Probleme mit Spannungsdurchschlägen bei der Verwendung von Gapfiller

Ein Großteil der Anwendung wärmeleitender Materialien erfolgt in der Elektronik im Bereich der Kleinspannung. Hier kann aus Sicht der Spannungsfestigkeit sehr unproblematisch nahezu jedes wärmeleitende Material eingesetzt werden. Anders bei modernen Hochspannungsanwendungen.

Gap-Filler gibt es in einer großen Anzahl von Stärken, von sehr weich bis gummihart und mit unterschiedlichen Wärmeleitwerten. Manche haben eine Gewebeeinlage, andere bestehen ausschließlich aus dem wärmeleitenden Material.

Die Idee bei Gap-Fillern und wärmeleitenden Silikonmatten ist die Überbrückung einer gewissen Distanz. Meist unterliegt der zu überbrückende Spalt Schwankungen aufgrund Toleranzen oder Wärmeausdehnung. Ein weiterer Vorteil gerade bei den softeren Versionen ist eine hervorragende Anbindung an die Oberflächen der Fügepartner (z.B. Kühlkörper – IGBT-Gehäuse).

Allerdings sind alle diese Materialien, unter Druck diesem auszuweichen. Umso weicher, desto stärker ist dieser Effekt. Durch die verringerte Materialstärke sind allerdings dann auch Angaben der Durchschlagsspannung hinfällig. Die Datenblatt-Werte für die Spannungsfestigkeit können normalerweise nur im nahezu unverpressten Zustand zwischen planen Flächen erreicht werden.

Bei Kleinspannungen und auch noch Niederspannungen im Haushaltsbereich reicht dennoch die erzielte Isolationsfestigkeit meist aus. Gerade die Silikonfolien und Gap-Filler mit Gewebe- oder Vieseinlage halten aufgrund dieser mechanischen Sperre eine Mindeststärke ein.

Anwendungen, in denen jedoch Spannungen deutlich über 350V auftreten, reagieren empfindlich auf zu knapp bemessene Isolationsstrecken. Ein Gap-Filler, der unter Druck z.B. auf 50% seiner ursprünglichen Stärke reduziert ist (erkennbar durch das seitlich der Druckstelle heraus gepressten Materials), wird längerfristig der Spannungsbelastung nicht standhalten.
Ärgerlich ist so ein Durchschlag, wenn er wegen der Güte des neuwertigen Materials nicht in der Fertigungskontrolle auftritt, sondern erst im Feld. Dazu muß man wissen, dass auch Silikonfolien und Gap-Filler unter Wärme altern. Sie verlieren an Elastizität, jedoch vor allem auch an Spannungsfestigkeit. Besonders in Zusammenhang mit hohen Arbeitsfrequenzen und/oder Teilentladungen verlieren wärmeleitende Folien und Gap-Filler ihre Spannungsfestigkeit, zum Teil weit über 50%.

CMC Klebetechnik bietet daher eine Kombination aus einem Gapfiller mit kundenspezifischer Höhe (und Wärmeleitfähigkeit) und einer 50µm starken Kapton® MT Folie an. Die Folie alleine hat eine Durchbruchspannung von 5,5 kV. Der thermische Widerstand von Kapton® 200MT bezogen auf ein inch² beträgt 0,0089 K/W.

Besonders bei nicht-sinusförmigen Spannungen mit hochfrequenten Spannungsspitzen im Bereich der Traktionsmotoren für LKW, Busse, Flurförderfahrzeuge und leistungsfähigen Sportwagen treten zusätzliche Effekte auf. Vergussmassen und Silikonfolien sowie Gapfiller sind deshalb wärmeleitend, weil der polymeren Matrix gut bis sehr gut wärmeleitende Zuschlagstoffe beigegeben werden (z.B. Aluminiumoxyd oder Bornitrit). Diese sind in der Matrix eingelagert. Je nach Güte der Verarbeitung, aber bis zu einem gewissen Grad unvermeidbar entstehen Gaseinschlüsse an den einzelnen „Körnchen“ der Zuschlagstoffe, an denen sich bei hohen Spannungen Teilentladungen bilden. Diese Teilentladungen zerstören das umliegende Isolationsmaterial und verringern mit der Zeit die Durchschlagfestigkeit. Auch dies eher ein Phänomen, das nicht in der Fertigungsprüfung entdeckt werden kann, sondern später als Teil einer Kombination von Schädigungsmechanismen zum Ausfall der Isolation im Feld führt.

 

Solche verspäteten Ausfälle kann man durch die Kombination von spannungsfester, wärmeleitender Kapton MT Folie und Gap-Filler von CMC Klebetechnik vermeiden.