JP2019189765A - 熱硬化性樹脂組成物 - Google Patents

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Abstract

【課題】優れた作業性を有し、得られる硬化物において耐熱性及び低吸水性を兼備する熱硬化性樹脂組成物の提供。【解決手段】下記の(A)、(B)及び(C)成分を含む熱硬化性樹脂組成物。(A) 1分子中に2個以上のシアナト基を有し、シアネートエステル基当量が50〜140であるシアネートエステル化合物:(A)及び(B)成分の合計100質量%に対し、20〜85質量%(B) 1分子中に2個以上のシアナト基を有し、シアネートエステル基当量が150〜500であるシアネートエステル化合物:(A)及び(B)成分の合計100質量%に対し、15〜80質量%(C) 硬化促進剤【選択図】なし

Description

本発明は、熱硬化性樹脂組成物に関する。詳しくは、高耐熱性を有し、かつ低吸水性である熱硬化性樹脂組成物に関する。
近年、地球温暖化対策やエネルギー問題に関する地球レベルでの環境対策により、自動車分野ではハイブリット車及び電気自動車が普及し、家庭用電気機器の分野では、省エネルギー対策としてインバーターモーターの搭載が増加している。これらのハイブリッド車、電気自動車、又はインバーターモーターでは、交流を直流に、直流を交流に変換したり、電圧を変圧したりする役割を担うパワー半導体が重要となる。
しかしながら、長年パワー半導体として使用されてきたシリコン(Si)は性能限界に近づいており、飛躍的な性能向上を期待することが困難になってきた。そこで炭化ケイ素(SiC)、チッ化ガリウム(GaN)、ダイヤモンドなどの材料を使った次世代型パワー半導体に注目が集まるようになっている。
SiCやGaNは,バンドギャップがSiの約3倍で、かつ破壊電界強度が10倍以上という優れた特性を有している。また高温動作(SiCでは650℃動作の報告がある)、高い熱伝導度(SiCはCu並み)、大きな飽和電子ドリフト速度などの特性も有している。これらのような特性により、SiCやGaNを使用することで、パワー半導体のオン抵抗を低減し、電力変換回路の電力損失を大幅に削減することが可能である。
現在パワー半導体は、一般的にエポキシ樹脂によるトランスファー成形、シリコーンゲルによるポッティング封止等により保護されている。特に自動車用途では、小型化及び軽量化の観点から、エポキシ樹脂によるトランスファー成形が主流になりつつある。エポキシ樹脂は、成形性、基材との密着性、及び機械的強度に優れ、バランスの取れた熱硬化性樹脂である。しかしながら、エポキシ樹脂は、200℃を超える温度では架橋点の熱分解が進行し、SiCやGaNに期待される高温での動作環境において、封止材としての役割を担えないおそれがある。
そのため、エポキシ樹脂を超える熱硬化性樹脂組成物として、200℃を超える耐熱性を有するシアン酸エステル化合物の硬化物が開示されている(特許文献1〜3)。このシアン酸エステル化合物の硬化物は、通常、低い温度での熱硬化(三量化)反応が進行しないため、硬化を促進させる触媒を混合して得られる。
200℃以下で硬化させるために、フェノール樹脂を触媒として用いる組成物が開示されている(特許文献4)。この組成物の硬化物は、低温硬化性に優れる一方、耐水性が不十分であり、かつ吸水率も高いといった欠点を有している。
耐湿信頼性を向上させる目的で、シアン酸エステル化合物とエポキシ樹脂を組み合わせる配合が開示されている(特許文献5)。この組成物の硬化物は、耐湿信頼性が向上する一方、高温での耐熱分解性に劣るといった欠点を有している。
特開2010−254838号公報 特開2003−332701号公報 特開2003−002949号公報 特開2017−014472号公報 特開2014−005338号公報
従って、本発明は、得られる硬化物において耐熱性及び低吸水性を兼備する熱硬化性樹脂組成物を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、特定のシアネートエステル化合物と、特定のフェノール硬化剤とを組合せた熱硬化性樹脂組成物が上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。
従って、本発明は、下記の熱硬化性樹脂組成物を提供する。
[1]
下記の(A)、(B)及び(C)成分を含む熱硬化性樹脂組成物。
(A) 1分子中に2個以上のシアナト基を有し、シアネートエステル基当量が50〜140であるシアネートエステル化合物:(A)及び(B)成分の合計100質量%に対し、20〜85質量%
(B) 1分子中に2個以上のシアナト基を有し、シアネートエステル基当量が150〜500であるシアネートエステル化合物:(A)及び(B)成分の合計100質量%に対し、15〜80質量%
(C) 硬化促進剤
[2]
さらに(D)無機充填材を含む[1]に記載の熱硬化性樹脂組成物。
[3]
前記(C)硬化促進剤がフェノール樹脂を含むものである[1]又は[2]に記載の熱硬化性樹脂組成物。
[4]
前記(B)成分が1分子中に1個以上のアリル基を有するシアネートエステル化合物である[1]〜[3]に記載の熱硬化性樹脂組成物。
本発明の熱硬化性樹脂組成物の硬化物は高耐熱性、低吸水性を兼備する。したがって、本発明の組成物の硬化物は、高温高湿での動作環境において、接着力を維持可能な封止材として利用できる。
ガラス転移温度の決定方法を示した図である。
