電気絶縁性エポキシの評価

エポキシは、電気、電子、マイクロエレクトロニクス システム、特に優れた電気絶縁特性が必要とされる用途に「頼りになる材料」である多用途のポリマー システムです。 多種多様な基材への密着性、耐薬品性、耐熱性、長期耐久性に優れているため、幅広く使用されています。 これらは、接着、シーリング、コーティング、封止/ポッティング用途に使用できます。

この記事の主な焦点は 2 つあります。 1 つ目は、エポキシに関連する電気絶縁特性について説明することです。 もう 1 つは、システムの化学的性質 (特に硬化剤の役割) およびアプリケーションの動作条件に基づいて、これらの特性の変化を詳しく調査することです。

硬化前のエポキシは樹脂と硬化剤で構成されており、混合すると重合して硬化マトリックスを形成します。 エポキシ樹脂や硬化剤にはさまざまな種類があります。 これらを組み合わせると、異なる架橋パターンが形成され、その結果、重合系の異なる特性が得られます。 硬化剤の選択は、必要な電気絶縁値だけでなく、動作温度、耐薬品性、物理的強度要件などの他のパラメータにも依存します。 硬化剤を選択する際のもう 1 つの考慮事項は、その処理能力と制約を評価することです。 まず、基本的な電気絶縁特性、つまり誘電率、誘電正接、絶縁耐力、体積抵抗率について説明します。 次に、加工の観点からこれらの値を、脂肪族アミン、ポリアミド、脂環式アミン、芳香族アミン、無水物、ルイス酸、イミダゾールなどのさまざまなグループの硬化剤で得られる最終的な特性と関連付けます。

比誘電率としても知られる誘電率は、電場に応じて材料が電気エネルギーを蓄積する能力を示します。 これは、真空の誘電率に対する材料の誘電率の比として定義される無次元数であり、誘電率は、印加された電圧の結果として蓄えられる電気エネルギーの尺度です。 一般に、電気絶縁体として使用するエポキシやその他の材料には低い値 (2 ～ 5) が望ましいですが、特定の用途では中レベルの誘電率 (6 ～ 12) が必要です。

固体電気絶縁材料の誘電率を測定するための標準試験方法は ASTM D150 です。 これには、材料のサンプルを 2 つのコンデンサ プレートの間に配置し、結果として得られる静電容量、つまり電荷を蓄える能力を測定することが含まれます。 次に、これを、間に空気または真空がある同じプレートの静電容量と比較します。 結果として得られる比が材料の誘電率です。

硬化したエポキシ系の場合、誘電率は温度、周波数、フィラーによって変化します。 たとえば、特定のシステムの誘電率は、60 Hz アプリケーションでは温度とともに増加しますが (23 °C で 3.46、100 °C で 3.55、150 °C で 4.24)、温度とともに変動します (23 °C で 3.28)。 1 KHz アプリケーションの場合、°C、100 °C で 2.99、150 °C で 3.87)。 一般に、常にではありませんが、誘電率は温度が高くなると増加し、周波数が高くなると減少します。 基本的に、エポキシは高温になると絶縁能力の一部を失いますが、より高い周波数ではより優れた絶縁特性を示します。 鉱物フィラー粒子を追加すると、特定のエポキシ系の誘電率がわずかに増加しますが、金属フィラーはより顕著な影響を及ぼします。

散逸率 (DF) は、交流電界にさらされた材料における電力損失の尺度です。 ASTM D150 規格によれば、DF は印加電力に対する消費電力の比です。 (マイクロ波周波数での DF の特性評価には、追加規格 ASTM D2520 が推奨されます。)材料の加熱を軽減し、周囲の回路への影響を最小限に抑えるためには、DF が低いことが望ましいです。 誘電正接は、硬化度、空隙、水分含有量、汚染など、材料の他の特性の非常に有用な尺度となり得ます。 動作条件が硬化したシステムにとって厳しすぎる場合、時間の経過とともに DF に大きな変化が発生する可能性があります。

DF は通常、1 KHz で 0.003 ～ 0.030、1 MHz で最大 0.050 です。 周囲温度では、周波数が高くなるにつれて DF は (ほとんどの場合) 増加します。 温度が上昇すると、DF への影響は動作周波数と特定の化学的性質に応じて大きく異なります。 たとえば、1 KHz では、温度が周囲温度から 125 °C まで上昇するにつれて、特定のシステムの散逸率は約 0.02 から 0.01 未満に低下し、その時点で DF は劇的に上昇し、ほぼ 0.8 に達します。 8.5 × 109 Hz で動作する同じシステムの場合、DF は 0.02 から緩やかに上昇し、温度が上昇するにつれて 0.05 以下で横ばいになります。

ミネラルフィラーの全体的な効果は、DF をいくらか増加させることですが、変化の程度は温度と周波数に大きく依存します。 金属フィラーの場合、DF は大幅に増加します。

