Evaluación de epoxis eléctricamente aislantes

Los epoxis son sistemas de polímeros versátiles que son "materiales de referencia" para sistemas eléctricos, electrónicos y microelectrónicos, especialmente en aplicaciones donde se necesitan propiedades de aislamiento eléctrico sobresalientes. Su amplio uso se debe a su excelente adhesión a una amplia variedad de sustratos, excelente resistencia química y al calor, y durabilidad a largo plazo. Son útiles para aplicaciones de unión, sellado, recubrimiento y encapsulado/encapsulado.

El enfoque principal de este artículo es doble; el primero es discutir las propiedades de aislamiento eléctrico en lo que respecta a los epoxis. La otra es profundizar en la variación de estas propiedades, en función de la química del sistema (especialmente el papel del agente de curado), así como de las condiciones de operación de la aplicación.

Antes del curado, un epoxi consta de una resina y un agente de curado, que cuando se mezclan, polimerizan y forman una matriz curada. Hay muchos tipos diferentes de resinas epoxi y agentes de curado. Cuando se combinan, crean distintos patrones de reticulación que dan como resultado diferentes atributos del sistema polimerizado. La elección del agente de curado depende no solo de los valores de aislamiento eléctrico deseados, sino también de otros parámetros como las temperaturas de funcionamiento, la resistencia química y los requisitos de resistencia física, entre otros. Otra consideración al seleccionar el endurecedor es evaluar sus capacidades y limitaciones de procesamiento. Comenzaremos analizando algunas de las propiedades fundamentales del aislamiento eléctrico, es decir, la constante dieléctrica, el factor de disipación, la rigidez dieléctrica y la resistividad volumétrica. Luego correlacionaremos estos valores en términos de procesamiento con las propiedades finales obtenidas con varios grupos de agentes de curado, incluidas aminas alifáticas, poliamidas, aminas cicloalifáticas, aminas aromáticas, anhídridos, ácidos de Lewis e imidazoles.

También conocida como permitividad relativa, la constante dieléctrica indica la capacidad de un material para almacenar energía eléctrica en respuesta a un campo eléctrico. Es un número adimensional definido como la relación entre la permitividad de un material en relación con la del vacío, donde la permitividad es una medida de la energía eléctrica almacenada como resultado de un voltaje aplicado. En general, es deseable un valor bajo (2-5) para resinas epoxi y otros materiales destinados a usarse como aislantes eléctricos, aunque en ciertas aplicaciones se requiere una constante dieléctrica de nivel medio (6-12).

El método de prueba estándar para medir la constante dieléctrica de un material aislante eléctrico sólido es ASTM D150. Se trata de colocar una muestra del material entre dos placas de condensadores y medir la capacitancia resultante, la capacidad de almacenar una carga eléctrica. Esto luego se compara con la capacitancia de las mismas placas con aire o vacío entre ellas. La relación resultante es la constante dieléctrica del material.

Para un sistema de epoxi curado, la constante dieléctrica varía con la temperatura, la frecuencia y el relleno. Por ejemplo, un sistema en particular puede tener una constante dieléctrica que aumenta con la temperatura (3,46 a 23 °C, 3,55 a 100 °C y 4,24 a 150 °C) para una aplicación de 60 Hz, pero fluctúa con la temperatura (3,28 a 23 °C). °C, 2,99 a 100 °C y 3,87 a 150 °C) para una aplicación de 1 KHz. En general, pero no siempre, la constante dieléctrica aumenta con temperaturas más altas y disminuye con frecuencias más altas. Esencialmente, los epoxis pierden algunas de sus capacidades de aislamiento a temperaturas más altas, pero exhiben mejores propiedades de aislamiento para frecuencias más altas. La adición de partículas de relleno mineral aumenta ligeramente la constante dieléctrica de un sistema epoxi en particular, mientras que los rellenos metálicos tendrán un impacto más notable.