以下、本発明について詳細に説明する。
[(A):シアネートエステル化合物]
(A)成分は、2個以上、好ましくは2〜12個のシアナト基を有し、シアネートエステル基当量50〜140、好ましくは70〜135、さらに好ましくは100〜135であるシアネートエステル化合物である。
2個以上のシアナト基を有する(A)成分のシアネートエステル化合物としては、一般に公知のものが使用でき、以下のシアネートエステル化合物が挙げられる。例えば、ビス(4−シアナトフェニル)メタン、ビス(3−メチル−4−シアナトフェニル)メタン、ビス(3,5−ジメチル−4−シアナトフェニル)メタン、1,1−ビス(4−シアナトフェニル)エタン、2,2−ビス(4−シアナトフェニル)プロパン、1,3−ジシアナトベンゼン、1,4−ジシアナトベンゼン、2−tert−ブチル−1,4−ジシアナトベンゼン、2,4−ジメチル−1,3−ジシアナトベンゼン、2,5−ジ−tert−ブチル−1,4−ジシアナトベンゼン、テトラメチル−1,4−ジシアナトベンゼン、1,3,5−トリシアナトベンゼン、2,2’−ジシアナトビフェニル、4,4’−ジシアナトビフェニル、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジシアナトビフェニル、1,3−ジシアナトナフタレン、1,4−ジシアナトナフタレン、1,5−ジシアナトナフタレン、1,6−ジシアナトナフタレン、1,8−ジシアナトナフタレン、2,6−ジシアナトナフタレン、2,7−ジシアナトナフタレン、1,3,6−トリシアナトナフタレン、ビス(4−シアナトフェニル)エーテル、4,4’−(1,3−フェニレンジイソプロピリデン)ジフェニルシアネート、ビス(4−シアナトフェニル)チオエーテル、トリス(4−シアナト−フェニル)ホスフィン、フェノールノボラック型シアネート、クレゾールノボラック型シアネートが挙げられる。これらのシアネートエステル化合物は1種または2種以上混合して用いることができる。中でも好ましいシアネートエステル化合物は、80℃において液状であるビス(4−シアナトフェニル)メタン、ビス(3−メチル−4−シアナトフェニル)メタン、1,1−ビス(4−シアナトフェニル)エタン、フェノールノボラック型シアネートエステルである。更に好ましくは、1,1−ビス(4−シアナトフェニル)エタン、フェノールノボラック型シアネートエステルである。
(A)成分の含有量としては、(A)及び(B)成分の合計100質量%に対し、20〜85質量%が好ましく、より好ましくは40〜75質量%であり、さらに好ましくは45〜70質量%である。
[(B):シアネートエステル化合物]
(B)成分は、2個以上、好ましくは2〜12個のシアナト基を有し、シアネートエステル基当量150〜500、好ましくは150〜450、さらに好ましくは150〜400であるシアネートエステル化合物である。
2個以上のシアナト基を有する(B)成分のシアネートエステル化合物としては、一般に公知のものが使用でき、以下のシアネートエステル化合物が挙げられる。例えば、ビス(3−エチル−4−シアナトフェニル)メタン、ビス(4−シアナトフェニル)スルホン、1,1,1−トリス(4−シアナトフェニル)エタン、2,2−ビス(4−シアナトフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、ジアリルビスフェノールA型シアネートエステル、ジアリルビスフェノールF型シアネートエステル、ビフェニルアラルキル型シアネートエステル、ジシクロペンタジエンノボラック型シアネート、ナフタレン環含有シアネートエステル、アラルキル型シアネートエステル、複素環型シアネートエステルが挙げられる。これらのシアネートエステル化合物は1種または2種以上混合して用いることができる。中でも好ましいシアネートエステル化合物は、ジアリルビスフェノールA型シアネートエステル、ジアリルビスフェノールF型シアネートエステル、ビフェニルアラルキル型シアネートエステル、ナフタレン環含有シアネートエステルである。
(B)成分の含有量としては、(A)及び(B)成分の合計100質量%に対し、15〜80質量%が好ましく、より好ましくは30〜70質量%であり、さらに好ましくは35〜60質量%である。
[(C):硬化促進剤]
(C)成分の硬化促進剤は、前記(A)及び(B)成分であるシアネートエステル化合物の硬化性を促進するものであればよく、一般に公知のものが使用できる。(C)成分の硬化促進剤としては、例えばトリフェニルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリ(p−メチルフェニル)ホスフィン、トリ(ノニルフェニル)ホスフィン、トリフェニルホスフィン・トリフェニルボラン、テトラフェニルホスフィン・テトラフェニルボレート等のリン系化合物;トリエチルアミン、ベンジルジメチルアミン、α−メチルベンジルジメチルアミン、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセン−7等の第3級アミン化合物;1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセン−7等の第3級アミン化合物との塩;2−メチルイミダゾール、2−フェニルイミダゾール、2−フェニル−4−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物;レゾルシノール型フェノール樹脂、ジアリルビスフェノール樹脂、フェノールノボラック樹脂、アリルフェノールノボラック樹脂等のフェノール樹脂等が挙げられる。
