JP2004217941A

JP2004217941A - 熱硬化性組成物及びその硬化物

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Publication number: JP2004217941A
Application number: JP2004130767A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Hirai; 康之平井; Teruki Aizawa; 輝樹相沢; Hideo Nagase; 英雄長瀬; Yoshinori Sato; 義則佐藤; Shinichi Kamoshita; 真一鴨志田; Minoru Kakiya; 稔垣谷; Shunichi Numata; 俊一沼田
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 1997-01-20
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】高価なマレイミド化合物を多用することなくその複合化効果により高耐熱、高強度の硬化物を与えるジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂を含有する熱硬化性組成物及びその硬化物を提供する。
【解決手段】オルト位の少なくとも一方に水素が結合しているフェノール性水酸基を１分子中に２個以上有する化合物とホルムアルデヒドとの混合物に１級アミンを徐々に加えながら反応させるジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂の製造法。
【選択図】なし

Description

本発明は、耐熱性に優れる、電子部品、プリント配線板用積層板及びプリント配線板、半導体封止材料、半導体搭載モジュール等の電子材料、自動車・車輛、航空機部品、建築部材、工作機械等に用いられる熱硬化性組成物及びその硬化物に関する。

本発明はまた、上記熱硬化性組成物を用いたプリプレグ、金属張積層板、プリント配線板に関する。

熱硬化性樹脂を用いる組成物は、軽量・安価・大量生産性といったプラスチックスの特徴に加え、高温での安定性、信頼性に優れ産業上の様々な分野で広く用いられている。しかし商業的に実際に用いられている熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂等数種に限られ、これらの高機能化はもっぱら添加剤や充填材の寄与に依っていた。これらの樹脂自体を高機能化する手段としては、所謂スーパーエンプラとの複合化が有効であることが知られているが、高機能化の程度はこれらの添加量とほぼ比例するため、十分な特性の向上のためには高価なスーパーエンプラを多量に用いなければならず商業的意味を失ってしまう。

最近、ジヒドロベンゾオキサジン環を有する化合物の開環重合反応を用いる新規な熱硬化性樹脂が見出されており、高耐熱性、難燃性、高機械強度の硬化物が得られるという報告がある。例えば、種々の２官能ベンゾオキサジン化合物の硬化物特性が（例えば、非特許文献１参照。）、あるいはジヒドロベンゾオキサジン化合物とエポキシ樹脂との樹脂組成物が（例えば、特許文献１参照。）、また分子内あるいは添加剤としてある種のフェノール性水酸基を共存させることによりジヒドロベンゾオキサジン化合物の硬化性を向上させられることが示されている（例えば、特許文献２及び非特許文献２参照。）。

しかし、これらのジヒドロベンゾオキサジン化合物に関する検討は未だわずかの報告しかなく、他の樹脂系、特にポリイミド等の高耐熱性樹脂との複合化による効果はこれまで知られていない。
Journal of Polymer Science:Part B:Polymer Physics, Vol. 32, 921-927(1994) 特開平４−２２７９２２号公報特開平７−１８８３６４号公報 Journal of Applied Polymer Science, Vol. 58, 1751-1760(1995)

本発明は、高価なマレイミド化合物を多用することなくその複合化効果により高耐熱、高強度の硬化物を与えるジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂を含有する熱硬化性組成物及びその硬化物を提供することを目的とする。

本発明はまた、上記熱硬化性組成物を用いた耐熱性、機械的強度に優れたプリプレグ、金属箔張積層板、プリント配線板を提供することを目的とする。

本発明者らは前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂に少量のマレイミド環を有する熱硬化性樹脂を配合することにより、ジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂の硬化物特性が大きく向上することを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明はジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂及びマレイミド環を有する熱硬化性樹脂を必須成分として含有し、マレイミド環を有する熱硬化性樹脂の含有割合がジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂及びマレイミド環を有する熱硬化性樹脂の合計量に対して３〜３０重量％であることを特徴とする熱硬化性組成物を提供するものである。

本発明の熱硬化性組成物は、高価なマレイミド化合物を多用することなくその複合効果により高耐熱、高強度の硬化物を与える。従って、本発明の熱硬化性組成物は電子部品、プリント配線板用積層板及びプリント配線板、半導体封止材料、半導体搭載モジュール等の電子材料、自動車・車輛、航空機部品、建築部材、工作機械等の原料として有用である。

