特許 6720347 注型材料、注型材料の製造方法、電子部品および自動車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6720347

(24)【登録日】2020年6月19日

(45)【発行日】2020年7月8日

(54)【発明の名称】注型材料、注型材料の製造方法、電子部品および自動車

(51)【国際特許分類】

   B29C 39/00 20060101AFI20200629BHJP

   C08L 101/00 20060101ALI20200629BHJP

   C08L 23/10 20060101ALI20200629BHJP

   B29L 31/34 20060101ALN20200629BHJP

【ＦＩ】

   B29C39/00

   C08L101/00

   C08L23/10

   B29L31:34

【請求項の数】10

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2018-561633(P2018-561633)

(86)(22)【出願日】2017年5月9日

(65)【公表番号】特表2019-518631(P2019-518631A)

(43)【公表日】2019年7月4日

(86)【国際出願番号】EP2017060976

(87)【国際公開番号】WO2017202596

(87)【国際公開日】20171130

【審査請求日】2018年11月22日

(31)【優先権主張番号】102016208923.4

(32)【優先日】2016年5月24日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】596107062

【氏名又は名称】フォルクスヴァーゲン アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＶＯＬＫＳＷＡＧＥＮ ＡＫＴＩＥＮＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ライナー ニコ ベーレント

【審査官】 ▲高▼村 憲司

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００２−５４４３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１７１７９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００６／０３０５３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開昭５７−１７２６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５０２１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０１５６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０５９５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５１５８４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５１３２２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｃ ３９／００ − ３９／４４

Ｃ０８Ｌ ２３／１０

Ｃ０８Ｌ１０１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プラスチック系マトリックス（１０）を有する、電子部品用の注型材料（１００）であって、プラスチック系マトリックス（１０）にβ型結晶子構造を有するポリプロピレンプラスチック粒子（１１）が導入された、注型材料（１００）。

【請求項2】

ポリプロピレンプラスチック粒子（１１）が、親水化剤またはプラズマ処理で前処理されていることを特徴とする、請求項１記載の注型材料（１００）。

【請求項3】

ポリプロピレンプラスチック粒子（１１）が、繊維状または粉末状でプラスチック系マトリックス（１０）に導入されていることを特徴とする、請求項１または２記載の注型材料（１００）。

【請求項4】

繊維状で導入されたポリプロピレンプラスチック粒子（１１）が、５０ｎｍ〜５００μｍの繊維径を有することを特徴とする、請求項３記載の注型材料（１００）。

【請求項5】

粉末状で導入されたポリプロピレンプラスチック粒子（１１）が、０．１μｍ〜１０００μｍの粒径を有することを特徴とする、請求項３記載の注型材料（１００）。

【請求項6】

プラスチック系マトリックス（１０）が熱硬化性プラスチックから形成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の注型材料（１００）。

【請求項7】

前記熱硬化性プラスチックが、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、メラミンホルムアルデヒド樹脂、ポリイミド樹脂、イソシアネート樹脂またはイソシアヌレート樹脂であることを特徴とする、請求項６記載の注型材料（１００）。

【請求項8】

プラスチック系マトリックス（１０）にβ型結晶子構造を有するポリプロピレンプラスチック粒子（１１）を導入する、電子部品用の注型材料（１００）を製造する方法。

【請求項9】

少なくとも１つの電子部材と、前記少なくとも１つの電子部材を定位置に固定するために形成された請求項１から７までのいずれか１項記載の注型材料（１００）とを有する電子部品。

【請求項10】

請求項９記載の電子部品を有する自動車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子部品用の注型材料に関する。さらに、本発明は、注型材料の製造方法、このような注型材料を用いた電子部品、および相応する電子部品を有する自動車に関する。

【0002】

電子部品のための注型材料の場合、例えば積層鉄心、巻線およびスイッチングリングを有し得る電気機械のようなパワーエレクトロニクス用の電子部品のための注型材料の場合、強度ができるだけ高く、耐媒体性が高く、かつ注型すべき電子部品の個別部材の熱による膨張および収縮についての許容度、いわゆるΔα許容度が高い注型材料を提供することが求められる。

