Valutazione delle resine epossidiche elettricamente isolanti

Le resine epossidiche sono sistemi polimerici versatili che sono "materiali di riferimento" per sistemi elettrici, elettronici e microelettronici, soprattutto in applicazioni in cui sono necessarie eccezionali proprietà di isolamento elettrico. Il loro ampio utilizzo è dovuto alla loro eccellente adesione a un'ampia varietà di substrati, all'eccellente resistenza chimica e al calore e alla durata a lungo termine. Sono utilizzabili per applicazioni di incollaggio, sigillatura, rivestimento e incapsulamento/invasatura.

L'obiettivo principale di questo articolo è duplice; il primo è discutere le proprietà di isolamento elettrico per quanto riguarda le resine epossidiche. L'altro è approfondire la variazione di queste proprietà, in base alla chimica del sistema (in particolare il ruolo dell'agente indurente) e alle condizioni operative dell'applicazione.

Prima dell'indurimento, una resina epossidica è costituita da una resina e un agente indurente che, una volta miscelati, polimerizzano e formano una matrice indurita. Esistono molti tipi diversi di resine epossidiche e agenti indurenti. Quando combinati, creano modelli di reticolazione distinti che danno luogo a diversi attributi del sistema polimerizzato. La scelta dell'agente indurente dipende non solo dai valori di isolamento elettrico desiderati, ma anche da altri parametri quali temperature operative, resistenza chimica e requisiti di resistenza fisica, tra gli altri. Un'altra considerazione nella scelta dell'indurente è valutarne le capacità e i vincoli di lavorazione. Inizieremo discutendo alcune delle proprietà fondamentali dell'isolamento elettrico, ovvero costante dielettrica, fattore di dissipazione, rigidità dielettrica e resistività di volume. Correleremo quindi questi valori in termini di lavorazione alle proprietà finali ottenute con vari gruppi di agenti indurenti, tra cui ammine alifatiche, poliammidi, ammine cicloalifatiche, ammine aromatiche, anidridi, acidi di Lewis e imidazoli.

Conosciuta anche come permettività relativa, la costante dielettrica indica la capacità di un materiale di immagazzinare energia elettrica in risposta a un campo elettrico. È un numero adimensionale definito come il rapporto tra la permettività di un materiale rispetto a quella del vuoto, dove la permettività è una misura dell'energia elettrica immagazzinata come risultato di una tensione applicata. Generalmente, un valore basso (2-5) è desiderabile per le resine epossidiche e altri materiali destinati all'uso come isolanti elettrici, sebbene in alcune applicazioni sia richiesta una costante dielettrica di livello medio (6-12).

Il metodo di prova standard per misurare la costante dielettrica di un materiale isolante elettrico solido è ASTM D150. Si tratta di posizionare un campione di materiale tra due piastre di condensatore e misurare la capacità risultante, ovvero la capacità di immagazzinare una carica elettrica. Questa viene poi confrontata con la capacità delle stesse piastre con aria o vuoto tra di loro. Il rapporto risultante è la costante dielettrica del materiale.

Per un sistema epossidico polimerizzato, la costante dielettrica varia con la temperatura, la frequenza e il riempitivo. Ad esempio, un particolare sistema può avere una costante dielettrica che aumenta con la temperatura (3,46 a 23 °C, 3,55 a 100 °C e 4,24 a 150 °C) per un'applicazione a 60 Hz, ma fluttua con la temperatura (3,28 a 23 °C, 2,99 a 100 °C e 3,87 a 150 °C) per un'applicazione a 1 KHz. In generale, ma non sempre, la costante dielettrica aumenta con temperature più elevate e diminuisce con frequenze più elevate. In sostanza, le resine epossidiche perdono parte delle loro capacità isolanti a temperature più elevate, ma mostrano migliori proprietà isolanti per frequenze più elevate. L'aggiunta di particelle di riempitivo minerale aumenta leggermente la costante dielettrica di un particolare sistema epossidico, mentre i riempitivi metallici avranno un impatto più notevole.

Il fattore di dissipazione (DF) è una misura della perdita di potenza in un materiale sottoposto a un campo elettrico alternato. Secondo la norma ASTM D150, il DF è il rapporto tra la potenza dissipata e la potenza applicata. (Uno standard aggiuntivo, ASTM D2520, è raccomandato per caratterizzare il DF alle frequenze delle microonde.) Un DF inferiore è auspicabile per ridurre il riscaldamento del materiale e minimizzare l'impatto sul circuito circostante. Il fattore di dissipazione può essere una misura molto utile di altre caratteristiche di un materiale, come il grado di polimerizzazione, i vuoti, il contenuto di umidità e la contaminazione. Nel corso del tempo, può verificarsi un cambiamento significativo nel DF quando le condizioni operative sono troppo severe per il sistema indurito.