JP2013129810A - トリアジン環を含有する有機‐無機複合材料及びそれを用いた電気的装置 - Google Patents

トリアジン環を含有する有機‐無機複合材料及びそれを用いた電気的装置 Download PDF

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Abstract

【課題】耐熱性、絶縁性、接着性に優れた有機‐無機複合材料を提供する。
【解決手段】シアネートエステル化合物の硬化触媒で層間修飾した層状粘土鉱物と、シアネートエステル化合物の混合物を含むワニスを加熱硬化して得られるトリアジン環で構成される樹脂を含む有機−無機複合材料であって、前記層状粘土鉱物が前記シアネートエステル化合物の0.1〜12wt%であることを特徴とする有機−無機複合材料。本発明は、有機−無機複合材料を含むワニス、電気的装置、半導体装置を開示する。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気絶縁性、耐熱性および金属部材との接着性に優れるシアネートエステル化合物の硬化物であるトリアジン環を含む有機‐無機複合材料、それを用いた電気的装置、前記有機‐無機複合材料を用いた半導体装置及び前記硬化物を与えるワニスに関する。
電気・電子機器のパワー密度は年々増加し、インバーターや発電機の動作環境は高温化、高電界化が進んでいる。それに伴い、これらを構成する絶縁樹脂材料は、高耐熱化、高耐電圧化、金属などの異種部材との高接着力化が課題となっている。
モンモリロナイト、スメクタイトに代表される層状粘土鉱物(クレイ)は電気絶縁性に優れ、ポリオレフィン、ナイロン、ポリスチレン、エポキシ樹脂などの様々な樹脂材料との組み合わせにより難燃化、低誘電率化、絶縁寿命向上、高強度化、低熱膨張化など優れた特性を付与できることが知られている。これら優れた特性を発現するにはクレイと樹脂の複合化が必要であり、複合化には組み合わせる樹脂の種類に応じて適切に層間修飾されたクレイを選ぶ必要がある。
例えば、特許文献1にはアンモニウムイオンで有機化処理したクレイとポリオレフィンとの複合化による難燃化、特許文献2には4級アンモニウムイオンで層間修飾した層状粘土鉱物によるエポキシ樹脂の絶縁寿命向上、非特許文献1にはホスホニウムイオンで層間修飾したモンモリロナイトによるエポキシ樹脂の低熱膨張化、非特許文献2には1,2‐アミノラウリン酸を層間修飾したモンモリロナイトによるナイロンの高強度化が例示されている。
特開2006−265507号公報 特開2005−251543号公報
"酸無水物硬化エポキシ樹脂/クレイナノコンポジットの物性に及ぼす新規ホスホニウム変性ベントナイトの影響"、ネットワークポリマー、(2009)、vol.30、No.2、p69−76 "粘土鉱物/有機高分子ナノハイブリッド材料の開発"、日本化学会誌、(2000)、No.9、p605−611
しかし、従来の層間修飾法によるクレイ分散技術は熱可塑性樹脂や一部の熱硬化性樹脂には効果的であるが、耐熱性が高いシアネートエステル樹脂へ適用できない。本発明は、耐熱性が高いシアネートエステル樹脂化合物とその硬化触媒を均一に混合分散するための担体ともいうべきものであり、且つこの層状粘土鉱物は触媒としてだけでなく、トリアジン環を含む硬化物の無機充填材ともなり、複合材に高い電気絶縁性、耐熱性(200℃以上のガラス転移温度)、金属との高い接着性、機械的強度を与えるものである。
従って本発明の目的は、ガラス転移点が200℃以上で、金属との接着性が高く、絶縁破壊電圧が高い有機‐無機複合材料、それを用いた電気的装置及び前記有機‐無機複合材料を形成するためのワニスを提供することである。
本発明は、シアネートエステル化合物の硬化触媒で層間修飾した層状粘土鉱物と、シアネートエステル化合物の混合物を含むワニスを加熱硬化して得られるトリアジン環で構成される樹脂を含む有機−無機複合材料であって、前記層状粘土鉱物が前記シアネートエステル化合物の0.1〜12wt%であることを特徴とする有機−無機複合材料を提供する。また本発明は、上記有機−無機複合材料を用いたワニス、電気的装置、半導体装置を提供する。
本発明により、シアネートエステル樹脂中にクレイが高分散し、ガラス転移点が200℃以上で耐熱性があり、高い絶縁破壊電圧(120kV/mm以上の絶縁破壊強度)を有し、金属との接着性に優れた(0.5kN/m以上の接着強度)有機−無機複合材料及び電気的装置を提供することができる。
層状粘土鉱物にシアネートエステルの硬化触媒を導入する方法の概略説明図である。 クレイ層間距離(nm)と、有機‐無機複合材料のガラス転移温度(℃)と、銅アミン錯体の分子量(g/mol)の関係を示すグラフである。 本発明の有機‐無機複合材料が適用されるパワー半導体装置の断面模式図である。 本発明に係る層状粘土鉱物と樹脂原料を含むワニスを用いて作製した絶縁電線の断面模式図である。 本発明に係る層状粘土鉱物と樹脂原料を含むワニスを用いて作製した絶縁電線の断面模式図である。 本発明の有機‐無機複合材料が適用される回転機コイルの構成を示す断面模式図である。 絶縁破壊電圧測定装置の模式図である。 実施例10、11、13及び15のFT‐IRスペクトル測定結果を示すグラフである。 実施例10、11、13及び15のFT‐IRスペクトル測定結果を示すグラフである。 実施例11のXRD測定結果を示す図である。 実施例10、11、13及び15の絶縁破壊電圧と有機‐無機複合材料の厚さの関係を示すグラフである。 実施例11の断面SEM写真である。 実施例11のTEM写真である。