【0003】

注型材料が架橋密度の高い熱硬化性（ｄｕｒｏｐｌａｓｔｉｓｃｈｅｎ）プラスチックから形成されている場合、これらのプラスチックは、強度および耐媒体性が十分に高いものの、Δα許容度が低すぎる。熱硬化性プラスチックの硬化による自由体積の低下に伴って、冷却プロセスの間に電子部品の個別部材が収縮することで、このような注型材料は、土台の接着性が高く層厚が小さい場合、亀裂形成を起こす傾向を示し、土台の接着性が低く層厚が大きい場合、注型材料が土台から剥離する傾向、すなわち、電子部品の部材から剥離する傾向を示す。その点で、冷却が後に行われる硬化プロセスは致命的であると思われる。というのも、このプロセスでは、注型材料用の土台としての役割を果たす電子部品の金属部材が縮まり、注型材料自体がすでに比較的強く架橋されてしまっているからである。それにより、注型材料内に応力が生じ、この応力は、即座に、または後の電子部品の動作において、ここに挙げた作用、例えば、亀裂形成および／または注型材料の剥離をもたらし得る。

【0004】

注型材料において形成された亀裂を亀裂散逸により抑止可能にするには、エラストマー粒子を注型材料の熱硬化性プラスチック中に分布させることが知られている。このような注型材料は、とりわけ突然の過度な使用において、強度が比較的高く、また特定の粘度も有する。エラストマー粒子として、例えばアクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）を使用することも知られているが、これは、約１００℃〜１３０℃を上回る温度で脆化し、それにより、本来の靱性改質とは全く反対のことが起こる。したがって、このような注型材料の使用は、その使用温度の観点から強く制限されている。というのも、エラストマー粒子は、約１００℃〜１３０℃の温度範囲で脆化または分解するからである。電子部品、例えば、１５０℃までの比較的高い動作温度を有することがある電気機械においても、このような注型材料を使用することはできない。

【0005】

よって、本発明は、強度および耐媒体性が高く、同時にΔα許容度が高い点で優れる注型材料を提供することを課題とする。

【0006】

本発明の課題は、独立請求項の特徴により解決される。本発明の好ましい構成およびさらなる構成は、従属請求項に記載されている。

【0007】

本発明の注型材料は、この注型材料がプラスチック系マトリックスを有し、ここで、このプラスチック系マトリックスにβ型結晶子構造を有するポリプロピレンプラスチック粒子が導入されている点で優れている。

【0008】

さらに、本発明は、プラスチック系マトリックスにβ型結晶子構造を有するポリプロピレンプラスチック粒子が導入された注型材料を製造する方法により優れている。

【0009】

β型結晶子構造を有するポリプロピレンプラスチック粒子は、粘度が特に高い点で優れている。β型結晶子構造を形成するために、ポリプロピレンプラスチック粒子にβ型核形成剤を添加する。このβ型核形成剤を使用することで、ポリプロピレンプラスチック粒子内にβ型球晶が生じる。引張、圧力または衝撃が付加されると、β型結晶子は互いに押され、それにより、材料中に導入されたエネルギーを過度な使用条件で吸収することができる微視的に小さな細孔、いわゆるマイクロボイドが形成される。この効果は、注型材料における応力を低減するために利用され得る。β型結晶子構造を有するポリプロピレンプラスチック粒子は、膨張性が非常に高いため、β型結晶子構造を有するポリプロピレンプラスチック粒子は、プラスチック系マトリックスの硬化および電子部品の部材の冷却において生じる材料応力を吸収することができ、ここで、材料応力が生じることで発生する力は、プラスチック系マトリックスから、β型結晶子構造を有するポリプロピレンプラスチック粒子へと誘導される。ポリプロピレンのβ型球晶は、多孔質構造を形成して力を低減させることができるため、力が吸収されることで、ある種の靱性改質が起こる。さらに、多孔質構造が形成されることで、プラスチック系マトリックスと、β型結晶子構造を有するポリプロピレンプラスチック粒子との間の接着性を改善することができる。このように形成された注型材料は、温度安定性が高い点で優れており、そのため、この注型材料は、電子部品、例えば、高い動作温度を有する電気機械においても使用可能である。注型材料を製造するために、プラスチック系マトリックスを、β型結晶子構造を有するポリプロピレンプラスチック粒子とまず混合し、引き続き、この混合物を加熱し、特定の時間にわたり、比較的高い温度で維持して硬化させ、引き続き、冷却する。

【0010】

プラスチック系マトリックスを有するポリプロピレンプラスチック粒子の濡れ性を改善するために、ポリプロピレンプラスチック粒子は、親水化剤またはプラズマ処理で前処理されていてもよい。親水化剤としては、例えばＩｒｇａｓｕｒｆ（登録商標）ＨＬ５６０を使用することができる。好適には、親水化剤をポリプロピレンプラスチック粒子に施与し、それから、ポリプロピレンプラスチック粒子をプラスチック系マトリックスと混合する。

