DE3522084A1

DE3522084A1 - Plastic composition which is an electrical insulator and a good heat conductor and contains aluminium powder particles as filler, and a process for the preparation thereof

Info

Publication number: DE3522084A1
Application number: DE19853522084
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Leute; Hans F Dr Schmidt; Constanze Lindner-Schaedlich; Reinhold Dipl Ing Stefan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-06-20
Filing date: 1985-06-20
Publication date: 1987-01-02

Abstract

In order to improve the mechanical strength, heat resistance and shear strength during the processing of plastic compositions containing aluminium powder particles as filler, the particles are virtually round, have a diameter of < 200 mu m and are covered on all sides by a chromatized surface layer. The plastic compositions are used for heat conduction and simultaneous electrical insulation of electrical and electronic components and equipment.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch isolierende, gut wärmeleitende Kunststoffmasse mit als Füllstoff enthaltenen Aluminiumpulverpartikeln.The invention relates to an electrically insulating, good thermally conductive plastic compound with filler Aluminum powder particles.

Zur Ableitung von Verlustwärme, die in elektronischen und elektrischen Bauelementen, Schaltungen und Geräten entsteht, werden Kunststoffe benötigt, die zugleich elektrisch isolierend sind und eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit von mindestens 2 W/m.K (=Watt/meter Kelvin) besitzen.To dissipate heat lost in electronic and electrical components, circuits and devices arises, plastics are needed that at the same time are electrically insulating and have a relatively high thermal conductivity of at least 2 W / m.K (= watt / meter Kelvin).

Die Wärmeleitfähigkeit ungefüllter, nicht geschäumter Kunststoffe liegt zwischen etwa 0,2 und 0,5 W/m.K. Bei duroplastischen Preß- oder Vergußmassen werden durch Zugabe von ca. 70 Gew.% Quarz Werte um 2 W/m.K erreicht. Thermoplaste mit derartigen Füllgraden an elektrisch isolierenden, aber gut wärmeleitenden und damit in der Regel sehr harten Füllstoffen werden kaum eingesetzt, da erhebliche Verarbeitungsprobleme (Abrasion) auftreten.The thermal conductivity of unfilled, not foamed Plastics is between about 0.2 and 0.5 W / m.K. At thermosetting molding or potting compounds are made by Addition of approx. 70 wt.% Quartz values around 2 W / m.K reached. Thermoplastics with such filling levels on electrical insulating, but good thermal conductivity and therefore in the Usually very hard fillers are hardly used because considerable processing problems (abrasion) occur.

Metallpulver, dessen Partikel von einem vernetzten Polymeren umhüllt sind, so daß eine isolierende und bei Scherung beständige Schicht vorliegt, können für Kunststoffmassen mit hoher Wärmeleitfähigkeit bei guter elektrischer Isolation eingesetzt werden.Metal powder, its particles from a cross-linked polymer are wrapped so that an insulating and at Shear resistant layer is available for plastic masses with high thermal conductivity with good electrical insulation.

Eine solche Kunststoffmasse ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 34 42 031.1 vorgeschlagen worden. Dabei wird ein Füllstoff verwendet, der aus in möglichst dichter Packung vorliegenden Metallkörnern besteht, die mit einer allseitig durch Vernetzen hergestellten Kunststoffumhüllung versehen sind.Such a plastic mass is for example in the German patent application P 34 42 031.1 proposed been. A filler is used which consists of in as dense packing of metal grains as possible exists, which is produced by cross-linking with all sides Plastic cover are provided.

