Évaluation des époxydes électriquement isolants

Les époxydes sont des systèmes polymères polyvalents qui sont des "matériaux incontournables" pour les systèmes électriques, électroniques et microélectroniques, en particulier dans les applications où des propriétés d'isolation électrique exceptionnelles sont nécessaires. Leur large utilisation est due à leur excellente adhérence à une grande variété de substrats, à leur excellente résistance chimique et thermique et à leur durabilité à long terme. Ils sont utilisables pour les applications de collage, d'étanchéité, de revêtement et d'encapsulation/enrobage.

L'objectif principal de cet article est double; la première consiste à discuter des propriétés d'isolation électrique en ce qui concerne les époxydes. L'autre consiste à approfondir la variation de ces propriétés, en fonction de la chimie du système (notamment le rôle du durcisseur) ainsi que des conditions opératoires de l'application.

Avant le durcissement, un époxy se compose d'une résine et d'un agent de durcissement qui, lorsqu'ils sont mélangés, polymérisent et forment une matrice durcie. Il existe de nombreux types de résines époxy et d'agents de durcissement. Lorsqu'ils sont combinés, ils créent des motifs de réticulation distincts résultant en différents attributs du système polymérisé. Le choix de l'agent de durcissement dépend non seulement des valeurs d'isolation électrique souhaitées, mais également d'autres paramètres tels que les températures de fonctionnement, la résistance chimique et les exigences de résistance physique, entre autres. Une autre considération dans le choix du durcisseur est d'évaluer ses capacités de traitement et ses contraintes. Nous commencerons par discuter de certaines des propriétés fondamentales de l'isolation électrique, c'est-à-dire la constante diélectrique, le facteur de dissipation, la rigidité diélectrique et la résistivité volumique. Nous allons ensuite corréler ces valeurs en termes de traitement aux propriétés ultimes obtenues avec divers groupes d'agents de durcissement, y compris les amines aliphatiques, les polyamides, les amines cycloaliphatiques, les amines aromatiques, les anhydrides, les acides de Lewis et les imidazoles.

Également connue sous le nom de permittivité relative, la constante diélectrique indique la capacité d'un matériau à stocker de l'énergie électrique en réponse à un champ électrique. C'est un nombre sans dimension défini comme le rapport de la permittivité d'un matériau par rapport à celle d'un vide, où la permittivité est une mesure de l'énergie électrique stockée à la suite d'une tension appliquée. Généralement, une faible valeur (2-5) est souhaitable pour les époxy et autres matériaux destinés à être utilisés comme isolants électriques, bien que dans certaines applications, une constante diélectrique de niveau moyen (6-12) soit requise.

La méthode d'essai standard pour mesurer la constante diélectrique d'un matériau isolant électrique solide est la norme ASTM D150. Il s'agit de placer un échantillon du matériau entre deux plaques de condensateur et de mesurer la capacité résultante - la capacité de stocker une charge électrique. Ceci est ensuite comparé à la capacité des mêmes plaques avec de l'air ou un vide entre elles. Le rapport résultant est la constante diélectrique du matériau.

Pour un système époxy durci, la constante diélectrique varie avec la température, la fréquence et la charge. Par exemple, un système particulier peut avoir une constante diélectrique qui augmente avec la température (3,46 à 23 °C, 3,55 à 100 °C et 4,24 à 150 °C) pour une application à 60 Hz, mais fluctue avec la température (3,28 à 23 °C, 2,99 à 100 °C et 3,87 à 150 °C) pour une application à 1 KHz. En général, mais pas toujours, la constante diélectrique augmente avec des températures plus élevées et diminue avec des fréquences plus élevées. Essentiellement, les époxy perdent une partie de leurs capacités d'isolation à des températures plus élevées, mais présentent de meilleures propriétés d'isolation pour des fréquences plus élevées. L'ajout de particules de charge minérale augmente légèrement la constante diélectrique d'un système époxy particulier, tandis que les charges métalliques auront un impact plus notable.