本発明の熱硬化性組成物において、マレイミド環を有する熱硬化性樹脂の含有割合がジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂及びマレイミド環を有する熱硬化性樹脂の合計量に対して３〜３０重量％であることが必要である。マレイミド環を有する熱硬化性樹脂の含有割合がこの範囲よりも少ないとマレイミド環を有する熱硬化性樹脂による硬化物特性、特にガラス転移温度の向上効果が得られず、逆にこの範囲よりも多いとイミド樹脂に特有の硬化物の脆さが顕在化し、また安価な原材料から製造しうるジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂の商業的な優位性が失われてしまう。マレイミド環を有する熱硬化性樹脂の含有割合の更に好ましい範囲は５〜２０重量％である。

本発明において用いられるジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂としては、ジヒドロベンゾオキサジン環を有し、ジヒドロベンゾオキサジン環の開環重合反応により硬化する樹脂であれば特に限定されない。具体的には、例えば、下記反応式に示されるように、オルト位の少なくとも一方に水素が結合しているフェノール性水酸基を有する化合物、１級アミン及びホルムアルデヒドから合成することができる。

（式中のＲは炭素数１〜６のアルキル基、シクロヘキシル基、フェニル基又は少なくとも１つの炭素数１〜３のアルキル基若しくはアルコキシル基で置換されたフェニル基である。）
この樹脂は、加熱により開環重合反応を起こし、揮発分を発生させることなくフェノール性水酸基を生成しながら優れた特性を有する架橋構造を形成する。この硬化物は低吸水率、比較的高いガラス転移温度、高強度を示し、難燃性に優れている。

この樹脂を合成するには、オルト位の少なくとも一方に水素が結合しているフェノール性水酸基を有する化合物と１級アミンとホルムアルデヒドとを、フェノール性水酸基１モル当たり１級アミンを０．５〜１．０モル、及びホルムアルデヒドを１級アミン１モル当たり２モル以上の割合で用いて反応させることが望ましい。１級アミンの使用割合を上記のようにすると、フェノール性水酸基を有する化合物のフェノール性水酸基の一部が未反応で残存し、硬化性、機械強度等の硬化物特性が改善される。

ジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂の原料となる、オルト位の少なくとも一方に水素が結合しているフェノール性水酸基を有する化合物としては、フェノール類、多官能フェノール類、ビスフェノール類、１，１，１−トリス（４−ヒドロキシフェニル）エタンなどのトリスフェノール類、フェノール樹脂等が挙げられるが、硬化物特性の観点から１分子中にオルト位の少なくとも一方に水素が結合しているフェノール性水酸基を２以上有する化合物であることが望ましい。具体的には、多官能フェノール類としてカテコール、レゾルシノール、ヒドロキノン、ビスフェノール類としてビスフェノールＡ、ビスフェノールＳ、ビスフェノールＦ、ヘキサフルオロビスフェノールＡ等が挙げられる。またフェノール樹脂としては、フェノールノボラック樹脂、レゾール樹脂、フェノール変性キシレン樹脂、アルキルフェノール樹脂、メラミンフェノール樹脂、ポリブタジエン変性フェノール樹脂等が挙げられる。これらは１種類だけでも２種類以上用いることもできる。

また、１級アミンとしてはメチルアミン、ブチルアミン、シクロヘキシルアミン等の脂肪族アミン、アニリン、トルイジン、アニシジン等の芳香族アミンを用いることができる。またこれら複数のアミンを併用することもできる。

ホルムアルデヒドはホルマリン水溶液として、またパラホルムアルデヒドとして、いずれの形態でも用いることができる。

また、ジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂の具体的な製造方法は、上記３種の原料を、１級アミンをホルムアルデヒドへ徐々に加えるという手順で反応させ（フェノール性水酸基を有する化合物はアミン、アルデヒドのどちら側にあってもよい）、添加後２０分〜２４時間、７０〜１２０℃に保つ。この時溶剤を用いることもできる。反応後、生成物を抽出等の合成化学的手法で単離し縮合水等の揮発成分を乾燥除去することにより目的とする熱硬化性樹脂が得られる。

また、本発明のもう一方の必須成分であるマレイミド環を有する熱硬化性樹脂としては、モノマレイミド類、ビスマレイミド類、ポリマレイミド類のいずれも用いることができるが、マレイミドの硬化物特性は架橋点であるマレイン酸由来の二重結合の密度により非常に脆さや強度が大きく変化する。本発明においては、ビスマレイミドを用いた場合に最も強度と靭性のバランスがとれ、特に４，４′−ジフェニルメタンビスマレイミドあるいは２，２−ビス［４−（４−マレイミドフェノキシ）フェニル］プロパンを用いることが望ましい。