前述した通り、本発明の有機‐無機複合材料は、シアネートエステル化合物の硬化触媒で層間修飾した層状粘土鉱物と、シアネートエステル化合物の混合物を含むワニスを加熱硬化して得られるトリアジン環で構成される樹脂を含む有機−無機複合材料であって、前記層状粘土鉱物が前記シアネートエステル化合物の0.1〜12wt%であることを特徴とする。
また、上記有機−無機複合材料について、以下のような改良や変更を加えることができる。
(i)前記シアネートエステル化合物の硬化触媒はカルボン酸塩、脂肪族アミンまたは複素芳香族アミンを配位子とする金属錯体である。
(ii)前記層状粘土鉱物はスメクタイト群、マイカ群、バーミキュライト群及び雲母群からなる群から選ばれた1種以上である。
(iii)前記層状粘土鉱物の層間距離が1.2nm〜2nmである。
(iv)厚さが0.005〜0.1mmである。
(v)前記層状粘土鉱物の厚みが0.05〜10μmである。
(vi)前記シアネートエステル化合物の硬化触媒は、遷移金属元素を含有する錯体として前記層状粘土鉱物に導入されたものである。
(vii)前記遷移金属が銅、亜鉛及びマンガンから選ばれた1種以上である。
(viii)前記遷移金属の含有量が、層状粘土鉱物に対して0.1〜12wt%である。
(ix)前記遷移金属の含有量が、前記有機−無機複合材料に対して0.01〜10wt%である。
(x)ガラス転移温度が200℃以上、接着強度が0.5kN/m以上、絶縁破壊強度が150kV/mm以上である。
また本発明は、シアネートエステル化合物の硬化触媒で層間修飾した層状粘土鉱物と、シアネートエステル化合物の混合物を含むワニスを加熱硬化して得られるトリアジン環で構成される樹脂を含み、前記層状粘土鉱物がシアネートエステル化合物の0.1〜12wt%である金属と接する有機‐無機複合体であることを特徴とする電気的装置を提供する。
また本発明は、半導体素子の周囲が封止材で封止された構造の半導体装置であって、前記封止材に本発明の有機−無機複合材料を用いたことを特徴とする半導体素子を提供する。
また本発明は、シアネートエステル化合物の硬化触媒で層間修飾した層状粘土鉱物と、シアネートエステル化合物の混合物を含むことを特徴とするワニスを提供する。
また本発明は、上記本発明に係るワニスについて、以下のような改良や変更を加えることができる。
(xi)前記層状粘土鉱物は前記シアネートエステル化合物の質量の0.1〜30質量%である。
(xii)シアネートエステル化合物が4,4’−エチリデンジフェニルジシアナートであり、層状粘土鉱物がモンモリロナイトであり、該モンモリロナイトの層間に1,3−プロパンジアミンを配位子とする金属錯体が挿入されている。
また本発明は、導体の周りを絶縁材料で被覆した電線であって、前記絶縁材料上述の有機‐無機複合体を用いたことを特徴とする電線を提供する。
また本発明は、絶縁材料で巻回した導体を樹脂に含浸して得られる回転機コイルであって、前記含浸樹脂に上述の有機‐無機複合材料を用いたことを特徴とする回転機コイルを提供する。
以下、本発明に係る実施形態について、より具体的に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施の形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
本発明は、シアネートエステル樹脂の硬化触媒である金属錯体(A)を用いて層状粘土鉱物(クレイ)(B)を層間修飾することによりクレイをシアネートエステル樹脂(C)中に分散する技術であり、トリアジン環を含む熱硬化性樹脂にクレイが分散した有機−無機複合材料であることを特徴としている。
始めに、図1、式1及び式2を用いて硬化触媒の製造方法を説明する。その詳しい化学反応が式1及び式2に示されている。図1において、層間にアルカリ金属例えば、Naを保持した層状粘土鉱物の層間にアミンの遷移金属錯体を水中で導入すると、イオン交換反応がおこり、前記層状粘土鉱物の層間に錯体が挿入され、層間粘度鉱物を担体とする硬化触媒が形成される。
より具体的には、純水中でビス(1、3‐プロパンジアミン)銅ジクロリド、ジ−μ‐ヒドロキソ−ビス(テトラメチルエチレンジアミン)銅クロリド、ジクロロ(1,10‐フェナントロリン)銅などの金属錯体を形成し(式1)、この錯体と層状粘土鉱物を混合、攪拌すると、イオン交換反応により層状粘土鉱物の層間からナトリウムなどのアルカリ金属が溶出し、金属錯体のカチオン部位が層間に取り込まれる(式2)。
Figure 2013129810
金属錯体は、塩化第二銅とアミン類を混合、反応させて合成したものを用いてもよい。金属錯体が取り込まれた層状粘土鉱物を水洗、ろ過を繰り返すことにより、イオン交換反応で副生するアルカリ金属イオンや、ハロゲンイオン等を除去することが可能である。ろ過後に乾燥させると金属錯体を保持した層状粘土鉱物が粉末として得られる。無処理の層状粘土鉱物は灰色乃至白色を帯びているが、金属錯体で処理した層状粘土鉱物粉末は、金属錯体の種類に応じて青、赤、紫又は黒色に着色している。
層状粘土鉱物の層間距離は、金属錯体の分子量で変化する。図2にクレイ層間距離(nm)と、クレイを10wt%添加した有機‐無機複合材料のガラス転移温度(℃)と、銅アミン錯体の分子量(g/mol)の関係を示す。図2のように、金属錯体の分子量が大きいほど、層間距離が大きくなることが分かる。このように、層状粘土鉱物の層間は、イオン交換する金属錯体の分子量により制御されていることが分かる。
層状粘土鉱物の層間距離は層状粘土鉱物の種類により異なるが、1.2〜2nmであることが望ましい。層間粘度鉱物は一般にフレーク状(扁平)を有し、厚さは0.05〜10μmが好ましい。そしてその粒径(フレークの辺の長さ)は0.1μm〜100μmが好ましく、特に1μm〜50μmが好ましい。従って、このような層状粘土鉱物触媒を用いて形成した有機‐無機複合体は、通常0.005mm以上の厚さとなる。なおここで、「1.2〜2nm」とは、1.2nm以上2nm以下であることを意味する。