【0011】

ポリプロピレンプラスチック粒子は、繊維状または粉末状でプラスチック系マトリックスに導入されることが好ましい。ポリプロピレンプラスチック粒子は、繊維状に形成される場合、好適には短繊維の形態で形成されている。これらの繊維により、細孔を形成するための表面がより大きくなり、そのため、プラスチック系マトリックスからの力が特に良好に吸収され、それにより、注型材料において、特に良好な応力の低減を達成することができる。繊維状に形成される場合、たいていは、β型核形成剤が添加されたポリプロピレン顆粒をメルトブロー法またはスピニング法により加工して、繊維または繊維スクリムにする。粉末状に形成される場合、好適には、β型核形成剤が添加されたポリプロピレン顆粒を粉砕する。ポリプロピレンプラスチック粒子を粉末形態でプラスチック系マトリックス中に導入する場合、ポリプロピレンプラスチック粒子とプラスチック系マトリックスとの混合は、繊維の場合よりも容易であり、それにより、殊に、プラスチック系マトリックスにおけるポリプロピレンプラスチック粒子の特に均質な分布を達成することができる。

【0012】

繊維状で導入されたポリプロピレンプラスチック粒子は、５０ｎｍ〜５００μｍ、好ましくは１００ｎｍ〜１００μｍの繊維径を有することができる。

【0013】

導入されたポリプロピレンプラスチック粒子（１１）が粉末状である場合、このポリプロピレンプラスチック粒子は、０．１μｍ〜１０００μｍ、好ましくは１０μｍ〜１０００μｍの粒径を有することができる。

【0014】

特に高い強度の注型材料を達成可能にするために、プラスチック系マトリックスは、好適には熱硬化性プラスチックから形成されている。熱硬化性プラスチックの硬化後、つまり、熱硬化性プラスチックの架橋プロセス後には、もはや熱硬化性プラスチックを成形することはできず、それにより、注型材料全体がもはや成形可能ではなくなり、したがって、強度および剛性が非常に高い。

【0015】

熱硬化性プラスチックがエポキシ樹脂であることが好ましい。エポキシ樹脂は、機械的特性が良好である点、ならびに温度耐性および耐薬品性が良好である点で優れている。しかしながら、熱硬化性プラスチックとしては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、メラミンホルムアルデヒド樹脂、ポリイミド樹脂、イソシアネート樹脂またはイソシアヌレート樹脂も使用することができる。

【0016】

さらに、本発明は、少なくとも１つの電子部材と、少なくとも１つの電子部材を定位置に固定するために形成およびさらに形成された先に記載の注型材料とを有する電子部品により優れている。この電子部品は、例えば、ステータおよびロータを有する電気機械であってもよい。ステータは、ステータの巻線を電気的に互いに接続して外部の電圧源に繋げるスイッチングリングを有していてもよい。電気的絶縁性、機械的保護および化学的影響に対する保護を生み出すために、スイッチングリングのみならず、巻線部材も注型材料中に埋め込まれていてもよい。

【0017】

さらに、本発明は、形成およびさらに形成された先に記載の電子部品を有する自動車により優れている。

【0018】

これより、本発明の好ましい構成について以下の図を用いて、本発明を改善するさらなる措置をより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1a】硬化プロセス前の約２５℃の出発状態における本発明の注型材料の光学顕微鏡写真を示す。

【図1b】図１ａによる光学顕微鏡写真の概略図を示す。

【図2a】硬化プロセス前の約１９０℃の保持段階における本発明の注型材料の光学顕微鏡写真を示す。

【図2b】図２ａによる光学顕微鏡写真の概略図を示す。

【図3a】硬化プロセスの間の約７５℃の冷却段階における本発明の注型材料の光学顕微鏡写真を示す。

【図3b】図３ａによる光学顕微鏡写真の概略図を示す。

【0020】

図１ａ〜３ｂには、本発明の注型材料１００の硬化が概略的に示されており、この注型材料１００は、例えば、注型材料１００の硬化が開始する前に電子部品内に導入されていてもよい。硬化は、注型材料１００、ひいては電子部品全体に熱を供給する炉内で行われることが好ましい。

【0021】

注型材料１００は、プラスチック系マトリックス１０と、β型結晶子構造を有する多数のポリプロピレンプラスチック粒子１１とから形成される。プラスチック系マトリックス１０は、熱硬化性プラスチック、殊にエポキシ樹脂である。良好な、殊に均質な混合がプラスチック系マトリックス１０とポリプロピレンプラスチック粒子１１との間で達成されるように、プラスチック系マトリックス１０にβ型結晶子構造を有するポリプロピレンプラスチック粒子１１を導入する。