マレイミド化合物、特にビスマレイミド化合物は、それ自身が高耐熱性の特殊樹脂に位置し、高密度多層プリント配線板等の特に高い信頼性を要求される分野に限って用いられている。このような高耐熱性のマレイミド樹脂を複合化すれば汎用樹脂においても高機能化を図れるが、一般に異種の樹脂混合物は両者の中間的な特性しか示さない場合が多く、特殊なミクロ分散技術等によって相分離構造、界面構造を制御できた場合にのみ異種材料の利点のみが活かされたアロイを形成する。本発明においてはマレイミド化合物の添加量と硬化物特性、特にガラス転移温度の間に非直線関係が見出され、マレイミド化合物の少量の添加で大きな効果があることが認められた。また、機械特性についてもマレイミドの添加による破断歪率の低下が小さく強度のみが若干向上するという傾向が見られた。これは、マレイミドの架橋により硬化物のソフトセグメントであるアミノメチレン鎖が選択的に補強されるものと推定される。また、他の熱硬化性樹脂と比較して硬化のやや遅いジヒドロベンゾオキサジン環の特徴がマレイミド化合物の重合速度と同期し、両者の架橋構造が所謂ＩＰＮを形成する可能性も考えられる。このように、高価なマレイミド化合物の導入において僅かの添加量で大きな効果が得られるということは、ジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂に特有の利点であり、本発明の最も重要な要素である。

本発明の熱硬化性組成物には、ノボラック型フェノール樹脂を含有させることができる。ノボラック型フェノール樹脂を配合することにより硬化性が改善されるほか、硬化物物性、機械強度も改善される。ノボラック型フェノール樹脂中の水酸基は前記のジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂中に残存する水酸基と同様の作用を有するものである。ノボラック型フェノール樹脂の配合量は、ジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂とノボラック型フェノール樹脂中のフェノール性水酸基数の合計とジヒドロベンゾオキサジン環数の比（フェノール性水酸基数／ジヒドロベンゾオキサジン環数）が１．５以下とすることが好ましい。この比が１．５よりも大きいと硬化性は著しく改善されるが硬化物の架橋密度の低下が著しくなり、良好な硬化物物性、特に機械特性が得られない傾向がある。また、この比が０．２〜１．２である場合、更に好ましい結果が得られる。この比が０．２未満の場合、十分な硬化物物性は得られるがノボラックフェノール樹脂を添加した主目的、すなわち硬化性改善の効果が小さくなってしまう傾向がある。

本発明の熱硬化性組成物は、以上に記した成分以外に必要に応じ、充填材、補強材、難燃剤、離型剤、カップリング剤、可塑剤、硬化助剤、着色剤、可撓化剤、溶剤等を含有することができる。また、熱硬化性樹脂成分としても上記以外にエポキシ樹脂等を粘度、流れ性等の調整に混合することができる。

本発明の熱硬化性組成物は、ニーダー、加熱ロール等によって混練し、然る後に１５０〜２２０℃、成形圧２０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ²で１５分〜２時間加熱加圧することによって硬化物が得られる。また、この硬化物を更に１８０〜２２０℃で３０分〜４時間、後硬化させることにより、より優れた硬化物物性が得られる。

本発明の熱硬化性組成物は、耐熱性に特に優れる、電子部品、プリント配線板用積層板及びプリント配線板、半導体封止材料、半導体搭載モジュール等の電子材料、自動車・車輛、航空機部品、建築部材、工作機械等に好適に用いられる。

例えば、本発明の熱硬化性組成物をそのまま、あるいは必要に応じて充填材、離型剤、難燃剤、着色剤、カップリング剤等を添加して成形材料、半導体封止材料として用いることができる。また、あるいは、本発明の熱硬化性組成物に溶剤等を加えてワニス化し、これをガラスクロス等の基材に含浸させ、加熱乾燥して積層板用プリプレグを作製することができる。更に、このプリプレグを金属箔と共に加熱加圧することによってプリント配線板用積層板を作製し、更に回路を形成しプリント配線板を作製することができる。こうして作製したプリント配線板は耐熱性、機械特性等に優れた信頼性の高いものとなり、半導体搭載基板等の用途に好適に用いられる。