前記(A)成分のシアネートエステル樹脂の硬化触媒の具体例としては、カルボン酸塩、或いはアミンを配位子とする金属錯体のカチオン部位であり、カルボン酸塩としては、ナフテン酸銅、ナフテン酸マンガン、オクチル酸亜鉛、などが挙げられ、アミンを配位子とする金属錯体としては、ビス(1、3ープロパンジアミン)銅ジクロリド、ジーμーヒドロキソービス(テトラメチルエチレンジアミン)銅クロリド、ジクロロ(1,10−フェナントロリン)銅のカチオン部位が挙げられ、これらは単独もしくは2種類以上の混合物として使用される。
本発明は、樹脂の触媒活性を示すカルボン酸塩またはアミンを配位子とする金属錯体が層状粘土鉱物の層間に導入されたものであることを特徴とするシアネートエステル化合物の硬化触媒を提供するものである。前記金属錯体の金属元素は銅、亜鉛及びマンガン等の遷移金属元素からなる群から選ばれた1種以上であることが好ましい。前記金属錯体は前記層状粘土鉱物の0.01〜30wt%であることが好ましい。
また、アミンを配位子とする金属錯体は、金属塩とアミン類により合成することもできる。金属塩としては、例えば塩化第二銅であることが望ましいが、この限りではない。アミン類としては、エチレンジアミン、1,3‐ジアミノプロパン、1,4‐ジアミノブタンなどの脂肪族アミン、ジエチレントリアミン、テトラエチレンペンタミンなどのポリエチレンアミン、2,4‐ジアミノトルエン、4,4’‐メチレンジアニリン、1,10‐フェナントロリンなどの芳香族アミンなどが例示できる。
(B)成分の層状粘土鉱物の具体例としては、例えばスメクタイト群、マイカ群、バーミキュライト群、雲母群からなる鉱物群から選ばれる少なくとも1種が挙げられる。スメクタイト群に属する層状粘土鉱物としては、モンモリロナイト、ヘクトライト、サポナイト、ソーコナイト、バイデライト、ステブンサイト、ノントロナイト等が例示される。マイカ群に属する層状粘土鉱物としては、クロライト、フロゴパイト、レピドライト、マスコバイト、バイオタイト、パラゴナイト、マーガライト、テニオライト、テトラシリシックマイカ等が例示される。
バーミキュライト群に属する層状粘土鉱物としては、トリオクタヘドラルバーミキュライト、ジオクタヘドラルバーミキュライト等が例示される。雲母群に属する層状粘土鉱物としては、白雲母、黒雲母、パラゴナイト、レビトライト、マーガライト、クリントナイト、アナンダイト等が例示される。これらのうちでも、シアネートエステル樹脂への分散性等の点からスメクタイト群に属する層状粘土鉱物を用いることが望ましい。これらの層状粘土鉱物は単独あるいは2種類以上の混合物として使用することができる。
(B)成分の層状粘土鉱物はシリケート層が積層した構造を有しており、イオン交換反応によりシリケート層の層間に(A)成分であるシアネートエステルの硬化触媒が導入されていることが本発明の特徴である。
(C)成分のシアネートエステル樹脂の原料の具体例としては、4,4’−エチリデンジフェニルジシアナート、4,4’−ジシアナートビフェニル、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジシアナートビフェニル、ビス(4−シアナトフェニル)メタン、ビス(4−シアナート−3−メチルフェニル)メタン、ビス(4−シアナート−3−t−ブチルフェニル)メタン、ビス(4−シアナート−3−i−プロピルフェニル)メタン、ビス(4−シアナート−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(2−シアナート−3−t−ブチル−5−メチルフェニル)メタン、1,1−ビス(4−シアナトフェニル)エタン、1,1−ビス(4−シアナート−3−メチルフェニル)エタン、1,1−ビス(4−シアナート−3−t−ブチルフェニル)エタン、1,1−ビス(4−シアナート−3−i−プロピルフェニル)エタン、1,1−ビス(4−シアナート−3,5−ジメチルフェニル)エタン、1,1−ビス(2−シアナート−3−t−ブチル−5−メチルフェニル)エタン、2,2−ビス(4−シアナトフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−シアナート−3−メチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−シアナート−3−t−ブチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−シアナート−3−i−プロピルフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−シアナート−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(2−シアナート−3−t−ブチル−5−メチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−シアナート−3−t−ブチル−6−メチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−アリル−4−シアナトフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−シアナトフェニル)プロパン、1,1−ビス(4−シアナトフェニル)ブタン、1,1−ビス(4−シアナート−3−メチルフェニル)ブタン、1,1−ビス(4−シアナート−3−t−ブチルフェニル)ブタン、1,1−ビス(4−シアナート−3−i−プロピルフェニル)ブタン、1,1−ビス(4−シアナート−3,5−ジメチルフェニル)ブタン、1,1−ビス