In der deutschen Patentanmeldung P 34 21 105 wird ein Thermoplast mit den eingangs genannten Eigenschaften vorgeschlagen, der Aluminiumpulverpartikel enthält, die an ihrer Oberfläche mit vernetzten Polyolefinen umhüllt sind.In German patent application P 34 21 105 a Thermoplastic with the properties mentioned above proposed that contains aluminum powder particles coated on its surface with cross-linked polyolefins are.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, besteht in der Schaffung einer spritz-, gieß- und/oder preßbaren Kunststoffmasse mit einem Füllstoff auf der Basis von Aluminiumpulverpartikeln, der folgenden Anforderungen gerecht wird:The object on which the invention is based consists in the creation of a sprayable, pourable and / or pressable Plastic compound with a filler based on Aluminum powder particles, the following requirements does justice:

1. Elektrische Isolation bei Durchschlagsspannungen ≦λτ100V,1. Electrical insulation at breakdown voltages ≦ λτ100V,
2. ausreichende Temperaturbeständigkeit (≦λτ120°C),2. sufficient temperature resistance (≦ λτ120 ° C),
3. hohe Wärmeleitfähigkeit (2...10 W/m.K),3. high thermal conductivity (2 ... 10 W / m.K),
4. ausreichende Scherfestigkeit bei der Verarbeitung und4. sufficient shear strength during processing and
5. einfache Herstellung der Partikel.5. Easy production of the particles.

Diese Aufgabe wird durch einen Füllstoff in einer Kunststoffmasse der eingangs genannten Art gelöst, der erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:This task is accomplished by a filler in a plastic mass solved the type mentioned, the invention is characterized by the following features:

a) Die Partikel aus Aluminium sind nahezu rund,a) The aluminum particles are almost round,
b) sie weisen einen Durchmesser ≦ωτ200 µm auf undb) they have a diameter ≦ ωτ200 µm and
c) sie enthalten allseitig eine chromatisierte Oberflächenschicht.c) they contain a chromated surface layer on all sides.

Aluminium wird wegen seiner Weichheit und die Chromatschicht wegen ihrer guten elektrischen Isolation verwendet (Schichten aus Oxiden, Hydroxiden und Phosphaten haben die Anforderungen nicht erfüllt). Aluminum is used because of its softness and the chromate layer used because of their good electrical insulation (Layers of oxides, hydroxides and phosphates have not met the requirements).

Da die an der Oberfläche der Aluminiumpulverpartikel erzeugte Chromatschicht auch eine gewisse Scherempfindlichkeit aufweist, liegt es im Rahmen der Erfindung, daß bei einem Verfahren zum Herstellen einer Kunststoffmasse auf der Basis von Thermoplasten der Füllstoff bei der Compoundierung mittels Extruder durch eine zweite Einzugszone direkt in die Schmelze dosiert wird. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Compoundierens kann der deutschen Patentanmeldung P 35 14 854.3 (Doppelschnecken- Extruder) entnommen werden.Because the generated on the surface of the aluminum powder particles Chromate layer also a certain shear sensitivity has, it is within the scope of the invention that in a method for producing a plastic mass on the basis of thermoplastics the filler at the Compounding using an extruder through a second feed zone is dosed directly into the melt. A device to carry out the compounding German patent application P 35 14 854.3 (twin screw Extruder) are removed.

Beim Spritzgießen des Thermoplasten sind Punktangüsse, geringe Wanddicken und ähnliche, hohe Scherung verursachende Bereiche zu vermeiden.When injection molding the thermoplastic, there are point gates, small wall thicknesses and similar, high shear causing Avoid areas.

Bei thermoplastischer Verarbeitung ist für das elektrische Isolationsvermögen ausschlaggebend, daß keine zu großen, deutlich über ≦ωτ200 µm liegenden Partikel anwesend sind, da diese zerschert und damit "abisoliert" werden.With thermoplastic processing is for the electrical Isolation ability crucial that none too large particles well above ≦ ωτ200 µm present because it shatters and is therefore "stripped" will.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden:In the following, the invention is to be illustrated using two exemplary embodiments are explained in more detail:

