JP2012193059A - 金属酸化物粒子の製造方法及び金属酸化物粒子配合樹脂組成物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粒径の制御を簡単に行うことができる金属酸化物粒子の製造方法の提供。
【解決手段】金属粉末と酸素とを反応して球状金属酸化物粒子を得る工程と得られた球状金属酸化物粒子を粉砕して所定粒径以上の粗粒を破砕する工程とを有する。金属粉末と酸素とを反応させることで球状の金属酸化物粒子が得られるが、その球状金属酸化物粒子に対して粉砕操作を行うことで、粗粒を選択的に破砕することが可能になり、速やかに粒径制御を行うことができる。球状金属酸化物粒子に粉砕操作を加えても、大部分の粒子には影響はなく、優先的に粗粒を破砕できる。従って、球状金属酸化物粒子に対して粉砕操作を加えることで大多数の粒子の粒子形状に影響を与えることなく粒径制御ができる。大多数の粒子の粒子形状を殆ど変化させないので球状金属酸化物粒子がもつ好ましい性質はそのまま有する金属酸化物粒子を得ることが可能になる。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属酸化物粒子の製造方法及び金属酸化物粒子配合樹脂組成物の製造方法に関する。

半導体パッケージは熱的性質向上などを目指し、球状シリカ粒子などの金属酸化物粒子を含有する樹脂組成物により封止されることが一般的である（特許文献１）。

特開平２０００−６３６３０号公報

ところで、半導体に求められる性能は近年益々高度になってきている。そのために半導体のパッケージについても高い性能が求められるようになってきている。例えば、半導体の封止に当たり、非常に狭い隙間に樹脂組成物を充填することが要求される。そのためには含有する金属酸化物粒子の径を高度に制御する必要があった。

本発明は上記実情に鑑み完成したものであり、高度な粒径の制御を簡単に行うことができる金属酸化物粒子の製造方法及びそのような金属酸化物粒子を用いる金属酸化物粒子配合樹脂組成物の製造方法を提供することを解決すべき課題とする。

本発明の金属酸化物粒子の製造方法は、金属粉末と酸素とを反応して球状金属酸化物粒子を得る工程と、
得られた球状金属酸化物粒子を粉砕して所定粒径以上の粗粒を破砕する工程と、を有することを特徴とする。前記所定粒径は５μｍであることが望ましい。本明細書において「粒径」とはレーザー回折により測定された値である。

従来、粉末の粒径を制御する方法としては篩い分けなどの分級手段により必要な粒径分布をもつ粉末を得る方法があった。必要な粒径分布をもつ粉末を分級により得る方法は分級に長時間が必要で生産性が低い問題があった。また、粉砕により所定の粒径分布を得る方法が考えられたが、粉砕により得られた粒子は液体に分散した場合の流動性があまり良くないといった問題があった。

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を行い以下の知見を得た。すなわち、金属粉末と酸素とを反応させることで球状の金属酸化物粒子が得られるが、その球状金属酸化物粒子に対して粉砕操作を行うことで、粗粒を選択的に破砕することが可能になり、速やかに粒径制御を行うことができることを見いだした。ここで、球状金属酸化物粒子に対して粉砕操作を加えても、大部分の粒子には影響はなく、優先的に粗粒を破砕することができることを発見した。

従って、球状金属酸化物粒子に対して粉砕操作を加えることで大多数の粒子の粒子形状に影響を与えることなく粒径制御ができるものである。大多数の粒子の粒子形状を殆ど変化させないので球状金属酸化物粒子がもつ好ましい性質はそのまま有する金属酸化物粒子を得ることが可能になる。

ここで、粉砕操作として望ましいものとしてはビーズミル又はジェットミルにて行う粉砕操作が挙げられる。特にこれらの粉砕操作を採用することで、粗粒より選択的に破砕を高速に行うことができる。

また、前記粗粒破砕工程後に、前記粗粒を通過しない孔径をもつフィルターを通過させる工程を有することが望ましい。更に、前記粗粒破砕工程後に、前記金属酸化物粒子にシランカップリング剤を反応させる工程を有することが望ましい。そして、前記球状金属酸化物粒子はシリカから構成されていることが望ましい。