(2−シアナート−3−t−ブチル−5−メチルフェニル)ブタン、1,1−ビス(4−シアナート−3−t−ブチル−6−メチルフェニル)ブタン、1,1−ビス(3−アリル−4−シアナトフェニル)ブタン、1,1−ビス(4−シアナトフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(4−シアナート−3−メチルフェニル)シクロヘキサン、ビス(4−シアナトフェニル)スルフィド、ビス(4−シアナート−3−メチルフェニル)スルフィド、ビス(4−シアナート−3−t−ブチルフェニル)スルフィド、ビス(4−シアナート−3−i−プロピルフェニル)スルフィド、ビス(4−シアナート−3,5−ジメチルフェニル)スルフィド、ビス(2−シアナート−3−t−ブチル−5−メチルフェニル)スルフィド、ビス(4−シアナトフェニル)スルホン、ビス(4−シアナート−3−メチルフェニル)スルホン、ビス(4−シアナート−3−t−ブチルフェニル)スルホン、ビス(4−シアナート−3−i−プロピルフェニル)スルホン、ビス(4−シアナート−3,5−ジメチルフェニル)スルホン、ビス(2−シアナート−3−t−ブチル−5−メチルフェニル)スルホン、ビス(4−シアナトフェニル)エーテル、ビス(4−シアナート−3−メチルフェニル)エーテル、ビス(4−シアナート−3−t−ブチルフェニル)エーテル、ビス(4−シアナート−3−i−プロピルフェニル)エーテル、ビス(4−シアナート−3,5−ジメチルフェニル)エーテル、ビス(2−シアナート−3−t−ブチル−5−メチルフェニル)エーテル、ビス(4−シアナトフェニル)カルボニル、ビス(4−シアナート−3−メチルフェニル)カルボニル、ビス(4−シアナート−3−t−ブチルフェニル)カルボニル、ビス(4−シアナート−3−i−プロピルフェニル)カルボニル、ビス(4−シアナート−3,5−ジメチルフェニル)カルボニル、ビス(2−シアナート−3−t−ブチル−5−メチルフェニル)カルボニル、等が挙げられ、必要に応じてその2種以上を用いることもできる。
また、(C)成分のシアネートエステル樹脂原料には、メチルエチルケトン、メチルセロソルブなどの有機溶剤、シアネートエステル樹脂の硬化触媒であるナフテン酸銅、ナフテン酸マンガン、オクチル酸亜鉛などのカルボン酸塩、シアネートエステル樹脂の助触媒であるノニルフェノールなどのフェノール化合物、γ‐グリシドキシプロピルトリメトキシシランなどのシランカップリング剤、アルミナやシリカ、窒化ホウ素などの無機充填剤が任意の割合で含まれていても良い。
(B)成分の層状粘土鉱物の配合量は、(C)成分のシアネートエステル樹脂100質量部に対して0.1から30質量部であり、特に0.1〜12wt%であることが好ましい。層状粘土鉱物が0.1wt%未満では絶縁性や接着性を十分に高めることができない恐れがある。また、層状粘土鉱物が30wt%超では絶縁性の低下が起こる恐れがある。(B)成分の層状粘土鉱物の配合量は、1〜12wt%の範囲とすることがより好ましい。
さらにまた、本発明は、シアネートエステル化合物の硬化触媒で層間修飾した層状粘土鉱物と、シアネートエステル化合物と、反応性溶媒の混合物を含むワニス及びワニスを硬化して得られる有機−無機複合材を提供するものである。
本実施形態の有機−無機複合材料の製造方法を詳細に説明する。本実施形態に係るワニスは、層状粘土鉱物に硬化触媒を導入する第一の工程と、第一の工程で生成した層状粘土鉱物とシアネートエステル樹脂原料を混合することにより製造することができる。得られるワニスは透明であり、層状粘土鉱物へ層間修飾した金属錯体の種類に応じて青、赤又は黒色に着色している。混合の際はボールミル等で機械的なせん断力を与えながら混合してもよい。
また、このワニスを加熱硬化することにより有機―無機複合材料を製造することができる。有機無機複合材料の耐熱性、絶縁性、接着性は、金属錯体の種類により所望の特性に制御することができる。
図3にパワー半導体装置の断面模式図を示す。図3に示したパワー半導体装置では、パワー半導体素子301の裏面側電極が絶縁基板306上の回路配線部材302に接合材304によって電気的に接続され、パワー半導体素子301の主電極がリード部材303にワイヤ305によって電気的に接続されている。絶縁基板306の裏面側にはパワー半導体素子301で発生した熱を外部に逃がすための放熱板が設けられている。そして、回路配線部材302、リード部材303、放熱板307の一部が露出した状態でパワー半導体素子301の周囲が封止樹脂308で封止される。この封止樹脂308に本発明の有機‐無機複合材料を適用することができる。
図4A及び図4Bは本発明の層状粘土鉱物と樹脂原料を含むワニスを用いて作製した絶縁電線の断面図を示す。導体400に本発明による絶縁被覆401を形成し、焼き付ける。本発明による有機―無機複合膜は、高い絶縁破壊電圧と、金属との高い接着力を示すため、耐サージ特性に優れる絶縁電線を得ることができる。
同様に本発明の有機‐無機複合材料は、その他の薄膜絶縁被覆として用いることができることは明らかである。例えば、金属配線等の絶縁被覆などに利用することができる。従って本発明により、シアネートエステル化合物の硬化触媒で層間修飾した層状粘土鉱物と、シアネートエステル化合物の混合物を含むワニスを加熱硬化して得られるトリアジン環で構成される樹脂を含み、前記層状粘土鉱物が前記有機−無機複合材料の0.1〜12wt%である金属と接する有機‐無機複合体であることを特徴とする電気的装置が提供される。
図4Bは、電気的装置の構成を示す模式図であり、絶縁基板402上に直接又は他の皮膜407を介して形成された配線回路403(この回路は電子部品を含んでもよい)の表面を被覆する絶縁薄膜404を形成する。この絶縁薄膜は上述の有機‐無機複合材料で、この絶縁膜に設けたスルーホール405を介して他の回路406と接続される。図4Bは一例であり、配線回路は1層で、単に絶縁被覆404で被覆してもよい。
