silicona o partículas de silicona. De una manera preferida, se
utilizan partículas de silicona en forma de partículas de resina de
silicona o de elastómero de silicona con un diámetro de las
partículas entre 10 nm y 100 \mum. Las partículas de silicona
pueden presentar, en principio, una superficie modificada
químicamente en forma de una capa de polímero de PMMA (las llamadas
partículas de núcleo y cáscara); no obstante, se ha mostrado que
las partículas de silicona no tratadas o bien funcionalizadas en la
superficie son más adecuadas para el cometido en el que se basa la
invención. Como resina epóxido se pueden utilizar, en principio,
todos los compuestos que presentan al menos dos funciones epóxido,
solos o en mezclas con otros compuestos con y sin función epóxido.
No obstante, es especialmente ventajosa la utilización de uno o
varios de los diepóxidos (I) a (VI) mencionados anteriormente. El
componente B que contiene silicona contiene entre 10 y 80% en peso
de silicona, de una manera preferida una porción de 40% en peso. La
masa de relleno contiene entre 0,5 y 25% en peso del componente B
que contiene silicona.
La masa de relleno contiene, además, una mezcla
de substancia de relleno C, a través de cuya selección adecuada, de
las distribuciones de los tamaños de los granos y de la cantidad
porcentual en la masa de relleno, se puede ajustar la conductividad
térmica de la masa de relleno en el estado endurecido y se puede
evitar un desequilibrio de la masa de relleno durante el
procesamiento. De esta manera son adecuados sobre todo carburo de
silicio y óxidos de elementos de grupos principales, como óxido de
aluminio o harina de cuarzo en mezclas como substancia de relleno C.
Se ha revelado como especialmente adecuada la utilización de una
mezcla de carburo de silicio y óxido de aluminio, jugando un papel
esencial el tamaño de los granos de las partículas de las
substancias de relleno utilizadas. En este caso, las masas de
relleno, que contienen carburo de silicio con una distribución de
los tamaños de los granos d_{50} entre 10 y 600 \mum y óxido de
aluminio con una distribución de los tamaños de los granos d_{50}
entre 0,1 y 50 \mum o bien entre 0,1 y 10 \mum, muestran la
conductividad térmica y la resistencia a la rotura deseadas de una
manera especialmente característica. También es ventajosa la
utilización de óxido de aluminio con dos o más distribuciones
diferentes de los tamaños de los granos. La conductividad térmica
del óxido de aluminio como tal es 28 W/mK, la del carburo de silicio
está entre 110 y 126 W/mK y la de la harina de cuarzo es 3,5 W/mK.
La substancia de relleno C está contenida en la masa de relleno
entre 60 y 90% en peso, siendo preferida una porción entre 80 y 90%
en peso.
Como cuarto componente D, la masa de relleno
contiene un iniciador, que posibilita una reacción suficientemente
rápida a temperatura elevada. Como iniciador se contemplan tanto
iniciadores térmicos como también fotoiniciadores. Para garantizar
que la masa de relleno se pueda procesar como sistema de un
componente, ha sido seleccionado como iniciador un agente de
reticulación catiónico. Éste puede ser, por ejemplo, un compuesto
quinolinio, sulfonio, yodonio o boro - yodonio. Éstos conducen a una
polimerización catiónica de la resina epóxido. El iniciador puede
contener, además, también un co-catalizador, que
sirve sobre todo para la reducción de la temperatura inicial de la
reacción. Éste puede ser un formador de radicales, como por ejemplo
benzopinacol. La selección del iniciador determina esencialmente el
desarrollo de la reacción del endurecimiento. La combinación de un
agente de reticulación catiónico con un
co-catalizador conduce a un perfil adecuado de la
velocidad de la reacción, que está caracterizado por una
temperatura de reacción óptima estrechamente limitadora, en la que
la reacción se desarrolla de una manera vigorosa, sin que se inicie
una reacción retardada ya a temperaturas más bajas, como por
ejemplo a temperatura ambiente. Esto es, además, una condición
previa para la capacidad de almacenamiento del sistema de un
componente a temperatura ambiente.
El procesamiento de la masa de relleno para
obtener una pieza moldeada se lleva a cabo a temperatura elevada. La
masa de relleno presenta, con un calentamiento correspondiente, una
viscosidad tan reducida y una acción capilar tan alta que se pueden
moldear durante la fundición también geometrías desfavorables como
intersticios de fundición con un diámetro a < 200 \mum. Así,
por ejemplo, la viscosidad de la masa de relleno a 50ºC está
aproximadamente entre 50000 y 160000 mPas en el estado no
endurecido. La masa de relleno fundida se expone a una temperatura
entre 125 y 160ºC, para conseguir una gelificación de la masa de
relleno: a continuación se eleva la temperatura entre 160 y 240ºC
para el endurecimiento de la pieza fundida. Los tiempos de
gelificación y de endurecimiento están, según la temperatura
seleccionada, entre 5 minutos y 6 horas. Las masas de relleno que
resultan en este caso presentan, después del endurecimiento, el
siguiente perfil general de propiedades:
- desequilibrio lineal: 5%
- temperatura de transición vítrea: entre 160 y
190ºC
- coeficiente de dilatación térmica: entre 15 y
20º*10^{-6} 1/ºC
- conductividad térmica: entre 3 y 3m5 W/m*K
- resistencia al aislamiento: > 1*10^{12}
\Omega
\newpage
A modo de ejemplo se representan a continuación
ejemplos de realización de masas de relleno o bien sus composiciones
y sus propiedades resultantes en el estado endurecido.