以下、本発明の実施例及びその比較例によって本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

なお、以下に示す熱硬化性樹脂及び組成物の各特性については、ゲルタイムは樹脂又は組成物０．３ｇを１８０℃に維持したホットプレート上で直径１ｍｍの鉄棒により１回／秒の速度で撹拌し糸引きが無くなるまでの時間を測定し、曲げ強度、曲げ破断歪率はＪＩＳＫ６９１１に準じて測定し、ガラス転移温度は熱機械特性評価装置（ＴＭＡ）による熱膨張曲線（昇温速度１０℃／分）の変曲点より求めた。

積層板特性については、ガラス転移温度は上記ＴＭＡ法で、銅箔ピール強度はＪＩＳＣ６４８１に準じて、吸水率は全面エッチング板の１２０℃水蒸気１０時間処理後の重量変化によって、難燃性はＵＬ−９４に準じて、耐電食性は穴径０．４ｍｍ・壁間０．３ｍｍのスルーホール間に５０Ｖ・８５℃・湿度８５％の処理をして絶縁抵抗が１０⁸Ω以下になるまでの時間を測定することによって求めた。耐湿耐熱性は全面エッチング板を１２０℃水蒸気で処理し、２６０℃のハンダ槽に２０秒浸漬した時に異常を示さない時間を求めることにより評価した。

成形材料の成形品特性はＪＩＳＫ６９１１及びＵＬ−９４に準じて測定し、金型汚れは目視により評価した。

実施例１
（１）ジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂ａの合成
ホルマリン及びフェノールをホルムアルデヒド／フェノール＝６／１０のモル比でシュウ酸を触媒として常法により合成したフェノールノボラック（平均核体数４、未反応フェノール０．１重量％以下）、１．７０ｋｇをメチルエチルケトン０．８９ｋｇに溶解し、３７％ホルマリン２．６０ｋｇを加えて撹拌・乳化させ、ここへアニリン１．４９ｋｇを１時間かけて徐々に添加し、同時に１時間で還流温度（８０〜８２℃）になるように徐々に昇温した。添加後７時間還流温度を維持し、溶剤・水分・未反応物を乾燥除去して赤色の透明均一な熱硬化性樹脂ａを得た。

ＮＭＲスペクトルにより、生成したジヒドロベンゾオキサジン環の形成率及び反応せずに残存したフェノール性水酸基の割合を定量したところ、原料のフェノールノボラックのフェノール性水酸基の内、７５％がジヒドロベンゾオキサジン環化し２５％が水酸基のまま残留していることが分かった。
（２）熱硬化性組成物の作製
上記のヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂ａ１．００ｋｇ、その原料として用いたフェノールノボラック樹脂０．２０ｋｇ、４，４′−ジフェニルメタンビスマレイミド０．１０ｋｇを粉砕・混合後、１５０℃に加熱した２軸ニーダー中に投入し３分間混練し、温度を１１０℃に下げて更に５分間混練し、冷却、粉砕して熱硬化性組成物を作製した。この組成物のフェノール性水酸基数とジヒドロベンゾオキサジン環数の比は、配合したフェノールノボラック樹脂の量より、フェノール性水酸基数／ジヒドロベンゾオキサジン環数＝０．８となる。
（３）硬化物の作製
上記に作製した熱硬化性組成物を、内寸１２０×８０×４ｍｍの金型内に充填し、１８５℃、５０ｋｇｆ／ｃｍ²で９０分間加熱加圧成形し、板状の硬化物を作製した。

実施例２〜６
実施例１（１）のジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂ａの合成において原料の配合割合を表１のように変えたほかは同様にして、ジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂ｂ及びｃを合成した。また、実施例１（２）の熱硬化性組成物の作製において、原料の配合割合を表２のように変えたほかは同様にして、実施例２〜６の熱硬化性組成物を作製し、実施例１（３）の硬化物の作製と同様に硬化物を作製した。これらの特性を表３に示す。

実施例７
実施例１において作製した熱硬化性組成物１００重量部、ビスフェノールＡ型臭素化エポキシ樹脂（エポキシ当量４００、臭素含有量４８重量％）２５重量部、ジシアンジアミド１重量部、シランカップリング剤０．３重量部、メチルエチルケトン６７重量部を混合溶解し、ワニス化した。これを厚さ２００μｍのガラスクロスに含浸させ、乾燥機により溶剤成分を揮発させて樹脂分４２重量％のプリプレグを得た。