本発明の有機−無機複合材料は、絶縁破壊強度が高いため(120kV/mm以上)、部分放電によるチップと配線のショートを防止でき、ガラス転移温度が高く(200℃以上)、温度振幅に対する弾性率や熱膨張率の変化が小さいため、パワー半導体装置の封止材に用いた時にパワー素子の発熱に伴う温度変化によりかかる熱応力を抑制でき、金属部材との接着強度が高い(0.5kN/mm以上)ので、仮に熱応力が発生しても部材との剥離などのパワー半導体装置の損傷を防ぐことが可能となり、パワー半導体装置の高信頼化に寄与するだけでなく、高い耐熱性を有するためパワー半導体装置の高寿命化に寄与することが期待できる。なお、図3に示したパワー半導体装置の構造は一例であり、他の構造の半導体装置においても半導体素子301の周囲を覆う封止樹脂として本発明の有機−無機複合材料を適用可能なことはいうまでもない。
図5はモーターや発電機に用いられる回転機コイルの構成を示す模式図である。導体52に絶縁テープ51を巻回し、加熱乾燥した後、本発明の層状粘土鉱物と樹脂原料を含むワニスを真空含浸し、加熱硬化するプロセスにより図5に示す回転機コイルを得ることが出来る。この回転機コイルは、耐熱性が高い樹脂で被覆されているため、耐熱指数が高い回転機コイルとなる。
次に、本発明を実施例および比較例によって説明するが、本発明は下記に限定されるものではない。
(実施例1〜24の作製)
純水に層状粘土鉱物(クレイ)としてクニミネ工業株式会社製のクニピアFを添加し、80℃に保持しながら2時間攪拌した。これによりクニピアFが水中に白濁した状態で分散した乳白色の分散液を得る。別途、純水に、エチレンジアミン(実施例4〜6)、ジエチレントリアミン(実施例7〜9)、は1、3‐プロパンジアミン(実施例10〜15)、テトラエチレンペンタミン(実施例16〜18)、1,10−フェナントロリン(実施例19〜21)、4,4’‐メチレンジアニリン(実施例22〜24)が配位した銅錯体を溶解させておき、上記で得たクレイの分散液に投入した。
更に80℃で2時間攪拌することにより、クレイの層間のナトリウムイオンが各金属錯体とイオン交換反応し、クレイの層間に各金属錯体が置換した層間修飾クレイを得た。この反応機構は前述した式1、式2及び図1で説明される。なお、実施例1〜3及び後述する参考例1は、配位子を持たない銅錯体をクレイの層間に導入している。
なお、本明細書において、本発明と同様にクレイの層間に金属錯体を導入するものであるが、クレイの添加量が、本発明の好ましい範囲内にないものである。したがって参考例はそれ自体公知ではないが、本発明のクレイ添加量の重要性を示すために記載した。
上記金属錯体は下記の方法によっても合成できる。純水に塩化銅(II)を溶解し、各種アミンを混合する。これによりアミンが銅に配位し、銅錯体が溶解した水溶液となる。この溶液にクレイを加えることで式1、式2及び図1の反応が進行し、クレイの層間に金属錯体を坦持することができる。
以上の方法でクレイの層間に金属錯体を担持後、減圧濾過によりクレイを分離した。このとき、濾液は青、赤又は黒色を呈していることを確認した。再度、クレイを純水中に分散し、濾液の色が透明になるまで再分散と減圧濾過を繰り返し、分散液中の未反応の銅錯体やナトリウムイオン、塩素イオンなどを完全に除去した。
洗浄後のクレイを75℃で12時間、減圧乾燥し、水分を完全に除去した。乾燥したクレイは担持した銅錯体の種類に応じて青、赤又は黒色を呈していることを確認した。また、蛍光X線分析により、乾燥したクレイ中にはナトリウム、塩素が含まれないことを確認した。
乾燥クレイとロンザ社製のプリマセットLECy(化合物名:4,4’‐エチリデンジフェニルジシアナート)と東京化成工業製の4‐ノニルフェノールを秤量し、メノウボールを入れたメノウ製容器に投入し、ボールミルで2時間混合した。乾燥クレイの添加量は1〜15wt%まで変化させた。ボールミルの回転速度を450rpmとし、5min間隔で反転させるモードに設定した。以上より、金属錯体を層間修飾したクレイが樹脂原料中に分散したワニスを得た。ワニスを100℃→120℃→150℃→200℃で各1時間、250℃で6時間加熱し、有機−無機複合材料を得た。
(参考例1〜7の作製)
クレイの添加量を、本発明の好ましい範囲(1〜12wt%)外の15wt%としたこと以外は、実施例1〜24と同様にして有機−無機複合材料を得た。
(比較例1の作製)
クレイを添加しなかったこと以外は、実施例1〜24と同様にして有機−無機複合材料を得た。
(比較例2〜5の作製)
添加するクレイを、層間に金属錯体を添加していない無処理クレイ(クネピアF)としたこと以外は、実施例1〜24と同様にして有機−無機複合材料を得た。 実施例1〜24、参考例1〜7及び比較例1〜4の配位子、配位子の分子量、配位数、銅錯体の分子量、無機‐有機複合材料中のクレイ添加量を後述する表1に示す。
(測定・評価)
(1)XRD測定(層間距離評価)
実施例1〜24、参考例1〜7及び比較例1〜4の乾燥クレイの層間距離は、高分解能X線回折装置(株式会社リガク製、型式:ATX−G)を用いて測定した。測定条件は、X線源はCu、X線出力は50kV−250mA、走査範囲は0.5≦2θ≦60degとした。測定したXRDパターンからブラッグの式(2dsinθ=nλ、d:面間隔、θ:回折角度、n:反射次数、λ:X線波長=0.154nm)を用いて面間隔を算出した。実施例1〜24、参考例1〜7及び比較例1〜4の評価結果を表1に併記する。また、実施例11の評価結果について、図9に示す。
(2)動的粘弾性測定(ガラス転移温度評価)