更に上記課題を解決する本発明の金属酸化物粒子配合樹脂組成物の製造方法は、上述の金属酸化物粒子の製造方法にて金属酸化物粒子を製造した後、その製造された金属酸化物粒子に対して、熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂を混合する工程を有することを特徴とする。

特に、前記金属酸化物粒子配合樹脂組成物はプリプレグ、絶縁フィルム、電子部品用接着剤、異方性導電フィルム又はハードコートに好ましく用いられる。

本発明の金属酸化物粒子の製造方法は上記構成を有することで以下の作用効果を発揮する。すなわち、フィルターにより長時間ろ過を行わなくても粗粒を効果的に除去できると共に、粗粒の除去時に生成する破砕シリカが樹脂組成物中においてアンカー効果を発揮して高い強度が発揮できる。また、粉砕時間の制御により粗粒として除去する粒子の粒径変更を容易にできる。

本発明の金属酸化物粒子の製造方法及び金属酸化物粒子配合樹脂組成物の製造方法について、以下、詳細に説明する。

（金属酸化物粒子の製造方法）
本実施形態の金属酸化物粒子の製造方法は金属粉末酸化工程と粗粒破砕工程とその他必要な工程とを有する。

・金属粉末酸化工程
本工程は、金属粉末を酸素と反応させて球状金属酸化物粒子を得る工程である。用いる金属粉末は最終的に必要な金属酸化物粒子に応じて選択される。例えば、金属酸化物粒子として、シリカ粒子が必要な場合には金属シリコン、アルミナ粒子が必要な場合には金属アルミニウム、というように対応する金属が選択される。金属酸化物粒子としてはシリカが汎用されている。なお、金属粉末と同時に金属酸化物粉末を混合することもできる。

金属粉末を酸素と反応させて球状金属酸化物粒子を得る方法として代表的な方法は、いわゆるＶＭＣ（Vaperized Metal Combustion）法と称される方法である。ＶＭＣ法では、酸素を含む雰囲気中でバーナーにより化学炎を形成し、この化学炎中に目的とする酸化物粒子の一部を構成する金属粉末を粉塵雲が形成される程度の量投入し、爆燃を起こさせて酸化物粒子を得る。

ＶＭＣ法の作用について説明すれば以下のようになる。まず、容器中に反応ガスである酸素を含有するガスを充満させ、この反応ガス中で化学炎を形成する。次いで、この化学炎に金属粉末を投入し高濃度（５００ｇ／ｍ^３以上）の粉塵雲を形成する。すると、化学炎により金属粉末表面に熱エネルギが与えられ、金属粉末の表面温度が上昇し、金属粉末表面から金属の蒸気が周囲に広がる。この金属蒸気が酸素ガスと反応して発火し火炎を生じる。この火炎により生じた熱は、さらに金属粉末の気化を促進し、生じた金属蒸気と反応ガスが混合され、連鎖的に発火伝播する。このとき金属粉末自体も破壊して飛散し、火炎伝播を促す。燃焼後に生成ガスが自然冷却されることにより、酸化物粒子の雲ができる。得られた酸化物粒子は、バグフィルターや電気集塵器等により捕集される。

ＶＭＣ法は粉塵爆発の原理を利用するものである。ＶＭＣ法によれば、瞬時に大量の酸化物粒子が得られる。得られる酸化物粒子は、略真球状の形状をなす。例えば、シリカ粒子を得る場合にはシリコン粉末を投入すればよい。投入するシリコン粉末の粒子径、投入量、火炎温度等を調整することにより、得られる酸化物粒子の粒子径を調整することが可能である。また、原料物質としてはシリコン微粉末（金属粉末）に加えて、シリカ微粉末（金属酸化物粉末）も添加することができる。

・粗粒破砕工程
本工程は金属粉末酸化工程にて得られた球状金属酸化物粒子に対して粉砕操作を加えることで、含まれる粗粒を選択的に破砕する工程である。粉砕操作としては特に限定しないが、機械的せん断力を加えたり、粒子同士を衝突させたりすることで行う方法が挙げられる。機械的せん断力にて粉砕する好ましい方法としてはビーズミルが例示できる。粒子同士を衝突させて粉砕する好ましい方法としてはジェットミルが例示できる。特に機械的せん断力にて粉砕する方法が好ましい方法として挙げられる。