| Ejemplo de realización | Partes en peso | Ejemplo de realización 2 | Partes en peso | |
| Resina | Resina EP cicloalifática | 88 | Resinas EP cicloalifática | 81 |
| Modificación | Emulsión de resina EP | 12 | Emulsión de resina EP | |
| cicloalifática con partículas | cicloalifática con partículas | |||
| de elastómero - silicona | de elastómero - silicona | 19 | ||
| Substancia de | SiC, d_{50} = 161 \mum | 187 | SiC, d_{50} = 283 \mum | 235 |
| relleno 1 | ||||
| Substancia de | Al_{2}O_{3}d_{50} = 7 \mum | 210 | Al_{2}O_{3}d_{50} = 7 \mum | 193 |
| relleno 2 | ||||
| Substancia de | Al_{2}O_{3}d_{50} = 2,6 \mum | 70 | Al_{2}O_{3}d_{50} = 2,6 \mum | 74 |
| relleno 3 |
Las composiciones se indican en partes en peso,
el iniciador se añade en concentraciones muy reducidas entre 0,1 y
5% en peso. Las composiciones mencionadas anteriormente dan como
resultado el siguiente perfil de propiedades:
| Ejemplo de realización 1 | Ejemplo de realización 2 | |
| Viscosidad 50ºC | 72.000 mPas | 150.000 mPas |
| Temperatura de transición vítrea Tg | 170ºC | 180ºC |
| Coeficiente de dilatación térmica, \alpha | 18 * 10^{-6}1/ºC | 17 * 10^{-6}1/ºC |
| Conductividad térmica | 3,0 W/mK | 3,4 W/mK |
| Resistencia al aislamiento 1000 V | > 190 * 10^{12} \Omega | > 1 * 10^{12} \Omega |
En virtud de su alta conductividad térmica, la
masa de relleno es adecuada sobre todo para aplicaciones, en las que
el componente eléctrico o electrónico debe calentarse mucho o
refrigerarse durante el funcionamiento. Esto afecta sobre todo a
arrollamientos en generadores, por ejemplo para generadores
eléctricos.
Claims (15)
1. Masa de relleno sobre la base de una resina
que se endurece a través de una reacción química, que contiene un
componente de resina epóxido (A), un componente que contiene
silicona (B), una substancia de relleno (C), a través de la cual se
puede ajustar esencialmente la conductividad térmica de la masa de
relleno, y un iniciador (D), caracterizada porque la
substancia de relleno presenta una mezcla de dos o más componentes
de materiales diferentes, y porque uno de los componentes de
materiales es carburo de silicio, presentando la masa de relleno
una conductividad térmica de \geq 2 W/mk.
2. Masa de relleno según la reivindicación 1,
caracterizada porque el carburo de silicio presenta una
distribución de los tamaños de los granos d_{50} entre 10 y 600
\mum.
3. Masa de relleno según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque como componente
de material está previsto un óxido de elemento de grupo
principal.
4. Masa de relleno según la reivindicación 3,
caracterizada porque el óxido de elemento de grupo principal
es óxido de aluminio con una distribución de los tamaños de los
granos d_{50} entre 0,1 y 100 \mum.
5. Masa de relleno según la reivindicación 3 ó 4,
caracterizada porque como primer componente de material está
previsto óxido de aluminio de una primera distribución de los
tamaños de los granos y como segundo elemento de material está
previsto óxido de aluminio de una segunda distribución de los
tamaños de los granos.
6. Masa de relleno según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la
substancia de relleno (C) está contenida en la masa de rellano
entre 60 y 95% en peso.
7. Masa de relleno según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el
componente de resina epóxido (A) es una resina epóxido sobre la
base de un di o triepóxido.
8. Masa de relleno según la reivindicación 8,
caracterizada porque el componente de resina epóxido (A) es
una resina epóxido sobre la base de un diepóxido
cicloalifático.
9. Masa de relleno según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el
componente (B) que contiene silicona es una dispersión de
partículas de elastómero de silicona en una resina epóxido que se
basa en diepóxido.
10. Masa de relleno según la reivindicación 9,
caracterizada porque las partículas de elastómero de
silicona presentan un diámetro de las partículas entre 10 nm y 100
\mum.
11. Masa de relleno según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el
iniciador (D) comprende un agente de reticulación catiónico.
12. Masa de relleno según la reivindicación 11,
caracterizada porque el agente de reticulación catiónico es
un boro-yodonio y/o un compuesto quinolinio.
13. Masa de relleno según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la masa de
relleno se puede procesar como sistema de un componente.
14. Utilización de una masa de relleno según una
de las reivindicaciones 1 a 13 para la disipación de energía
térmica desde componentes eléctricos.
15. Utilización de una masa de relleno según una
de las reivindicaciones 1 a 13 en arrollamientos de generadores,
especialmente en generadores eléctricos de automóviles.
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