Le facteur de dissipation (DF) est une mesure de la perte de puissance dans un matériau soumis à un champ électrique alternatif. Selon la norme ASTM D150, le DF est le rapport de la puissance dissipée à la puissance appliquée. (Une norme supplémentaire, ASTM D2520, est recommandée pour caractériser le DF aux fréquences micro-ondes.) Un DF inférieur est souhaitable afin de réduire l'échauffement du matériau et de minimiser l'impact sur le circuit environnant. Le facteur de dissipation peut être une mesure très utile d'autres caractéristiques d'un matériau, telles que le degré de durcissement, les vides, la teneur en humidité et la contamination. Au fil du temps, un changement significatif de DF peut se produire lorsque les conditions de fonctionnement sont trop sévères pour le système durci.

Le DF est généralement de 0,003 à 0,030 à 1 KHz et jusqu'à 0,050 à 1 MHz. Aux températures ambiantes, DF (dans la plupart des cas) augmente à mesure que la fréquence augmente. Lorsque la température augmente, l'effet sur DF varie considérablement en fonction de la fréquence de fonctionnement et de la chimie spécifique. Par exemple, à 1 KHz, le facteur de dissipation d'un système particulier passe d'environ 0,02 à moins de 0,01 lorsque la température augmente de la température ambiante à 125 °C, moment auquel le DF augmente considérablement, atteignant presque 0,8. Pour le même système fonctionnant à 8,5 × 109 Hz, le DF augmente doucement à partir de 0,02 puis se stabilise en dessous de 0,05 à mesure que la température augmente.

L'effet global des charges minérales est d'augmenter quelque peu le DF, bien que le degré de changement dépende fortement de la température et de la fréquence. Pour les charges métalliques, le DF augmente fortement.

Un autre critère important dans l'évaluation des propriétés d'isolation d'un époxy est la rigidité diélectrique, qui est souvent exprimée en volts/mil (1 mil = 0,001 pouce). Ceci est défini comme la tension maximale qui peut être appliquée à travers un échantillon du matériau sans provoquer de claquage diélectrique. La résistance du matériau en claquage diélectrique diminue rapidement et il devient électriquement conducteur.

ASTM D149 est le test standard utilisé pour déterminer la résistance diélectrique théorique. La méthode de test consiste à placer un échantillon du matériau entre deux électrodes dans de l'eau ou de l'huile et à appliquer une tension aux bornes des électrodes. La tension est ensuite augmentée à un taux uniforme à partir de zéro jusqu'au point auquel le matériau présente des perforations de brûlure ou commence à se décomposer. La tension de claquage résultante est divisée par l'épaisseur de l'échantillon pour dériver la rigidité diélectrique intrinsèque. Des valeurs plus élevées indiquent de meilleures caractéristiques d'isolation électrique.

En pratique, la rigidité diélectrique dépend fortement de l'épaisseur du matériau, les échantillons plus minces ayant des valeurs plus élevées par unité d'épaisseur. Par exemple, les valeurs de rigidité diélectrique pour les systèmes époxy pourraient être aussi élevées que 2 000 volts/mil pour un échantillon de 0,010", réduisant progressivement à environ 425-475 volts/mil pour un échantillon de 0,125". Les sections plus épaisses ont tendance à conserver cette valeur de rigidité diélectrique d'environ 425 à 475 volts/mil aux températures ambiantes. Ainsi, l'un des principaux facteurs d'évaluation de la résistance diélectrique d'un époxy est une élucidation très précise de la méthode d'essai utilisée en ce qui concerne l'épaisseur de l'époxy durci. La rigidité diélectrique diminue généralement lorsque la température ou la fréquence de fonctionnement augmente. Étant donné que la rigidité diélectrique dépend de l'application, il est important de valider les époxydes pour leur rigidité diélectrique pour des utilisations spécifiques, en particulier pour celles impliquant des courants élevés.

La plupart des charges minérales non conductrices ont peu d'effet sur la rigidité diélectrique de l'époxy, et les charges métalliques diminuent la rigidité diélectrique en fonction de la nature de la charge et de la charge de charge.

La résistivité est la capacité d'un matériau à résister au passage d'un courant électrique dans des conditions spécifiées de tension, de température et de temps appliqués. La résistivité de surface, exprimée en ohms, caractérise la résistance au courant de fuite le long de la surface d'un matériau, tandis que la résistivité volumique, exprimée en ohm-cm, mesure la résistance au courant de fuite à travers le corps d'un matériau. La norme ASTM D257 est une norme largement utilisée pour mesurer la résistivité volumique des matériaux isolants.