1. Kunststoffmasse auf Epoxidharzbasis1. Plastic compound based on epoxy resin

Aluminiumpulver (leicht oxidiert) mit einer Korngröße im Bereich von 180 µm wird durch Einbringen in eine Lösung von Chromsäure, Flußsäure und Salpetersäure (pH-Wert 1,95) unter Verwendung eines Magnetrührers an seiner Oberfläche chromatisiert (Schichtdicke 0,25 µm), anschließend gewaschen und getrocknet und in Epoxidharz eingemischt. An dem fertigen Produkt konnte eine Wärmeleitfähigkeit von 3,2 W/m.K bei einem elektrischen Durchgangswiderstand von 10⁹ Ohm.m gemessen werden; das Produkt hielt eine elektrische Gleichspannung von ≦λτ500 V aus. Diese Werte wurden mit einem Volumenanteil von 47 % chromatisiertem Aluminium erzielt. Das Material ist preßfähig, aber nicht gießbar.Aluminum powder (slightly oxidized) with a grain size in the range of 180 microns is chromatographed on its surface (layer thickness 0.25 microns) by introducing it into a solution of chromic acid, hydrofluoric acid and nitric acid (pH 1.95) using a magnetic stirrer, then washed and dried and mixed in epoxy resin. A thermal conductivity of 3.2 W / mK with an electrical volume resistance of 10 ⁹ Ohm.m could be measured on the finished product; the product withstood an electrical direct voltage of ≦ λτ500 V. These values were achieved with a volume fraction of 47% chromated aluminum. The material is pressable, but not pourable.
2. Kunststoffmasse auf Polyamidbasis2. Plastic mass based on polyamide
Chromatisiertes Aluminiumpulver (Herstellung wie bei Ausführungsbeispiel 1) angegeben) wird in Polyamid 6 (=Polyamid mit 6 Kohlenstoffatomen in Monomeren) eingearbeitet, wobei die Scherung nicht zu hoch sein darf. An daraus im Spritzgießverfahren hergestellten Proben mit einem Volumenanteil von 40% chromatisiertem Aluminiumpulver wurde eine Wärmeleitfähigkeit von 2 W/m.K gemessen. Die Isolationswerte sind vergleichbar mit denen von Ausführungsbeispiel 1.Chromated aluminum powder (production as for Embodiment 1) is given) in polyamide 6 (= Polyamide with 6 carbon atoms in monomers), whereby the shear must not be too high. On samples made from it by injection molding with a volume share of 40% chromated aluminum powder a thermal conductivity of 2 W / m.K was measured. The insulation values are comparable to those of embodiment 1.

Claims

1. Elektrisch isolierende, gut wärmeleitende Kunststoffmasse mit als Füllstoff enthaltenen Aluminiumpulverpartikeln, dadurch gekennzeichnet, daß1. Electrically insulating, good heat-conducting plastic compound with aluminum powder particles contained as filler, characterized in that

a) die Partikel nahezu rund sind,a) the particles are almost round,

b) einen Durchmesser ≦ωτ200 µm aufweisen undb) have a diameter ≦ ωτ200 µm and

c) allseitig eine chromatisierte Oberflächenschicht enthalten.c) a chromated surface layer on all sides contain.

2. Elektrisch isolierende, gut wärmeleitende Kunststoffmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der chromatisierten Oberflächenschicht ≦ωτ1 µm beträgt.2. Electrically insulating, good heat-conducting plastic compound according to claim 1, characterized in that the thickness of the chromatized Surface layer ≦ ωτ1 µm.

3. Verfahren zum Herstellen einer elektrisch isolierenden, gut wärmeleitenden Kunststoffmasse auf der Basis von Thermoplasten nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff bei der Compoundierung mittels Extruder durch eine zweite Einzugszone direkt in die Schmelze dosiert wird.3. Method for producing an electrically insulating, good heat-conducting plastic compound on the base of thermoplastics according to claim 1 and / or 2, characterized characterized that the filler when compounding using an extruder through a second feed zone is metered directly into the melt.

4. Verwendung von Kunststoffmassen nach den Ansprüchen 1 bis 3 zur Wärmeableitung und zur gleichzeitigen Isolierung bei elektrischen und elektronischen Bauelementen, Baugruppen und Geräten.4. Use of plastic compositions according to claims 1 up to 3 for heat dissipation and simultaneous insulation for electrical and electronic components, Assemblies and devices.