エポキシの絶縁特性を評価する際のもう 1 つの重要な基準は絶縁耐力であり、多くの場合ボルト/ミル (1 ミル = 0.001 インチ) で表されます。 これは、絶縁破壊を引き起こすことなく材料のサンプルに印加できる最大電圧として定義されます。 絶縁破壊における材料の抵抗は急速に減少し、導電性になります。

ASTM D149 は、理論的な絶縁耐力を決定するために使用される標準試験です。 試験方法は、水または油中の 2 つの電極間に材料のサンプルを置き、電極間に電圧を印加することから構成されます。 次に、電圧はゼロから材料が焼き付き穴を示すか分解し始める点まで均一な速度で増加します。 得られた破壊電圧をサンプルの厚さで割って、固有絶縁耐力を導き出します。 値が大きいほど電気絶縁特性が優れていることを示します。

実際には、絶縁耐力は材料の厚さに大きく依存し、サンプルが薄いほど単位厚さあたりの値が高くなります。 たとえば、エポキシ系の絶縁耐力値は、0.010 インチのサンプルでは 2,000 ボルト/ミルにも達する可能性があり、0.125 インチのサンプルでは約 425 ～ 475 ボルト/ミルまで徐々に低下します。 より厚い部分は、周囲温度で約 425 ～ 475 ボルト/ミルの絶縁耐力値を維持する傾向があります。 したがって、エポキシの絶縁耐力を評価する際の主要な要素の 1 つは、硬化したエポキシの厚さに関連するため、使用される試験方法を非常に正確に解明することです。 一般に、動作温度または周波数が上昇すると、絶縁耐力は低下します。 絶縁耐力は用途に依存するため、特定の用途、特に大電流を伴う用途についてエポキシの絶縁耐力を検証することが重要です。

ほとんどの非導電性鉱物フィラーはエポキシの絶縁耐力にほとんど影響を与えませんが、金属フィラーはフィラーの性質と充填量に応じて絶縁耐力を低下させます。

抵抗率は、印加電圧、温度、時間の指定された条件下で電流の通過に抵抗する材料の能力です。 オームで表される表面抵抗率は、材料の表面に沿った漏れ電流に対する抵抗を特徴づけますが、オーム-cmで表される体積抵抗率は、材料の本体を通る漏れ電流に対する抵抗を測定します。 ASTM D257 は、絶縁材料の体積抵抗率を測定するために広く使用されている規格です。

未充填のエポキシの場合、体積抵抗率は通常、25 °C で 1012 ohm-cm を超えます。 ほとんどの鉱物フィラーは体積抵抗率にわずかな影響しか与えませんが、特定の金属フィラーは体積抵抗率を低下させます。 銀などの一部の金属フィラーを多量に含むエポキシは、優れた導電体です。 ステンレス鋼などの他の金属フィラーは体積抵抗率を下げますが、エポキシを導体に変えることはありません。

温度を加えると、エポキシに興味深い影響が生じます。 エポキシが絶縁体の場合、熱が増加すると体積抵抗率が低下します。 しかしながら、導電性エポキシに熱を加えると、体積抵抗率が増加し、すなわち導電率の低下を引き起こす。

前述したように、樹脂と硬化剤の特定の組成は、硬化したエポキシ系の特性に大きな影響を与えます。 この樹脂を「標準タイプ」ビスフェノール A と呼びます。エポキシの硬化剤には主に 3 つのタイプがあります。アミン (最も一般的)、無水物、および触媒系 (ルイス酸、通常は三フッ化ホウ素、イミダゾールなど) です。 。 各グループは部分的に、異なる電気絶縁特性を持っています。 これらは、処理および処理パラメータと組み合わせて考慮されます。

歴史的にも機能的にも、最も著名なクラスの 1 つは脂肪族アミンです。 これらは粘度が低く、室温で容易に硬化し、最大 130 °C の連続動作温度で使用できるものもあります。 各種接着、封止、ポッティング用途に広く使用されており、優れた電気絶縁性を備えています。 さらに、耐薬品性と物理的強度特性も非常に優れています。 これらの脂肪族アミンの混合比は不均一になる傾向があり (例: 100:12)、他のアミン系ほど寛容ではありません。 薄い部分では良好に硬化しますが、一般に発熱するため、通常は厚さが 1/4 インチを超えると硬化しません。

アミンの 2 番目のカテゴリは、高分子量のアミン付加物 (アミドアミン) で、最も一般的なのはポリアミド硬化剤です。 これらの硬化剤は室温で容易に硬化しますが、粘度が高くなる傾向があります。 混合比は非常に寛容でユーザーフレンドリーです (このクラスでは 1:1 の混合比が一般的です)。 これらは、電気絶縁特性の点で最高の室温硬化システムの 1 つです。 ただし、この系に与えられる耐熱性は脂肪族系ほど高くはありません。 通常、周囲温度から約 100 °C まで連続的に使用できます。 ポリアミドは、周囲温度で他の優れた電気絶縁値とともに、非常に低い誘電率を持っています。 これらは通常、発熱性がなく、最大 2 インチの厚さまで容易に硬化できます。実際、このクラスには発熱が非常に低く、5 ～ 6 インチの厚さまで硬化できるサブグループがあります。 もう 1 つの興味深い特徴は、硬化したシステムにある程度の靭性を与えることです。