El factor de disipación (DF) es una medida de la pérdida de potencia en un material sujeto a un campo eléctrico alterno. Según la norma ASTM D150, el DF es la relación entre la potencia disipada y la potencia aplicada. (Se recomienda un estándar adicional, ASTM D2520, para caracterizar el DF en frecuencias de microondas). Es deseable un DF más bajo para reducir el calentamiento del material y minimizar el impacto en el circuito circundante. El factor de disipación puede ser una medida muy útil de otras características de un material, como el grado de curado, los vacíos, el contenido de humedad y la contaminación. Con el tiempo, puede ocurrir un cambio significativo en el DF cuando las condiciones operativas son demasiado severas para el sistema curado.

El DF suele ser de 0,003 a 0,030 a 1 KHz y de hasta 0,050 a 1 MHz. A temperatura ambiente, DF (en la mayoría de los casos) aumenta a medida que aumenta la frecuencia. A medida que aumenta la temperatura, el efecto sobre el DF varía mucho según la frecuencia de funcionamiento y la química específica. Por ejemplo, a 1 KHz, el factor de disipación de un sistema en particular cae de aproximadamente 0,02 a menos de 0,01 a medida que la temperatura aumenta de ambiente a 125 °C, momento en el que el DF aumenta drásticamente, llegando casi a 0,8. Para el mismo sistema que funciona a 8,5 × 109 Hz, el DF aumenta suavemente desde 0,02 y luego se nivela por debajo de 0,05 a medida que aumenta la temperatura.

El efecto general de los rellenos minerales es aumentar algo el DF, aunque el grado de cambio depende en gran medida de la temperatura y la frecuencia. Para rellenos metálicos, el DF aumenta mucho.

Otro criterio importante para evaluar las propiedades de aislamiento de un epoxi es la rigidez dieléctrica, que a menudo se expresa en voltios/mil (1 mil = 0,001 pulgadas). Esto se define como el voltaje máximo que se puede aplicar a través de una muestra del material sin causar una ruptura dieléctrica. La resistencia del material en ruptura dieléctrica disminuye rápidamente y se vuelve eléctricamente conductor.

ASTM D149 es la prueba estándar utilizada para determinar la rigidez dieléctrica teórica. El método de prueba consiste en colocar una muestra del material entre dos electrodos en agua o aceite y aplicar un voltaje a través de los electrodos. Luego, el voltaje se incrementa a una velocidad uniforme desde cero hasta el punto en el que el material exhibe perforaciones por quemado o comienza a descomponerse. El voltaje de ruptura resultante se divide por el espesor de la muestra para obtener la rigidez dieléctrica intrínseca. Los valores más altos indican mejores características de aislamiento eléctrico.

En la práctica, la rigidez dieléctrica depende en gran medida del espesor del material, y las muestras más delgadas tienen valores más altos por unidad de espesor. Por ejemplo, los valores de rigidez dieléctrica para los sistemas de epoxi podrían ser tan altos como 2000 voltios/mil para una muestra de 0,010", reduciéndose gradualmente a alrededor de 425-475 voltios/mil para una muestra de 0,125". Las secciones más gruesas tienden a retener este valor de rigidez dieléctrica de alrededor de 425-475 voltios/mil a temperatura ambiente. Por lo tanto, uno de los principales factores en la evaluación de la rigidez dieléctrica de un epoxi es una aclaración muy precisa del método de prueba utilizado en relación con el espesor del epoxi curado. La rigidez dieléctrica generalmente disminuye a medida que aumenta la temperatura de funcionamiento o la frecuencia. Dado que la rigidez dieléctrica depende de la aplicación, es importante validar los epoxis en cuanto a su rigidez dieléctrica para usos específicos, especialmente para aquellos que involucran corrientes altas.

La mayoría de los rellenos minerales no conductores tienen poco efecto sobre la rigidez dieléctrica del epoxi, y los rellenos metálicos disminuyen la rigidez dieléctrica según la naturaleza del relleno y la carga del relleno.

La resistividad es la capacidad de un material para resistir el paso de una corriente eléctrica en condiciones específicas de tensión aplicada, temperatura y tiempo. La resistividad superficial, expresada en ohmios, caracteriza la resistencia a la corriente de fuga a lo largo de la superficie de un material, mientras que la resistividad volumétrica, expresada en ohm-cm, mide la resistencia a la corriente de fuga a través del cuerpo de un material. ASTM D257 es un estándar ampliamente utilizado para medir la resistividad de volumen en materiales aislantes.