本工程では所定粒径以上の粒径をもつ粒子である粗粒を破砕して除去する工程である。所定粒径としては本製造方法にて製造される金属酸化物粒子を適用する対象によって適正値が変化するが、半導体パッケージ用の充填材に適用する場合には所定粒径として５μｍを採用することが望ましい。破砕により除去する粒径（所定粒径）を制御する方法としては粉砕の強度を制御するほか、粉砕操作を行う時間にて制御する。特に、粉砕の強度を一定にして粉砕時間を制御することで適正な制御が可能になる。

・その他の工程
その他の工程としては、粗粒破砕工程後に、前記粗粒を通過しない孔径をもつフィルターを通過させる工程を有することができる。フィルターにて処理することで、より確実に粗粒の除去ができる。粗粒破砕工程を経ていない段階ではフィルターを通過させて粗粒を除去することは非常に困難であるが、粗粒破砕工程にて概ね粗粒を破砕・除去した後では残存する粗粒の量が少ないので、容易にフィルターで粗粒を除去できる。本工程を有することで粗粒を破砕するために行う粉砕操作の時間を短縮できると共に、粉砕時間の短縮により粗粒以外の必要な粒子（所定粒径未満の粒径をもつ粒子）に対して粉砕により破砕することが防止できる。本工程は金属酸化物粒子を適正な分散媒中に分散させた状態で行うことが望ましい。

また、粗粒破砕工程後に、前記金属酸化物粒子にシランカップリング剤を反応させる工程を有することができる。シランカップリング剤を反応させることで金属酸化物粒子表面にシラノール基を導入することができる。シラノール基は反応性が高く、後述する樹脂組成物中に金属酸化物粒子を分散させた場合に樹脂組成物との反応基点になり樹脂組成物との密着性が向上して高い機械的性質が得られる。

（金属酸化物粒子配合樹脂組成物の製造方法）
本実施形態の金属酸化物粒子配合樹脂組成物の製造方法にて製造される金属酸化物粒子配合樹脂組成物は半導体パッケージ用の封止材、プリプレグ、絶縁フィルム、電子部品用接着剤、異方性導電フィルム、ハードコートなどに用いることができる。粒径が制御された（粗粒を含有しない）ので、狭い隙間にも容易に浸透できる他、薄膜状に成形したときに光学的・電気的性質が均質なものを得ることができる。

本実施形態の金属酸化物粒子配合樹脂組成物の製造方法は前述の金属酸化物粒子の製造方法で金属酸化物粒子を製造した後、熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂を混合する工程を有する。熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂としては特に限定しない。例えば、カチオン重合性化合物が例示できる。

カチオン重合性化合物は、エポキシ樹脂、オキシラン樹脂、オキセタン化合物、環状エーテル化合物、環状ラクトン化合物、チイラン化合物、環状アセタール化合物、環状チオエーテル化合物、スピロオルトエステル化合物、ビニル化合物などが挙げられ、これらの化合物を単独で、又は複数種類混合して用いることができる。

特に、エポキシ樹脂が入手性、取扱性などの観点から好ましい。エポキシ樹脂は特に限定されないが、１分子中に２以上のエポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマーが挙げられる。例えば、ビフェニル型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、トリアジン核含有エポキシ樹脂が挙げられる。