【0022】

β型結晶子構造を生み出すために、ポリプロピレンプラスチック粒子１１にβ型核形成剤（好適には、ポリプロピレンにおける核形成剤の濃度が０．０５〜０．５重量％である）を添加し、その後、好適には顆粒に加工して、その後、これを紡糸して相応する繊維にするか、または粉砕して粉末にする。

【0023】

引き続き、プラスチック系マトリックス１０を、ポリプロピレンプラスチック粒子１１（粉末または繊維の形態）と混合する。プラスチック系マトリックス１０中に分布した状態で配置されているポリプロピレンプラスチック粒子１１における点状形態の核形成剤粒子１２の形態で、β型核形成剤がなおも認識可能である。図１ａにおいて、核形成剤１２は、黒点として認識可能であり、図１ｂにおいては、斜線で示されている。

【0024】

図１ａまたは１ｂは、ここで例えば２成分系未硬化エポキシ樹脂であるプラスチック系マトリックス１０と、ポリプロピレンプラスチック粒子１１との、硬化段階前の出発状態における混合物を示す。ここで注型材料１００は、温度が約２５℃である。この出発状態において、ポリプロピレンプラスチック粒子１１は、プラスチック系マトリックス１０中で個別相として存在する。

【0025】

熱硬化性プラスチックの架橋プロセスによるプラスチック系マトリックス１０の硬化を達成可能にするために、混合物または注型材料１００を適用後に炉内で加熱する。その際、２５℃で開始して、１０Ｋ／ｍｉｎの昇温速度を用いることが意図され得る。プラスチック系マトリックス１０のいわゆるゲル化点である約１５０℃の温度において、β型結晶子構造を有するポリプロピレンプラスチック粒子１１も溶融し始める。図２ａまたは２ｂに示される保持段階（ここで温度は、特定の時間、好適には２０分にわたり、約１９０℃で一定に維持される）において、プラスチック系マトリックス１０およびポリプロピレンプラスチック粒子１１はどちらも、まず溶融状態で存在し、ここで、ポリプロピレンプラスチック粒子１１とプラスチック系マトリックス１０との間の相界面はもはや認識可能ではない。高温での保持段階の間に、プラスチック系マトリックス１０の硬化、ひいてはプラスチック系マトリックス１０の架橋が起こる。

【0026】

保持段階の終了後、冷却段階が始まり、ここで、１９０℃の高さの温度から出発して、好適には１０Ｋ／ｍｉｎの冷却速度で冷却を行う。保持段階において事前に生じた架橋により、プラスチック系マトリックス１０の強度および密度（自由体積の低減）が上昇した。冷却プロセスの間に、好適には、約１２５℃のプラスチック系マトリックス１０のガラス温度範囲において、β型核形成に基づくポリプロピレンプラスチック粒子１１の再結晶化が始まる。よって、注型した電気部材、例えば、積層鉄心、巻線、スイッチングリング等が、熱による、特に冷却による収縮、殊に熱収縮を起こすことで、冷却段階の間に、プラスチック系マトリックス１０とポリプロピレンプラスチック粒子１１とから形成された適用される注型材料１００に材料応力が誘導される。生じた材料応力の低減に際して、プラスチック系マトリックス１０中で材料応力により生じた力は、ポリプロピレンプラスチック粒子１１へと導入される。その際、ポリプロピレンプラスチック粒子１１は、反応を起こして機械的に靱性が高まり、図３ａまたは３ｂにおいて蛇行構造として認識されるように、多孔質構造を形成するため、ポリプロピレンプラスチック粒子１１は、膨張により材料応力を低減させる。冷却段階の後に、ポリプロピレンプラスチック粒子１１は、完全に晶出および膨張した状態で存在する。それに加えて、プラスチック系マトリックス１０は、完全に硬化しており、プラスチック系マトリックス１０中に生じた材料応力は、かなり低減されている。その後、注型材料１００は、もはや成形可能ではない。

【0027】

本発明は、その実施形態について、先に記載した好ましい構成に制限されてはいない。むしろ、基本的に異なるやり方の実施形態においてもここに示した解決策を用いる変法が多く考えられる。空間的配置の構造の詳細および方法工程を含む、本記載の請求項または図面から明らかとなる特徴および／または利点はすべて、それ自体でも、様々な組み合わせでも、本発明の重要な要素となり得る。

【符号の説明】

【0028】

１００ 注型材料、 １０ プラスチック系マトリックス、 １１ ポリプロピレンプラスチック粒子、 １２ 核形成剤

【図1a】

【図1b】

【図2a】

【図2b】

【図3a】

【図3b】