Pour les résines époxy non chargées, la résistivité volumique dépasse généralement 1012 ohm-cm à 25 °C. La plupart des charges minérales ont un effet marginal sur la résistivité volumique, tandis que certaines charges métalliques abaisseront la résistivité volumique. Les époxydes avec des charges importantes de certaines charges métalliques, telles que l'argent, sont d'excellents conducteurs électriques. D'autres charges métalliques, telles que l'acier inoxydable, réduiront la résistivité volumique, mais ne transformeront pas l'époxy en conducteur.

L'ajout de température a un effet intéressant sur les époxydes. Lorsque l'époxy est un isolant, une augmentation de la chaleur provoque une diminution de la résistivité volumique. Cependant, ajouter de la chaleur à un époxy électriquement conducteur augmente la résistivité volumique, c'est-à-dire provoque une baisse de la conductivité électrique.

Comme indiqué précédemment, la composition spécifique de la résine et de l'agent de durcissement a un impact profond sur les propriétés d'un système époxy durci. Nous référencerons la résine comme bisphénol A "de type standard". Il existe trois principaux types d'agents de durcissement pour les époxydes : les amines (les plus courantes), les anhydrides et les systèmes catalysés (acides de Lewis, généralement les trifluorures de bore et les imidizoles, entre autres) . Chaque groupe a, en partie, des caractéristiques d'isolation électrique distinctes. Ceux-ci sont considérés en conjonction avec leurs paramètres de traitement et de manipulation.

Historiquement et fonctionnellement, l'une des classes les plus importantes est celle des amines aliphatiques. Ils ont une viscosité plus faible, durcissent facilement à température ambiante et certains peuvent être utilisés pour des températures de fonctionnement continu jusqu'à 130 °C. Ils sont largement utilisés dans diverses applications de collage, d'étanchéité et d'enrobage et possèdent des propriétés d'isolation électrique exceptionnelles. De plus, leurs propriétés de résistance chimique et de résistance physique sont assez bonnes. Le rapport de mélange de ces amines aliphatiques a tendance à être irrégulier (par exemple : 100:12) et pas aussi indulgent que les autres systèmes d'amines. Bien qu'ils durcissent bien en sections minces, ils sont généralement exothermiques et ne sont généralement pas durcis au-delà de ¼" d'épaisseur.

Une deuxième catégorie d'amines est constituée d'adduits d'amines de poids moléculaire plus élevé (amido amines) - le plus courant étant l'agent de durcissement du polyamide. Ces agents de durcissement durcissent facilement à température ambiante mais ont tendance à avoir une viscosité plus élevée. Leurs rapports de mélange sont très indulgents et conviviaux (un rapport de mélange 1: 1 est assez courant pour cette classe). Ils font partie des meilleurs systèmes de durcissement à température ambiante en termes de propriétés d'isolation électrique. Cependant, la résistance à la température conférée au système n'est pas aussi élevée que leurs homologues aliphatiques. Ils sont généralement utilisables de la température ambiante à environ 100 °C en continu. Les polyamides ont des constantes diélectriques très faibles ainsi que d'autres valeurs d'isolation électrique exceptionnelles à température ambiante. Ils ne sont généralement pas exothermiques et peuvent être durcis facilement à des épaisseurs allant jusqu'à 2". En fait, il existe un sous-groupe dans cette classe avec une exothermie si faible qu'il peut être durci à des épaisseurs de 5-6". Une autre caractéristique intéressante est qu'elle confère un minimum de ténacité au système durci.

Un autre groupe important d'amines est les amines cycloaliphatiques. Comme les autres amines, elles ont de très bonnes propriétés d'isolation électrique. Avec une viscosité faible à modérée et un durcissement à température ambiante, la chaleur est généralement ajoutée pour optimiser leurs propriétés de durcissement. Cependant, la chaleur requise n'est pas particulièrement élevée (70-100 °C). Ils surpassent à la fois les polyamides et les amines aliphatiques en termes de résistance à la température et aux produits chimiques, certains systèmes pouvant fonctionner jusqu'à 150 °C en continu. Les amines cycloaliphatiques ont des rapports de mélange plus tolérants que les amines aliphatiques, mais moins que les polyamides. Ils varient dans l'exotherme, mais ont tendance à être du côté inférieur. Il existe de nombreuses amines cycloaliphatiques différentes qui sont disponibles dans le commerce, chacune présentant un profil d'isolation électrique légèrement différent, bien que toutes offrant des valeurs d'isolation relativement excellentes.

