JP2005104797A

JP2005104797A - α石英粉末およびその製造方法

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Publication number: JP2005104797A
Application number: JP2003343242A
Authority: JP
Inventors: Kazumichi Yanagisawa; 和道柳澤; Eihei Shu; 永平朱; Ayumu Onda; 歩武恩田; Koji Kajiyoshi; 浩二梶芳
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2023-10-01
Also published as: JP4734825B2

Abstract

【課題】
樹脂フィラーとして用いた場合に、従来より高い熱伝導度を示す樹脂成形体を与えるα石英粉末およびその製造方法を提供する。
【解決手段】
平均一次粒径が０．２μｍ以上２μｍ以下の範囲であり、多面体形状を有する単結晶粒子からなることを特徴とするα石英粉末。ＳｉＯ₂を、濃度が０．２Ｍ以上０．５Ｍ以下の範囲である水酸化ナトリウムの水溶液を用いて、２４０℃以上３５０℃以下の温度範囲で水熱処理することを特徴とするα石英粉末の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、α石英粉末およびその製造方法に関する。より詳しくは、樹脂のフィラーとして好適なα石英粉末およびその製造方法に関する。

α石英粉末は、樹脂フィラーとして用いられており、例えば、半導体素子の封止材用のエポキシ樹脂等の樹脂に加えるフィラーとして用いられている。α石英粉末をフィラーとして封止材用樹脂に加える目的の一つは、半導体を封止している樹脂成形体の熱伝導度の向上にある。近年、半導体素子の高集積化に伴って、半導体素子から発生する熱の放散が問題となっているので、従来よりさらに高い熱伝導度を示す樹脂成形体を与えるα石英粉末が求められていた。そのα石英粉末としては、従来は天然の珪砂を粉砕して得られ、形状が不定形の多結晶粒子からなり、平均一次粒径が２０μｍ程度以上７０μｍ程度以下の範囲のものが用いられていた（例えば、特許文献１参照。）

特開平１０−９５６０７号公報

本発明の目的は、樹脂フィラーとして用いた場合に、従来より高い熱伝導度を示す樹脂成形体を与えるα石英粉末およびその製造方法を提供することにある。

本発明者らは、前記課題を解決するため、α石英粉末について鋭意検討した結果、一定の範囲の平均一次粒径を有し、かつ多面体形状を有する単結晶粒子からなるα石英粉末を樹脂に加えるフィラーとして用いると、樹脂成形体が従来より高い熱伝導度を示すことを見出した。また、本発明者らは、ＳｉＯ₂を水酸化ナトリウムの水溶液中で、一定の温度範囲において水熱処理することにより、前記一定の範囲の平均一次粒径を有し、かつ多面体形状を有し、単結晶粒子からなるα石英粉末が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち本発明は、平均一次粒径が０．２μｍ以上２μｍ以下の範囲であり、多面体形状を有する単結晶粒子からなることを特徴とするα石英粉末を提供する。また本発明は、ＳｉＯ₂を、濃度が０．２Ｍ以上０．５Ｍ以下の範囲である水酸化ナトリウムの水溶液を用いて、２４０℃以上３５０℃以下の温度範囲で水熱処理することを特徴とするα石英粉末の製造方法を提供する。

本発明のα石英粉末は、樹脂のフィラーとして用いた場合、樹脂成形体の熱伝導度を従来より高めることができるので、本発明のα石英粉末は半導体素子の封止材用の樹脂のフィラーとして好適であり、さらに本発明の製造方法により、平均一次粒径が０．２μｍ〜２μｍであり、均一な多面体形状を有する単結晶粒子からなるα石英粉末を製造することができるので、本発明は工業的に極めて重要である。

本発明のα石英粉末は、平均一次粒径が０．２μｍ以上２μｍ以下の範囲である。平均一次粒径が前記の範囲の場合に、本発明のα石英粉末を樹脂のフィラーとして用いた場合に、樹脂成形体が高い熱伝導度を示す。

本発明のα石英粉末は単結晶粒子からなり、粒子には結晶面が現れているので多面体形状を有しており、形状が均一である。本発明のα石英粉末の粒子は単結晶であるので、α石英の結晶が本来有する高い熱伝導度を有する。一つの粒子が単結晶ではなく、α石英以外のクリストバライトやガラスが含有されている場合は、α石英粉末を樹脂のフィラーとして用いた場合に、樹脂成形体が高い熱伝導度を示さない。