有機−無機複合材料の弾性率は動的粘弾性測定(Dynamic Mechanical Analysis, DMA)は、動的粘弾性測定装置(ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン株式会社製、型式:TA2000)昇温速度は2℃/min、チャック間距離10〜20mm、試料厚さ約0.5mm、測定周波数10Hzとした。ガラス転移温度は、上記DMA測定よりtanδのピーク温度から求めた。実施例1〜24、参考例1〜7及び比較例1〜4の評価結果を表1に併記する。
(3)絶縁破壊電圧測定(絶縁破壊強度評価)
実施例1〜24、参考例1〜7及び比較例1〜4の有機−無機複合材料の絶縁破壊電圧は、以下のように測定した。測定には耐圧測定装置(株式会社佐々木電工社製)を用いた。図6に該測定装置の模式図を示す。電極板として片面に直径80mm、深さ1mmの窪みを形成した100mm×100mm×5mmtのアルミニウム板307を用い、窪みの中に樹脂原料を1〜2g流し込み、100℃→120℃→150℃→200℃で各1時間、250℃で6時間加熱した。アルミニウム板607上の有機―無機複合材料604の表面に直径5mmの球状電極605を押し当て、アルミニウム板607と球状電極605間に商用周波数(50Hz)の電圧を徐々に昇圧(昇圧速度:1kV/sec)しながら印加し、短絡電流が流れた時の電圧を破壊電圧VTOP(kV)とした。測定試料604、球状電極605及びアルミニウム板607はポリプロピレンケース601に充填した電気絶縁油(フロリナート(登録商標)住友スリーエム株式会社製、FC‐77)602中に浸漬した。
TOPから実効電圧VRMS(絶縁破壊電圧)=VTOP/√2を計算し、VRMSを膜厚(0.05mm)で割り絶縁破壊強度とした。実施例10、11、13及び15のVRMS(絶縁破壊電圧)の評価結果を図10に示し、実施例1〜24、参考例1〜7及び比較例1〜4の絶縁破壊強度を表1に併記する。
(4)銅箔ピール強度測定(接着強度評価)
有機−無機複合材料の接着強度は以下のように評価した。100mm×100mm×5mmtのアルミニウム板上に樹脂原料を約1g滴下し、35μm銅箔の光沢面を樹脂原料に接するようにして張り合わせ、100℃→120℃→150℃→200℃で各1時間、250℃で6時間加熱してピール強度測定用のサンプルを作製した。測定にはデジタルフォースゲージ(日本計測システム株式会社製)を用い、銅箔を角度90℃で引き剥がした時のピール強度を求めた。評価結果を表1に併記する。
(5)赤外分光測定
実施例10、11、13及び15のワニスおよび有機−無機複合材料の赤外吸収スペクトルを赤外分光装置(PerkinElmer製,Spectrum100)で測定した。ワニスは透過法で、複合材料はATR法で測定した。測定条件は、測定範囲380−4000cm−1、測定間隔1cm−1、積算回数12回とした。ワニスの測定結果を図7に、有機−無機複合材料の測定結果を8に示す。
(6)SEM観察
実施例11の有機‐無機複合材料の断面形状を走査型電子顕微鏡(SEM,株式会社日立ハイテクノロジーズ社製、型式:S-4800)で観察した。加速電圧を5kVで観察した。また、エネルギー分散型X線分析装置(株式会社堀場製作所社製、型式:EX‐350)で元素分析し、SEM写真中のクレイの位置を特定した。加速電圧を15kVで測定した。実施例11の有機-無機複合材料のSEM写真を図11Aに示す。
(7)TEM観察
実施例11の有機‐無機複合材料のクレイの分散状態を、透過型電子顕微鏡(TEM,株式会社日立ハイテクノロジーズ社製、型式:H-9000NAR)で観察した。観察用試料は有機-無機複合材料の表面から深さ約6μmの部分をFIB(集束イオンビーム)加工法により採取した。TEM観察は、加速電圧300kVで行った。また、エネルギー分散型X線分析装置(アメテック株式会社製、型式:Genesis APEX2)で元素分析し、TEM写真中のクレイの位置を特定した。実施例11の有機‐無機複合材料のTEM写真を図11Bに示す。
Figure 2013129810
表1に示したように、本発明に係る実施例1〜24の有機‐無機複合材料は、ガラス転移温度200℃以上、絶縁破壊強度150kV/mm以上、接着強度0.5kN/m以上の全てを達成することができた。これに対し、比較例1はガラス転移温度は高いものの、絶縁破壊強度及び接着強度ともに本発明よりも低くなった。また、比較例2〜5は、ガラス転移温度、絶縁破壊強度及び接着強度の全てにおいて、本発明よりも低くなった。
参考例1〜7は、絶縁破壊強度及び接着強度に関しては、比較例1〜5よりも高くなったが、実施例1〜24のようにガラス転移温度200℃以上、絶縁破壊強度150kV/mm以上、接着強度0.5kN/m以上の全てを達成することはできなかった。
各種配位子を持つ銅錯体の分子量と層間距離の関係から、銅錯体の分子量が大きいほど、得られるクレイの層間距離が大きくなる。これは、銅錯体の体積効果でクレイ層間が押し広げられたためである。また、銅錯体の分子量が大きいほど、有機‐無機複合材料のガラス転移温度が高くなっている。これは、銅錯体の分子量が大きいほど、クレイ層間が押し広がり、また、銅錯体の分子量が大きいほど配位子とモノマーの親和性が高まるためクレイ層間へモノマーが効率よく拡散し、銅錯体の触媒作用が効果的に働いたためであると考えられる。
一方、無処理のクレイを添加した比較例2〜5の有機‐無機複合材料では、クレイは層間距離が1.23nmと小さく、配位子を持たないナトリウムイオンはモノマーとの親和性が低いため、ナトリウムイオンの触媒作用が十分に働かないため、ガラス転移温度は200℃以下となった。