エポキシ樹脂以外の具体例としては、フェニルグリシジルエーテル、エチレンオキシド、エピクロロヒドリンなどのオキシラン化合物；トリメチレンオキサイド、３，３−ジメチルオキセタン、３，３−ジクロロメチルオキセタンなどのオキセタン化合物；テトラヒドロフラン、２，３−ジメチルテトラヒドロフラン、トリオキサン、１，３−ジオキソフラン、１，３，６−トリオキサシクロオクタンなどの環状エーテル化合物；β−プロピオラクトン、ε−カプロラクトンなどの環状ラクトン化合物；エチレンスルフィド、３，３−ジメチルチイランなどのチイラン化合物；１，３−プロピンスルフィド、３，３−ジメチルチエタンなどのチエタン化合物；テトラヒドロチオフェン誘導体などの環状チオエーテル化合物；エポキシ化合物とラクトンとの反応によって得られるスピロオルトエステル化合物；スピロオルトカルボナート化合物；環状カルボナート化合物；エチレングリコールジビニルエーテル、アルキルビニルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテルなどのビニル化合物；スチレン、ビニルシクロヘキセン、イソブチレン、ポリブタジエンなどのエチレン性不飽和化合物が例示できる。カチオン重合性化合物としては、エポキシ樹脂及びこれらの化合物を単独で、又は複数種類混合して用いることができる。

カチオン重合性化合物を硬化させる硬化剤としては１級アミン、２級アミン、フェノール樹脂、酸無水物を用いることがあり、硬化触媒としてはブレンステッド酸、ルイス酸、塩基性触媒などが用いられる。塩基性触媒としては、イミダゾール系、ジシアンジアミド系、アミンアダクト系、ホスフィン系、ヒドラジド系が用いられる。

ここで、塩基性触媒は硬化触媒としての作用を発揮させるか否かにかかわらず、添加されていることが粘度上昇を抑制する効果の観点からは望ましい。添加元素は樹脂組成物の粘度上昇を抑制する効果を有するが、同時に、樹脂組成物が含有するカチオン重合性化合物の硬化を促進する作用も発揮する。

従って、樹脂組成物を調製後、時間の経過に伴い、分散性を向上して粘度上昇を抑制する効果よりも、カチオン重合性化合物の硬化による粘度上昇が顕著になる。塩基性触媒は、添加元素のカチオン重合性化合物の硬化反応を触媒する部位に配位することで、添加元素の硬化触媒としての作用を抑制することでカチオン重合性化合物の硬化を抑制し粘度上昇を抑制するものと推測される。なお、前述した硬化剤は加熱することで反応が促進されてカチオン重合性化合物を硬化させることができる。

従って、塩基性触媒を共存させると、比較的低温では添加元素による粘度上昇を抑制する効果が顕著で取扱性に優れる上に、高温に加熱した後には硬化剤による硬化作用の発現で樹脂組成物を硬化させることができるという優れた性質が実現できる。

〔試験試料の調製〕
（実施例１）
平均粒径が０．３μｍの球状シリカＳＯ−Ｃ１（アドマテックス社製）１００質量部をメチルエチルケトン（ＭＥＫ）３００質量部に分散させてスラリー状にした。このスラリーをビーズミル（０．８ｍｍのジルコニアビーズを使用）にて５μｍ以上の粒径をもつ粒子を破砕した。５μｍ以上の粒径をもつ粒子を実質的に含まないか否かはスラリーの一部を取り出し５μｍのフィルターを通過できるかどうかで判断した。ビーズミルによる破砕操作前のスラリーは５μｍのフィルターを殆ど通過できなかったが、破砕操作後のスラリーは速やかに通過させることができた。得られたスラリーをエバポレーターにて乾燥して実施例１の試験粉末（金属酸化物粒子）を得た。

（実施例２）
実施例１の試験粉末１００質量部とエポキシ樹脂（ＺＸ−１０５９：東都化成製）１００質量部とを遊星型撹拌機（泡取り練太郎：シンキー製）にて混練して実施例２の金属酸化物粒子配合樹脂組成物を得た。

（実施例３）
平均粒径が０．５μｍの球状シリカＳＯ−Ｃ２（アドマテックス社製）１００質量部をＭＥＫを３００質量部に分散させてスラリー状にした。このスラリーをビーズミル（０．８ｍｍのジルコニアビーズを使用）にて５μｍ以上の粒径をもつ粒子を破砕した。５μｍ以上の粒径をもつ粒子を実質的に含まないか否かはスラリーの一部を取り出し５μｍのフィルターを通過できるかどうかで判断した。ビーズミルによる破砕操作前のスラリーは５μｍのフィルターを殆ど通過できなかったが、破砕操作後のスラリーは速やかに通過させることができた。得られたスラリーをエバポレーターにて乾燥して実施例３の試験粉末を得た。