Para resinas epoxi sin relleno, la resistividad volumétrica suele superar los 1012 ohm-cm a 25 °C. La mayoría de los rellenos minerales tienen un efecto marginal sobre la resistividad volumétrica, mientras que ciertos rellenos metálicos reducirán la resistividad volumétrica. Los epóxicos con cargas significativas de algunos rellenos metálicos, como la plata, son excelentes conductores eléctricos. Otros rellenos metálicos, como el acero inoxidable, reducirán la resistividad volumétrica, pero no transformarán el epoxi en un conductor.

Agregar temperatura tiene un efecto interesante en los epoxis. Cuando el epoxi es un aislante, un aumento de calor provoca una disminución de la resistividad del volumen. Sin embargo, la adición de calor a un epoxi eléctricamente conductor aumenta la resistividad del volumen, es decir, provoca una disminución de la conductividad eléctrica.

Como se señaló anteriormente, la composición específica de resina y agente de curado tiene un profundo impacto en las propiedades de un sistema epoxi curado. Nos referiremos a la resina como bisfenol A de "tipo estándar". Hay tres tipos principales de agentes de curado para epoxis: aminas (los más comunes), anhídridos y sistemas catalizados (ácidos de Lewis, típicamente trifluoruros de boro e imidizoles, entre otros) . Cada grupo tiene, en partes, distintas características de aislamiento eléctrico. Estos se consideran junto con sus parámetros de procesamiento y manejo.

Histórica y funcionalmente, una de las clases más destacadas son las aminas alifáticas. Tienen una viscosidad más baja, se curan fácilmente a temperatura ambiente y algunos son útiles para temperaturas de funcionamiento continuo de hasta 130 °C. Son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones de unión, sellado y encapsulado, y tienen excelentes propiedades de aislamiento eléctrico. Además, sus propiedades de resistencia química y resistencia física son bastante buenas. La relación de mezcla de estas aminas alifáticas tiende a ser desigual (por ejemplo: 100:12) y no tan indulgente como otros sistemas de aminas. Aunque curan muy bien en secciones delgadas, generalmente son exotérmicas y normalmente no se curan más allá de ¼" de espesor.

Una segunda categoría de aminas son los aductos de amina de mayor peso molecular (amidoaminas), siendo el más común el agente de curado de poliamida. Estos agentes de curado se curan fácilmente a temperatura ambiente pero tienden a tener una viscosidad más alta. Sus proporciones de mezcla son muy indulgentes y fáciles de usar (una proporción de mezcla de 1:1 es bastante común para esta clase). Se encuentran entre los mejores sistemas de curado a temperatura ambiente en términos de sus propiedades de aislamiento eléctrico. Sin embargo, la resistencia a la temperatura conferida al sistema no es tan alta como la de sus homólogos alifáticos. Por lo general, se pueden reparar desde la temperatura ambiente hasta alrededor de 100 °C de manera continua. Las poliamidas tienen constantes dieléctricas muy bajas junto con otros valores sobresalientes de aislamiento eléctrico a temperatura ambiente. Por lo general, no son exotérmicos y se pueden curar fácilmente con espesores de hasta 2". De hecho, hay un subgrupo en esta clase con una exotermia tan baja que se puede curar con espesores de 5 a 6". Otra característica interesante es que confiere un mínimo de dureza al sistema curado.

Otro grupo importante de aminas son las aminas cicloalifáticas. Como otras aminas, tienen muy buenas propiedades de aislamiento eléctrico. Con una viscosidad de baja a moderada y un curado a temperatura ambiente, generalmente se agrega calor para optimizar sus propiedades de curado. Sin embargo, el calor requerido no es particularmente alto (70-100 °C). Superan tanto a las poliamidas como a las aminas alifáticas en términos de temperatura y resistencia química, con algunos sistemas que pueden funcionar hasta 150 °C de forma continua. Las aminas cicloalifáticas tienen relaciones de mezcla más tolerantes que las aminas alifáticas, pero menos que las poliamidas. Varían en la exotermia, pero tienden a estar en el lado inferior. Hay muchas aminas cicloalifáticas diferentes que están disponibles comercialmente y cada una presenta un perfil de aislamiento eléctrico ligeramente diferente, aunque todas proporcionan valores de aislamiento relativamente excelentes.