実施例1〜24において、絶縁破壊強度は、何れの銅錯体を用いてもクレイ10wt%以下ではクレイ添加量と共に増加し、150kV/mm以上であるが、15wt%では減少し、140kV/mm以下となる。これは、クレイ添加量が多いと、クレイ層間に坦持されている銅錯体の量が増え、銅錯体が電気伝導性のイオンとして作用するためと考えられる。
実施例1〜24において、接着強度は何れの銅錯体を用いてもクレイ添加と共に増加する傾向を示した。またその値は、0.5kN/m以上であった。一方、比較例1〜5では接着強度は0.44kN/m以下であった。実施例1〜24で高い接着強度を示す理由は、銅錯体の配位子であるアミンが被接着体金属に作用したためであると考えられる。
図7より、実施例10、11、13及び15のワニスにはシアネートエステル化合物に含まれるシアナート基と、クレイに含まれる水酸基、及びO−Si−O結合に由来する吸収が見られた。一方、図示しないが、比較例1では、シアナート基の吸収のみが見られ、クレイによる吸収は認められなかった。
また、図8より、実施例10、11、13及び15の有機‐無機複合材料には、トリアジン環とクレイに由来する吸収が見られた。一方、図示しないが、比較例1では、トリアジン環の吸収のみが見られ、クレイによる吸収は見られなかった。
また、図9より、実施例11で層間修飾したクレイの面間隔は約1.3nmであり、層間修飾したクレイを添加して得られる実施例11で合成した有機‐無機複合材料中のクレイの面間隔は約1.4nm(1.2〜2nmに分布している)である。
図10に示す絶縁破壊電圧は、図6に示す前述の評価方法によりなされた。図10より、実施例10、11、13及び15で合成した有機‐無機複合材料の絶縁破壊電圧は、0.1mm以下では5〜10kVとなる。比較例1より、クレイ無添加の樹脂は0.1mm以下では約5.5kV以下となる。実施例10、11、13及び15より、クレイの添加量が12wt%を超えると、膜厚が0.005mm未満のときに絶縁破壊電圧の低下が起こることが考えられるので、クレイの添加量は有機‐無機複合材料の質量に対し12wt%以下が望ましいことがわかった。
図11Aに実施例11で合成した有機‐無機複合材料の断面SEM写真を示す。元素分析より、図中、白色に見える部分111(代表的な場所を矢印で表記)がクレイであることがわかった。有機‐無機複合材料110中のクレイは、大きいもので長辺の長さが約30μm、短辺の長さ(クレイの厚み)が約10μmのクレイが見られ、様々な大きさのクレイが混在している様子が観察された。
図11Bには実施例11で合成した有機‐無機複合材料の表面近傍(表面から深さ約6μm地点)のTEM写真を示す。元素分析より、図中、黒色に見える部分113(代表的な場所を矢印で表記)がクレイであることがわかった。有機‐無機複合材料の表面近傍には、短辺の長さ(クレイの厚み)が約50nmのクレイが存在することがわかった。
以上、図11A,Bより、有機‐無機複合材料中のクレイは、短辺の長さ(クレイの厚み)が50nm〜10μmの範囲のクレイが混在していることがわかった。
(実施例25の作製)
本発明の有機−無機複合材料を用いて封止樹脂原料を作製し、パワー半導体装置を作製した。まず、実施例11のワニス中にフィラとしてシリカを80wt%、シランカップリング剤としてKBM403(信越化学工業株式会社製)を5重量部、離型剤としてヘキストワックスE(クラリアントジャパン株式会社製)を2重量部、着色剤としてカーボンブラックを1重量部加え、溶融混錬して封止樹脂原料を作製した。別途、パワー半導体素子が搭載されたモジュールを作製し、封止樹脂原料を用いてポッティング法によりモジュール全体を被覆し、100℃→120℃→150℃→200℃で各1時間、250℃で6時間加熱硬化して樹脂封止した。
図3に作製したパワー半導体装置の模式図を示す。パワー半導体素子301の裏面側電極が絶縁基板306上の回路配線部材302に接合材304によって電気的に接続され、パワー半導体素子301の主電極がリード部材303にワイヤ305によって電気的に接続されている。絶縁基板306の裏面側にはパワー半導体素子301で発生した熱を外部に逃がすための放熱板が設けられている。そして、回路配線部材302、リード部材303、放熱板307の一部が露出した状態でパワー半導体素子301の周囲が封止樹脂308で封止されている。
比較例6として、エポキシ樹脂で封止したパワー半導体装置を作製した。温度サイクル試験(ΔTc=270℃、−40℃⇔230℃、1000回)前後の接合材304のクラック進展を、超音波探傷装置を用いて観察した。また、パワーサイクル(PC)試験(ΔTc=170℃、20℃⇔190℃)のサイクル寿命を評価した。評価結果を表2に示す。表2において、α1はT以下の温度での熱膨張係数を、α2はT超の温度での熱膨張係数を示す。また、表2でYDCN−750は,o−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂で東都化成株式会社の商品名である。
Figure 2013129810
サイクル寿命評価の結果、実施例25のパワーサイクル寿命は10000回であったのに対し、比較例6のパワーサイクル寿命は、4000回であった。以上より、パワー半導体装置に本発明の有機‐無機複合材料を用いることで、パワーサイクル寿命が向上することがわかった。これは、封止材として本発明の有機-無機複合材料を用いると、ガラス転移温度が200℃以上のため、20℃から190℃に跨る温度振幅に伴う弾性率の変化が小さく、パワー半導体装置の半田接合部へ負荷する応力が低減したためであると考えられる。
(実施例26及び比較例7の作製)
実施例26として、電線に本発明の層状粘土鉱物と樹脂原料を含むワニスを塗布し、加熱するプロセスによりエナメル線を試作した。150℃の加速寿命評価を実施した結果、500hの絶縁破壊電圧の減少率は初期値の10%であった。