Les amines aromatiques sont le pilier des applications à haute température et de résistance chimique. Ils nécessitent une température plus élevée pour durcir que les autres amines discutées jusqu'à présent. Habituellement, ils nécessitent un durcissement à 120-150 °C avec un post-durcissement à 150-200 °C, et ont une viscosité faible à modérée à température ambiante. Bien que certaines des amines aromatiques puissent avoir des valeurs d'isolation électrique relativement légèrement inférieures à celles d'autres amines à température ambiante, elles sont toujours très robustes à cet égard et sont largement utilisées, principalement en raison de leurs attributs de résistance chimique et thermique. La plupart sont utilisables jusqu'à des températures d'environ 200 °C en continu. Ils ont une exothermie très faible, une durée de vie de plusieurs jours et sont bien adaptés aux pièces moulées plus grandes. Leurs rapports de mélange sont généralement plus complexes que 1:1 ou 2:1 ; cependant, ils sont de nature indulgente.

La deuxième grande catégorie d'agents de durcissement est celle des anhydrides, parfois appelés anhydrides d'acide. De tous les grands groupes, leurs principales applications sont l'empotage et l'encapsulation. En fait, ils sont principalement utilisés en raison de leurs propriétés d'isolation électrique inégalées. De manière réaliste, cependant, les anhydrides nécessitent une chaleur importante pour la réticulation avec des programmes de durcissement de 120 à 150 ° C pendant 8 à 12 heures, suivis d'un post-durcissement pour optimiser certaines de ces propriétés. Ils ont une faible viscosité et une exothermie extrêmement faible, la durée de vie s'étendant dans de nombreux cas sur des semaines à température ambiante. La plupart ont une résistance à la température exquise et d'autres propriétés de résistance physique supérieures telles que la résistance à la traction et le module, etc.

Les systèmes catalysés forment le troisième groupe d'agents de durcissement. Ils sont disponibles dans des systèmes en une et deux parties. Les systèmes d'acide de Lewis, principalement des trifluorures de bore, sont efficaces pour les applications impliquant des exigences de durcissement plus rapides et une résistance supérieure à la température. Ce groupe a tendance à être exothermique et lorsqu'il est utilisé dans des systèmes en deux parties, leurs rapports de mélange sont un peu plus restrictifs. Lorsqu'ils sont utilisés comme système monocomposant, ils sont également exothermiques et nécessitent des températures élevées pour durcir (150 °C). Une application majeure pour les systèmes en un seul composant est l'imprégnation, mais peut être facilement formulée pour des applications de type enrobage/encapsulation.

Les imidizoles sont généralement classés comme des systèmes catalysés bien qu'ils ne soient pas des acides de Lewis. Avec des temps ouverts très longs > 12 heures à température ambiante, ils présentent également une viscosité modérée et une résistance thermique et chimique exceptionnelle. Ils nécessitent des températures modérées pour durcir (80-120 °C). Les rapports de mélange sont généralement inégaux (par exemple, 100: 5), mais sont plus indulgents que les autres amines. Comme avec d'autres systèmes catalysés, les imidizoles ont tendance à conférer un allongement plus faible et des valeurs de module plus élevées à l'entité durcie. Ils sont principalement utilisés pour les applications de collage et d'étanchéité, et peuvent également être utilisés en conjonction avec d'autres agents de durcissement pour améliorer le profil de résistance à la température. Un résumé des groupes d'agents de durcissement discutés peut être trouvé dans le tableau.

Les époxydes sont largement utilisés pour les applications de collage, d'étanchéité, de revêtement, d'enrobage et d'encapsulation. Comme le montre cet article, tous les systèmes époxy sont intrinsèquement de bons isolants, en particulier lorsqu'ils sont évalués par la résistance diélectrique, la résistivité volumique, la constante diélectrique et le facteur de dissipation. Ce sont d'excellents isolants électriques ; cependant, il existe des différences subtiles dans les propriétés électriques en fonction de la classe d'agent de durcissement utilisé. En fin de compte, le choix de l'agent de durcissement dépend des conditions de fonctionnement que l'époxy subira et des limites de traitement dictées par l'application elle-même.

Cet article a été rédigé par Master Bond, Hackensack, NJ. Pour plus d'informations, cliquez ici .

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de novembre 2014 du magazine NASA Tech Briefs.

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