Las aminas aromáticas son el pilar de las aplicaciones de alta temperatura y resistencia química. Requieren una temperatura más alta para el curado que las otras aminas discutidas hasta ahora. Por lo general, requieren un curado a 120-150 °C con un poscurado a 150-200 °C y tienen una viscosidad de baja a moderada a temperatura ambiente. Si bien algunas de las aminas aromáticas pueden tener valores de aislamiento eléctrico ligeramente más bajos que otras aminas a temperatura ambiente, siguen siendo muy robustas en este sentido y se usan ampliamente, principalmente debido a sus atributos de resistencia química y a la temperatura. La mayoría son reparables hasta temperaturas de unos 200 °C de forma continua. Tienen una exotermia muy baja, una vida útil de varios días y son muy adecuados para fundiciones más grandes. Sus proporciones de mezcla suelen ser más complejas que 1:1 o 2:1; sin embargo, son indulgentes por naturaleza.

La segunda categoría principal de agentes de curado son los anhídridos, a veces llamados anhídridos ácidos. De todos los grupos principales, sus principales aplicaciones son para encapsulado y encapsulado. De hecho, se utilizan principalmente debido a sus insuperables propiedades de aislamiento eléctrico. Sin embargo, siendo realistas, los anhídridos requieren mucho calor para la reticulación con programas de curado de 120-150 °C durante 8-12 horas, seguido de un curado posterior para optimizar algunas de esas propiedades. Son de baja viscosidad y tienen una exotermia extremadamente baja, con una vida útil que se extiende en muchos casos durante semanas a temperatura ambiente. La mayoría tiene una exquisita resistencia a la temperatura y otras propiedades superiores de resistencia física, como la resistencia a la tracción y el módulo, etc.

Los sistemas catalizados forman el tercer grupo de agentes de curado. Están disponibles en sistemas de una y dos partes. Los sistemas de ácido de Lewis, principalmente trifluoruros de boro, son efectivos para aplicaciones que implican requisitos de curado más rápidos y resistencia superior a la temperatura. Este grupo tiende a ser exotérmico y cuando se usa en sistemas de dos partes, sus proporciones de mezcla son un poco más restrictivas. Cuando se utilizan como un sistema de una parte, también son exotérmicos y requieren altas temperaturas para el curado (150 °C). Una aplicación importante para los sistemas de una parte es la impregnación, pero se pueden formular fácilmente para aplicaciones de tipo encapsulado/encapsulado.

Los imidizoles suelen clasificarse como sistemas catalizados aunque no son ácidos de Lewis. Con tiempos abiertos muy prolongados de más de 12 horas a temperatura ambiente, también presentan una viscosidad moderada y una excelente resistencia química y a la temperatura. Requieren temperaturas moderadas para curar (80-120 °C). Las proporciones de mezcla suelen ser desiguales (por ejemplo, 100:5), pero son más indulgentes que otras aminas. Al igual que con otros sistemas catalizados, los imidizoles tienden a conferir valores de módulo más bajos y de elongación más bajos a la entidad curada. Se utilizan principalmente para aplicaciones de unión y sellado, y también se pueden emplear junto con otros agentes de curado para mejorar el perfil de resistencia a la temperatura. En la tabla se puede encontrar un resumen de los grupos de agentes de curado discutidos.

Los epoxis se utilizan ampliamente para aplicaciones de unión, sellado, recubrimiento y encapsulado y encapsulado. Como demuestra este artículo, todos los sistemas epoxi son inherentemente buenos aislantes, especialmente cuando se evalúan mediante la rigidez dieléctrica, la resistividad volumétrica, la constante dieléctrica y el factor de disipación. Son excelentes aislantes eléctricos; sin embargo, existen diferencias sutiles en las propiedades eléctricas según la clase de agente de curado utilizado. En última instancia, la elección del agente de curado depende de las condiciones operativas que experimentará el epoxi y las limitaciones de procesamiento dictadas por la propia aplicación.

Este artículo fue contribuido por Master Bond, Hackensack, NJ. Para obtener más información, haga clic aquí.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de noviembre de 2014 de la revista NASA Tech Briefs.

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