（実施例４）
実施例３の試験粉末１００質量部とエポキシ樹脂（ＺＸ−１０５９：東都化成製）６５質量部とを遊星型撹拌機（泡取り練太郎：シンキー製）にて混練して実施例４の金属酸化物粒子配合樹脂組成物を得た。

（比較例１）
球状シリカＳＯ−Ｃ１（アドマテックス社製）をそのまま比較例１の試験粉末とした。

（比較例２）
比較例１の試験粉末１００質量部とエポキシ樹脂（ＺＸ−１０５９：東都化成製）１００質量部とを遊星型撹拌機（泡取り練太郎：シンキー製）にて混練して比較例２の金属酸化物粒子配合樹脂組成物を得た。

（比較例３）
球状シリカＳＯ−Ｃ２（アドマテックス社製）をそのまま比較例３の試験粉末とした。

（比較例４）
比較例３の試験粉末１００質量部とエポキシ樹脂（ＺＸ−１０５９：東都化成製）６５質量部とを遊星型撹拌機（泡取り練太郎：シンキー製）にて混練して比較例４の金属酸化物粒子配合樹脂組成物を得た。

〔試験〕
（粗粒の確認）
実施例１及び３、比較例１及び３のそれぞれについて水に分散させたスラリーを調製し、５μｍの孔径をもつメッシュにてろ過を行った。その後、メッシュ上の残渣をＳＥＭにて観察した結果、実施例１及び３の試験粉末ではメッシュ上に粉末（粗粒）は観察できなかったが、比較例１及び３の試験粉末ではメッシュ上に無数の粗粒が観察できた。

（侵入度の測定）
実施例２及び４、比較例２及び４の金属酸化物粒子配合樹脂組成物について侵入度を測定した。侵入度の測定は３０ｍｍ×６０ｍｍの方形のガラス板の長辺下側に厚さ５０μｍの両面テープを貼付した上に２０ｍｍ×８０ｍｍの方形のガラス板を載せた。両面テープを貼付していない一辺（短辺）にシリンジを用いて満遍なく各試験例の金属酸化物粒子配合樹脂組成物を載置した。載置してから対辺まで進んで（２０ｍｍ）到達した時間を計測した。

実施例２では１８０秒、実施例４では５３０秒、比較例２では浸透せず（３ｍｍ浸透）、そして比較例４では浸透せず（１ｍｍ浸透）、であった。従って、本発明方法を適用した実施例の金属酸化物粒子配合樹脂組成物では狭い隙間であっても速やかに侵入させることが可能であるが、比較例の金属酸化物粒子配合樹脂組成物では侵入に長時間を要した。

Claims (8)

1. 金属粉末と酸素とを反応して球状金属酸化物粒子を得る工程と、
   得られた球状金属酸化物粒子を粉砕して所定粒径以上の粗粒を破砕する工程と、を有することを特徴とする金属酸化物粒子の製造方法。
2. 前記所定粒径は５μｍである請求項１に記載の金属酸化物粒子の製造方法。
3. 前記粉砕はビーズミル又はジェットミルにて行う請求項１又は２に記載の金属酸化物粒子の製造方法。
4. 前記粗粒破砕工程後に、前記粗粒を通過しない孔径をもつフィルターを通過させる工程を有する請求項１〜３のいずれかに記載の金属酸化物粒子の製造方法。
5. 前記粗粒破砕工程後に、前記金属酸化物粒子にシランカップリング剤を反応させる工程を有する請求項１〜４のいずれかに記載の金属酸化物粒子の製造方法。
6. 前記球状金属酸化物粒子はシリカから構成されている請求項１〜５のいずれかに記載の金属酸化物粒子の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法にて製造された金属酸化物粒子に対して、熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂を混合する工程を有することを特徴とする金属酸化物粒子配合樹脂組成物の製造方法。
8. 前記金属酸化物粒子配合樹脂組成物はプリプレグ、絶縁フィルム、電子部品用接着剤、異方性導電フィルム又はハードコートに用いられる請求項７に記載の金属酸化物粒子配合樹脂組成物の製造方法。