本発明のα石英粉末をフィラーとして用いることができる樹脂としては、エポキシ樹脂、イミド樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、シリコーンゴム等が挙げられる。また、フィラーとして用いるに際して、樹脂との濡れ性の改善や、他の機能を改善するために、分散剤、脱泡剤、離型剤、難燃剤、着色剤等の各種添加物を添加することができる。

本発明のα石英粉末の粒子は、表面が安定で吸着水分が低いため、樹脂に加えてフィラーとして用いた場合、フィラーに吸着されている水分の蒸発により樹脂成形体にクラックが発生することを抑制することができる。また、α石英粒子の形状が均一なため、より高密度に充填することができ、さらに高い熱伝導度を有する樹脂成形体を得ることができる。また、従来と同じ程度の熱伝導度で十分な用途では、樹脂に対するα石英粉末の添加量を低減することができることから、α石英粉末を加えた樹脂の成形性を改善することができる。

また本発明のα石英粉末は、単結晶粒子からなり粒子の形状が均一であり、分散性に優れ硬度も高いため、研磨材用にも適している。本発明のα石英粉末を分散液に分散させて研磨材用組成物を作製することができる。分散液は用途によって水、有機溶媒を用いることができる。また研磨用パッドやα石英粉末の分散液に対する濡れ性を改良するため、研磨材用組成物には界面活性剤を添加することもできる。さらに、腐食防止剤、殺菌剤などを添加することもできる。本発明のα石英粉末を用いた研磨材用組成物を用いると、被研磨面の表面粗さが小さくなるので、シリコンウエハ、ガリウム砒素等の化合物半導体のウエハ、磁気デスク基板、水晶基板の研磨に好適である。

次に、本発明の製造方法について説明する。
本発明の製造方法は、ＳｉＯ₂を、濃度が０．２Ｍ以上０．５Ｍ以下の範囲である水酸化ナトリウムの水溶液を用いて、２４０℃以上３５０℃以下の温度範囲で水熱処理を行うα石英粉末の製造方法である。

本発明の製造方法で用いることができる出発原料のＳｉＯ₂は、本発明の水熱処理の条件で水酸化ナトリウム水溶液に溶解するシリカであればよく、例えば、非晶質シリカ、コロイダルシリカ、フュームドシリカ、石英ガラス粒子等を用いることができる。その粒径は、水酸化ナトリウム水溶液への分散、溶解が可能であればよいが、好ましくは平均一次粒径が１０ｎｍ〜１０μｍ、さらに好ましくは１０ｎｍ〜１μｍである。

このようなＳｉＯ₂を水酸化ナトリウムの水溶液に分散させ、オートクレーブに入れて水熱処理を行う。水酸化ナトリウムの水溶液の濃度は、０．１Ｍ以上２Ｍ以下の範囲であり、０．２Ｍ以上０．５Ｍ以下の範囲が好ましい。濃度が低すぎると、所定の平均一次粒径のα石英粉末とはならないおそれがあり、濃度が高すぎると、多結晶からなるα石英粒子が多く混入するおそれがある。ＳｉＯ₂の量は、水酸化ナトリウムの水溶液に対して１ｇ／Ｌ以上１００ｇ／Ｌ以下が好ましい。１ｇ／Ｌ未満では所定の平均一次粒径のα石英粉末とならない傾向があり、１００ｇ／Ｌを超えると非晶質（ガラス）のＳｉＯ₂粒子が混入する傾向がある。水熱処理前には、ＳｉＯ₂は水酸化ナトリウムの水溶液中に、例えば、攪拌、超音波照射等の方法により分散させておくことが好ましい。

水熱処理は、オートクレーブを密閉した後、２４０℃以上３５０℃以下の温度範囲で、通常は５時間〜３０時間保持して行う。この温度範囲未満では平均一次粒径が所定の範囲未満となる傾向があり、この温度範囲を超えると粒子が強く凝集して単結晶粒子が生成しない傾向がある。平均一次粒径は、水熱処理の温度、時間および水酸化ナトリウム水溶液濃度により変化する。水熱処理の温度は高い方が、処理時間は長い方が、また、水酸化ナトリウム水溶液の濃度は高い方が、得られるα石英粉末の平均一次粒径が大きくなる傾向がある。

ここで、水熱処理の昇温速度および降温速度の影響は特にないが、通常の装置で制御できる速度であればよい。例えば、処理温度に制御されている乾燥機に、水酸化ナトリウム水溶液とＳｉＯ₂を入れたオートクレーブを投入設置する方法で生じる昇温速度を用いることができる。