このプリプレグを４枚重ね、その外層に１８μｍの電解銅箔を積層してステンレス鏡板で挟み、１８５℃、３０ｋｇｆ／ｃｍ²で９０分間加熱加圧し、厚さ０．８ｍｍの銅張積層板を得た。この積層板の特性を表４に示す。

実施例８〜１０
実施例３〜５において作製した熱硬化性組成物を用いて、実施例７と同様にプリプレグ及び銅張積層板を作製した。これらの積層板の特性を表４に示す。

実施例１１
実施例１で作製した熱硬化性組成物１００重量部、ガラス繊維（繊維径１０μｍ）１３０重量部、タルク５０重量部、ステアリン酸亜鉛３重量部、シランカップリング剤１．５重量部、カーボンブラック１．５重量部を混合し、１５０℃に加熱した２軸加熱ロールで２分、温度を１２０℃に下げて３分間混練し、冷却後粉砕して成形材料を作製した。これを名機製作所製Ｍ−１００Ａ−ＴＳ型射出成形機を用いて金型温度２００℃、射出圧５０ｋｇｆ／ｃｍ²、１０分間の条件で成形を行った。この成形品特性及び成形材料５０ｋｇ成形後の金型汚れを表５に示す。

実施例１２〜１４
実施例３〜５において作製した熱硬化性組成物を用いて、実施例１１と同様に成形材料及びその成形品を作製した。これらの成形品特性及び成形材料５０ｋｇ成形後の金型汚れを表５に示す。

比較例１〜５
実施例１と同様に、熱硬化性組成物及び硬化物を作製した。各々の比較例において用いた原料及び配合を表１及び表２に示す。また、これらの特性を表３に示す。なお、比較例４、５においてはジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂の代わりにビスフェノールＡ型エポキシ樹脂及びその硬化剤として４，４′−ジアミノジフェニルメタンを用いた。また、比較例２、３は、ジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂／マレイミド環を有する熱硬化性樹脂、の比と硬化物特性との関係を明瞭化するために示したものであり、実施例よりも良好な硬化物特性が得られていることは本発明とは矛盾しない。図１に実施例１、２及び比較例１〜５によって得られた、ジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂あるいはエポキシ樹脂／マレイミド環を有する熱硬化性樹脂、の比と硬化物のガラス転移温度との関係を示す。

比較例６及び７
比較例１及び４において作製した熱硬化性組成物を用いて、それぞれ実施例７と同様にプリプレグ及び銅張積層板を作製した。これらの積層板の特性を表４に示す。

比較例８
比較例１において作製した熱硬化性組成物を用いて、実施例１１と同様にこれらの成形品特性及び成形材料５０ｋｇ成形後の金型汚れを表５に示す。

比較例９
実施例１１において、実施例１で作製した熱硬化性組成物１００重量部に代えて、実施例１の（１）で用いたフェノールノボラック８５重量部及びヘキサメチレンテトラミン１５重量部を用いて、同様に成形材料及び成形品を作製した。成形品特性及び５０ｋｇ成形後の金型汚れを表５に示す。

なお、各表における配合組成はすべて重量部で示した。

（注）実施例１の（１）において合成したもの

（注１）ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１００重量部と４，４′−ジアミノジフェニルメタン５０重量部の混合物
（注２）実施例１の（１）で合成したもの
（注３）４，４′−ジフェニルメタンビスマレイミド
（注４）２，２−ビス［４−（４−マレイミドフェノキシ）フェニル］プロパン（注５）実施例１と同様にジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂のＮＭＲスペクトルとノボラック型フェノール樹脂の添加量から算出

ジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂（又はエポキシ樹脂）／マレイミド環を有する熱硬化性樹脂、の比と硬化物のガラス転移温度の関係を示すグラフ。

Claims

オルト位の少なくとも一方に水素が結合しているフェノール性水酸基を１分子中に２個以上有する化合物とホルムアルデヒドとの混合物に１級アミンを徐々に加えながら反応させることを特徴とするジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂の製造法。
オルト位の少なくとも一方に水素が結合しているフェノール性水酸基を１分子中に２個以上有する化合物、１級アミン及びホルムアルデヒドを、フェノール性水酸基１モル当たり１級アミン０．５〜１．０モル、ホルムアルデヒドを１級アミン１モル当たり２モル以上の割合で反応させる請求項１記載のジヒドロベンゾオキサジン環を有する熱硬化性樹脂の製造法。