別の重要なアミン群は脂環式アミンです。 他のアミンと同様に、これらは非常に優れた電気絶縁特性を持っています。 低粘度から中程度の粘度と室温硬化が特徴で、硬化特性を最適化するために通常は熱が追加されます。 ただし、必要な熱はそれほど高くありません (70 ～ 100 °C)。 これらは温度と耐薬品性の点でポリアミドと脂肪族アミンの両方を上回っており、一部のシステムは 150 °C まで連続使用可能です。 脂環式アミンは、脂肪族アミンよりも混合比の許容範囲が広いですが、ポリアミドほどではありません。 発熱量はさまざまですが、低い傾向にあります。 市販されている多くの異なる脂環式アミンがあり、それぞれがわずかに異なる電気絶縁プロファイルを示しますが、いずれも比較的優れた絶縁値を提供します。

芳香族アミンは、高温および耐薬品性用途の主流です。 これらは、これまでに説明した他のアミンよりも硬化に高い温度を必要とします。 通常、120 ～ 150 °C で硬化し、150 ～ 200 °C で後硬化する必要があり、室温では低粘度から中程度の粘度を持ちます。 一部の芳香族アミンは、周囲温度で他のアミンよりも電気絶縁値が比較的わずかに低い場合がありますが、この点では依然として非常に堅牢であり、主に化学的耐性と温度耐性の特性により広く使用されています。 ほとんどの製品は、約 200 °C の温度まで連続的に使用できます。 発熱が非常に低く、数日間の耐用年数があり、大型の鋳物に適しています。 通常、それらの混合比は 1:1 や 2:1 よりも複雑になります。 しかし、彼らは本質的に寛容です。

硬化剤の 2 番目の主要なカテゴリは無水物であり、酸無水物とも呼ばれます。 すべての主要なグループの中で、それらの主な用途はポッティングとカプセル化です。 実際、それらは主にその卓越した電気絶縁特性のために使用されます。 しかし、現実的には、無水物は、120 ～ 150 °C で 8 ～ 12 時間の硬化スケジュールで架橋するために大量の熱を必要とし、その後、それらの特性の一部を最適化するために後硬化が続きます。 これらは粘度が低く、発熱が非常に低いため、多くの場合、室温で数週間耐用年数が延長されます。 ほとんどの製品は、優れた耐熱性と、引張強度や弾性率などの優れた物理的強度特性を備えています。

触媒システムは硬化剤の 3 番目のグループを形成します。 これらは 1 部システムと 2 部システムで利用できます。 ルイス酸系、主に三フッ化ホウ素は、より速い硬化要件と優れた耐熱性が必要な用途に効果的です。 このグループは発熱する傾向があり、2 液系で使用する場合、混合比はもう少し制限されます。 一液系として使用する場合も発熱があり、硬化には高温 (150 °C) が必要です。 一液型システムの主な用途は含浸ですが、ポッティング/カプセル化タイプの用途にも容易に配合できます。

イミジゾールはルイス酸ではありませんが、通常は触媒系として分類されます。 室温で 12 時間以上の非常に長いオープンタイムを持ち、適度な粘度、優れた耐熱性と耐薬品性も備えています。 硬化するには適度な温度 (80 ～ 120 °C) が必要です。 混合比は通常不均一ですが (たとえば、100:5)、他のアミンよりも許容されます。 他の触媒系と同様に、イミダゾールは硬化物に低い伸びと高い弾性率を与える傾向があります。 これらは主に接着およびシール用途に使用されますが、他の硬化剤と併用して耐熱性プロファイルを強化することもできます。 説明した硬化剤グループの概要を表に示します。

エポキシは、接着、シーリング、コーティング、ポッティングおよびカプセル化の用途に広く使用されています。 この記事が示すように、すべてのエポキシ システムは、特に絶縁耐力、体積抵抗率、誘電率、誘電正接によって評価した場合、本質的に優れた絶縁体です。 それらは優れた電気絶縁体です。 ただし、使用する硬化剤の種類に応じて電気特性に微妙な違いがあります。 最終的に、硬化剤の選択は、エポキシが経験する操作条件と用途自体によって決まる加工制限によって決まります。

この記事は、ニュージャージー州ハッケンサックのマスター ボンドによって寄稿されました。 詳細については、ここをクリックしてください。

この記事は、NASA Tech Briefs Magazine の 2014 年 11 月号に初めて掲載されました。

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