使用するオートクレーブは、腐食性がある溶液を使用するため、耐食処理したものが好ましい。例えばハステロイ製、フッ素コーテングした鉄製のオートクレーブを使用することができる。オートクレーブはバッチ式、連続式のいずれも用いることができる。

本発明の製造方法で得られるα石英粉末は、平均一次粒径が０．２μｍ以上２μｍ以下であり、単結晶であり多面体形状を有している粒子からなる。従って、各々の粒子は形状が均一でありまた硬度が高く、さらに、高い熱伝導度を有するのである。

また、用途により高い純度が必要な場合、水熱処理後に水で洗浄することにより容易に水酸化ナトリウムを除去することができる。

水熱処理後の粒子には弱い凝集が生じているが、粒子が単結晶であるため、その凝集力は弱く軽い粉砕で分散することができる。軽く粉砕する方法としては、例えば、ジェットミル、ボールミル、振動ミル、ダイノーミル等を用いる方法が挙げられる。軽く粉砕する処理により得られたα石英粉末は、樹脂のフィラーとして用いた場合、さらに充填性に優れ、高い熱伝導度を達成することができる。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
１．粒子形状の観察
１次粒子の形状は粉末のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡、日本電子株式会社製Ｔ−３００）およびＴＥＭ（透過型電子顕微鏡、日立製作所製ＴＥＭＨ９０００ＮＡＲ）により観察した。
２．粉末の結晶相の測定
Ｘ線回折装置（リガク製ＲＩＮＴ２５００ＴＴＲ）により測定した。

実施例１
日本シリカ工業製の非晶質シリカ粉末（ＮｉｐｓｉｌＶＮ３（商品名））１．０ｇを０．３３ＭのＮａＯＨ水溶液１５ｍｌに分散、１５分間超音波を照射しながら攪拌した。該混合物をハステロイ製オートクレーブを用いて３００℃で１２時間保持して水熱処理した。生成した粒子を超音波を照射しながら１５分間攪拌後、蒸留水で洗浄し、最後にアセトン洗浄して真空乾燥し粉末を得た。得られた粉末の結晶構造はα石英であった。得られた粉末の粒子は粒子形状が多面体形状であり、形状が均一な単結晶粒子であった。また、平均一次粒径は約０．５μｍであった。

実施例２
水熱処理の時間を２４時間にした以外は実施例１と同様の方法で実施した。得られた粉末の結晶構造はα石英であった。得られた粉末の粒子は粒子形状が多面体形状であり、形状が均一な単結晶粒子であった。また、平均一次粒径は１μｍであった。

実施例３
処理温度を３５０℃にした以外は実施例１と同様の方法で水熱処理した。得られた粉末の結晶構造はα石英であった。得られた粉末の粒子は粒子形状が多面体形状であり、形状が均一な単結晶粒子であった。また、平均一次粒径は２μｍであった。得られたα石英粉末をエタノール溶媒中で湿式ボールミルを行ない、乾燥して粉末を得た。この粉末をエポキシ樹脂にα石英粒子が５０重量％となるように添加した。α石英粒子にシランカップリング剤（東レシリコーン製、ＳＨ６０４０（商品名））をα石英粉末に対して０．１重量％加えた。エポキシ樹脂のモノマー（住友化学工業製、ＥＬＡ１２８（商品名））１００重量部に、フェノールノボラック（群栄化学製、ＰＳＭ４２６１（商品名））を５８．９重量部加え、前記シランカップリング剤含有α石英粉末を加え、ロールを用いて混練し、トランスファー成形により樹脂成形体を作製した。樹脂成形体の熱伝導度を測定した結果、２．１Ｗ／ｍＫであった。

比較例１
市販のシリカ粉末（平均一次粒径２μｍ、龍森製）を用いて実施例３と同様にして樹脂成形体を作製し、樹脂成形体の熱伝導度を測定した結果、１．６Ｗ／ｍＫであった。

比較例２
水酸化ナトリウムの濃度を０．１Ｍにした以外は実施例１と同様の方法で実施した。得られた粉末はクリストバライトを含み、粒子の形状は不均一であった。

Claims

平均一次粒径が０．２μｍ以上２μｍ以下の範囲であり、多面体形状を有する単結晶粒子からなることを特徴とするα石英粉末。
ＳｉＯ₂を、濃度が０．２Ｍ以上０．５Ｍ以下の範囲である水酸化ナトリウムの水溶液を用いて、２４０℃以上３５０℃以下の温度範囲で水熱処理することを特徴とするα石英粉末の製造方法。