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
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Abstract
【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
(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。
(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。
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。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
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。
Claims (18)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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