Ein Kunststoff-Compoundeur hat ein kriechstromfestes Polyphenylensulfid-Compound entwickelt. Damit wird dieser Thermoplast auch für Elektro- und Elektronik-Anwendungen – etwa in der Elektromobiltät – interessant. (Bildquelle: Adobe Stock 38993526 tom hanisch)

Der Hochleistungsthermoplast Polyphenylensulfid (PPS) hat sich in zahlreichen Anwendungen mit hohen Dauergebrauchstemperaturen bis 240 °C bewährt und ist ohne Zugabe von Flammschutzmitteln inhärent flammwidrig (UL94 V-0). PPS besitzt außerdem eine hohe mechanische Steifigkeit und Festigkeit, eine hervorragende Beständigkeit gegen Verformung unter Last (Kriechen) auch bei erhöhten Temperaturen, eine sehr geringe Wasseraufnahme sowie eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Öle und Chemikalien. Als Ersatz von Metall-, Keramik und Duroplast-Werkstoffen ist PPS daher gut geeignet, zumal dieser Kunststoff aufgrund seines hohen Schmelzpunktes von annähernd 290 °C auch für Herstellung von Elektronikbauteilen im Reflow-Lötverfahren verwendet werden kann.

Einziger Schwachpunkt hinsichtlich des hier betrachteten Einsatzgebietes stellt die eingeschränkte Isolationseigenschaft von Standard-PPS im Hinblick auf die Kriechstromfestigkeit dar. Die Kriechstromfestigkeit hat einen erheblichen Einfluss auf die Bemessung der minimalen Kriechstrecken zwischen den spannungsführenden Bauteilen. Die unter anliegender Spannung und Einfluss von Feuchtigkeit und Verunreinigungen entstehenden Kriechwege auf der Bauteiloberfläche können zum Kurzschluss und somit zum Ausfall des gesamten elektronischen Bauteils führen.

Kriechstromfestigkeit des Polyphenylensulfid-Thermoplasten Tedur HTR, gemessen als CTI-Wert (Comparative Tracking Index) in Volt, im Vergleich zu einem Standard-PPS. (Bildquelle: Albis Plastic)

Kriechstromfestigkeit des Polyphenylensulfid-Thermoplasten Tedur HTR, gemessen als CTI-Wert (Comparative Tracking Index) in Volt, im Vergleich zu einem Standard-PPS. (Bildquelle: Albis Plastic)

Um die Neigung eines Materials zur Kriechwegbildung zu bestimmen, wird der Comparative Tracking Index (CTI) gemessen. Bei diesem Prüfverfahren nach dem IEC-Standard 60112 wird zwischen zwei Elektroden auf einem Prüfplättchen tropfenweise eine genormte Prüflösung aufgebracht. Der CTI-Wert entspricht der maximalen Spannung (in 25-Volt-Schritten), bei der nach 50 Auftropfungen kein Stromfluss, das heißt weniger als 0,5 A für maximal 0,2 Sekunden, zwischen den Elektroden vorliegt.

Der praktische Nutzen eines hohen CTI-Wertes ist, dass die elektronischen Kontakte, beispielsweise eines Steckers, umso enger positioniert werden können, je höher dieser Wert ist. Wenn nur ein geringer Bauraum zur Verfügung steht, ist ein hoher CTI-Wert bei der Werkstoffwahl entscheidend. Aber auch so stehen die Hersteller von Steckverbindern fast durchweg unter dem Druck ihrer Abnehmer, die möglichst kleine, aber dennoch robuste Stecker haben wollen. Standard-PPS erreicht üblicherweise nur CTI-Werte von 150 bis 250 V (PLC 2 bis 4) und erfordert entsprechend hohe Mindestkriechtrecken zwischen den spannungsführenden Bauteilen, was sich wiederum nachteilig auf die Bauteilgröße auswirken kann.

Einfluss verschiedener Oberflächenqualitäten (Oberflächentexturen) von Tedur HTR auf die Kriechstromfestigkeit, gemessen als CTI-Wert: Die Hochglanz-Polierung erhöht die Kriechstromfestigkeit, raue Oberflächen vermindern das Isolationsvermögen. (Bildquelle: Albis Plastic)

Einfluss verschiedener Oberflächenqualitäten (Oberflächentexturen) von Tedur HTR auf die Kriechstromfestigkeit, gemessen als CTI-Wert: Die Hochglanz-Polierung erhöht die Kriechstromfestigkeit, raue Oberflächen vermindern das Isolationsvermögen. (Bildquelle: Albis Plastic)

Hohe Kriechstromfestigkeit auch nach Alterung

Mit dem PPS-Compound Tedur HTR hat der Hersteller Albis Plastic aus Hamburg dagegen einen Werkstoff entwickelt, neben den bekannten Vorzügen von PPS auch noch einen hohen CTI-Wert besitzt, nämlich einen Wert von 500 V (PLC 1). Durch eine besondere Füllstoff-Additiv-Kombination (Füllstoffe: 65 % Glasfaser-/Mineral) ist es dem Compound-Hersteller gelungen, den hohen CTI-Wert auch nach Alterungstests unter Einfluss von Heißluft (1.008 h, 200 °C) und nach Klimalagerung (85 °C / 85 % RH) unverändert beibehalten zu können. Weiterhin erfüllt das PPS-Compound die Prüfbedingungen zur Kontaktkorrosion in Verbindung mit verschiedenen Metallen nach Lagerung im heiß-feuchten Klima (1.000 h bei 85 °C und 85 % RH). Die deutlich erhöhte Wärmeleitfähigkeit von 1,0 W/mK von Tedur HTR kann sich darüber hinaus auch positiv auf das Wärmemanagement im Bauteil selbst oder der Bauteilumgebung auswirken und somit die Leistung und Lebensdauer von elektronischen Komponenten verbessern.

Das Verfahren zur Beurteilung von Isolierstoffen gegen Kriechwegbildung sieht die Prüfung an Platten mit polierter Oberfläche vor. Analysen im Labor und in der Praxis ergaben, dass durch eine hochglanzpolierte Oberfläche der CTI-Wert um bis zu 50 V erhöht werden kann, wohingegen raue Oberflächen einen negativen Effekt auf die Kriechwegbildung haben können.

Mit dem Polyphenylensulfid-Compound Tedur HTR ist es Albis Plastic gelungen, ausgezeichnete Isolationseigenschaften mit den für Polyphenylensulfid charakteristischen Materialeigenschaften wie hohe Temperaturbeständigkeit, inhärente Flammwidrigkeit und sehr gute Beständigkeit gegen Verformung unter Last (Kriechen) zu kombinieren. Mit diesem Eigenschaftsprofil eignet sich dieses Kunststoff-Compound als Werkstoff für elektrische und elektronische Komponenten in der Antriebstechnik und Stromversorgung, beispielsweise für Bauteile in der Leistungselektronik für Wind- und Solaranlagen und für die Elektromobilität.