比較例7として市販の絶縁被覆材を用いてエナメル線を試作した。150℃の加速寿命評価を実施した結果、500hの絶縁破壊電圧の減少率は初期値の60%であった。これは、エナメル線被覆材として本発明の有機-無機複合材料を用いると、エナメル線を高温に曝したときの熱劣化が小さくなるためであると考えられる。
以上よりエナメル線被覆材として本発明の有機‐無機複合材料を用いることで、耐熱性に優れたエナメル線を得ることが出来ることが示された。
(実施例27及び比較例8の作製)
実施例27として、導体に絶縁テープを巻回し、加熱乾燥した後、本発明の層状粘土鉱物と樹脂原料を含むワニスを真空含浸し、加熱硬化するプロセスにより回転機コイルを得た。この回転機コイルを150℃の加速寿命評価を実施した結果、500hの絶縁破壊電圧の減少率は初期値の20%であった。
比較例8として市販の含浸樹脂を用いて回転機コイルを作製し、150℃の加速寿命評価を実施した結果、500hの絶縁破壊電圧の減少率は初期値の60%であった。
これは、本発明の有機‐無機複合材料を含浸樹脂として用いると、150℃の加速試験において回転機コイルの導体と含浸樹脂の剥離が抑制され、空隙等のボイドによる部分放電が抑制されたためであると考えられる。
以上より本発明の有機-無機複合材料を含浸樹脂として用いることで、耐熱寿命に優れた回転機コイルを得ることが出来ることが示された。
301…パワー半導体素子、302…回路配線部材、303…リード部材、304…接合材、305…ワイヤ、306…絶縁基板、307…放熱板、308…封止樹脂、400…導体、401…絶縁被覆、402…絶縁基板、403…配線回路、404…絶縁薄膜、405…スルーホール、406…回路、407…皮膜、51…絶縁被覆、52…導体、601…PPケース、602…電気絶縁油、604…有機‐無機複合材料、605…球状電極、607…対向電極(アルミニウム製)、110…有機‐無機複合材料、111…クレイ、112…アルミニウム板、113…クレイ。

Claims (18)

  1. シアネートエステル化合物の硬化触媒で層間修飾した層状粘土鉱物と、シアネートエステル化合物の混合物を含むワニスを加熱硬化して得られるトリアジン環で構成される樹脂を含む有機‐無機複合材料であって、前記層状粘土鉱物が前記シアネートエステル化合物の0.1〜12wt%であることを特徴とする有機‐無機複合材料。
  2. 前記シアネートエステル化合物の硬化触媒はカルボン酸塩、脂肪族アミンまたは複素芳香族アミンを配位子とする金属錯体であることを特徴とする請求項1に記載の有機‐無機複合材料。
  3. 前記層状粘土鉱物はスメクタイト群、マイカ群、バーミキュライト群及び雲母群からなる群から選ばれた1種以上であることを特徴とする請求項1に記載の有機‐無機複合材料。
  4. 前記層状粘土鉱物の層間距離が1.2nm〜2nmであることを特徴とする請求項1に記載の有機‐無機複合材料。
  5. 厚さが0.005〜0.1mmであることを特徴とする請求項1に記載の有機‐無機複合材料。
  6. 前記層状粘土鉱物の厚みが0.05〜10μmであることを特徴とする請求項1に記載の有機‐無機複合材料。
  7. 前記シアネートエステル化合物の硬化触媒は、遷移金属元素を含有する錯体として前記層状粘土鉱物に導入されたものであることを特徴とする請求項1に記載の有機‐無機複合材料。
  8. 前記遷移金属が銅、亜鉛及びマンガンから選ばれた1種以上であることを特徴とする請求項7に記載の有機‐無機複合材料。
  9. 前記遷移金属の含有量が、層状粘土鉱物に対して0.1〜12wt%であることを特徴とする請求項8に記載の有機‐無機複合材料。
  10. 前記遷移金属の含有量が、前記有機‐無機複合材料に対して0.01〜10wt%であることを特徴とする請求項8に記載の有機‐無機複合材料。
  11. ガラス転移温度が200℃以上、接着強度が0.5kN/m以上、絶縁破壊強度が150kV/mm以上であることを特徴とする請求項1に記載の有機−無機複合材料。
  12. シアネートエステル化合物の硬化触媒で層間修飾した層状粘土鉱物と、シアネートエステル化合物の混合物を含むワニスを加熱硬化して得られるトリアジン環で構成される樹脂を含み、前記層状粘土鉱物がシアネートエステル化合物の0.1〜12wt%である金属と接する有機‐無機複合体であることを特徴とする電気的装置。
  13. 半導体素子の周囲が封止材で封止された構造の半導体装置であって、前記封止材に請求項1〜11のいずれかに記載の有機‐無機複合材料を用いたことを特徴とする半導体装置。
  14. シアネートエステル化合物の硬化触媒で層間修飾した層状粘土鉱物と、シアネートエステル化合物の混合物を含むことを特徴とするワニス。
  15. 前記層状粘土鉱物は前記シアネートエステル化合物の質量の0.1〜12質量%であることを特徴とする請求項14に記載のワニス。
  16. シアネートエステル化合物が4,4’−エチリデンジフェニルジシアナートであり、層状粘土鉱物がモンモリロナイトであり、該モンモリロナイトの層間に1,3−プロパンジアミンを配位子とする金属錯体が挿入されていることを特徴とする請求項14に記載のワニス。
  17. 導体の周りを絶縁材料で被覆した電線であって、前記絶縁材料に請求項1〜11のいずれかに記載の有機‐無機複合体を用いたことを特徴とする電線。
  18. 絶縁材料で巻回した導体を樹脂に含浸して得られる回転機コイルであって、前記含浸樹脂に請求項1〜11のいずれかに記載の有機‐無機複合材料を用いたことを特徴とする回転機コイル。
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