(C)成分は、1種単独で使用されてもよく、若しくは2種以上を組み合わせて使用されてもよい。
(C)硬化促進剤の合計配合量は、上記(A)成分及び(B)成分の合計100質量部に対して、0.1〜10質量%であることが好ましく、より好ましくは0.2〜5.5質量%である。
[(D)無機充填材]
本発明の熱硬化性樹脂組成物は、上記成分(A)〜(C)の所定量を配合することによって得られるが、任意成分として(D)無機充填材を配合してもよい。(D)無機充填材は、熱硬化性樹脂組成物の樹脂強度向上や低熱膨張化を目的に配合される。無機充填材としては、例えば、シリカ類(例えば、溶融シリカ、結晶性シリカ、クリストバライト等)、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、ボロンナイトライド、酸化チタン、ガラス繊維、酸化マグネシウム等が挙げられる。これら無機充填材の平均粒径や形状は、用途に応じて選択することができる。
(D)無機充填材の配合量は、上記(A)成分及び(B)成分の合計100質量部に対して、20〜95質量%であることが好ましく、より好ましくは30〜92質量%である。
無機充填材は、樹脂と無機充填材との結合強度を強くするために、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤等のカップリング剤で予め表面処理されたものを用いることが好ましい。このようなカップリング剤としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等のエポキシシラン;N−β(アミノエチル)−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、イミダゾールとγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランの反応物、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等のアミノシラン;γ−メルカプトシラン、γ−エピスルフィドキシプロピルトリメトキシシラン等のメルカプトシラン等のシランカップリング剤が挙げられる。なお、表面処理に用いるカップリング剤の配合量及び表面処理方法については特に制限されるものではない。
[(E)その他の添加剤]
本発明の熱硬化性樹脂組成物は、上記成分(A)〜(D)に加え、その他の添加剤を必要に応じて本発明の目的、効果を損なわない範囲で添加することができる。かかる添加剤としては、離型剤、難燃剤、イオントラップ剤、酸化防止剤、接着付与剤、低応力剤、着色剤などが挙げられる。
前記離型剤は、金型からの離形性を向上させる目的で添加される。該離型剤としては、例えばカルナバワックス、ライスワックス、キャンデリラワックス、ポリエチレン、酸化ポリエチレン、ポリプロピレン、モンタン酸、モンタン酸と飽和アルコール、2−(2−ヒドロキシエチルアミノ)エタノール、エチレングリコール、グリセリン等とのエステル化合物であるモンタンワックス、ステアリン酸、ステアリン酸エステル、ステアリン酸アミド、等公知のものを全て使用することができる。
前記難燃剤は、難燃性を付与する目的で添加される。該難燃剤としては特に制限されず公知のものを全て使用することができ、例えば、ホスファゼン化合物、シリコーン化合物、モリブデン酸亜鉛担持タルク、モリブデン酸亜鉛担持酸化亜鉛、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、酸化モリブデンを使用することができる。
前記イオントラップ剤は、樹脂組成物中に含まれるイオン不純物を捕捉し、熱劣化や吸湿劣化を防ぐ目的で添加される。イオントラップ剤としては、特に制限されず公知のものを全て使用することができ、ハイドロタルサイト類、水酸化ビスマス化合物、希土類酸化物等を使用しても良い。
(E)成分の添加剤の配合量は組成物の目的により相違するが、通常は、組成物全体の5質量%以下の量である。
[組成物の製造方法]
本発明の熱硬化性樹脂組成物は、次に示されるような方法で製造することができる。
例えば(A)シアネートエステル基当量50〜140であるシアネートエステル化合物と(B)シアネートエステル基当量150〜500であるシアネートエステル化合物と(C)硬化促進剤とを、同時に又は別々に必要により加熱処理を行いながら混合し、撹拌、溶解及び/又は分散させることにより、(A)〜(C)成分の混合物を得る。好ましくは、(A)及び(B)成分の混合物に(C)硬化促進剤を添加し、撹拌、溶解及び/又は分散させることにより(A)〜(C)成分の混合物を得てもよい。また、使用用途によって、(A)及び(B)成分の混合物、又は(A)〜(C)成分の混合物に、(D)無機充填材、離型剤、難燃剤及びイオントラップ剤のうち少なくとも1種類を添加して混合してもよい。各成分は単一種類で使用しても2種以上を併用してもよい。
組成物の製造方法では、混合、撹拌及び分散を行う装置について、特に限定されない。具体的には、例えば、撹拌及び加熱装置を備えたライカイ機、2本ロールミル、3本ロールミル、ボールミル、プラネタリーミキサー、又はマスコロイダーを用いることができ、これらの装置を適宜組み合わせて使用してもよい。
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。なお、表1中、量は(A)及び(B)成分の合計100質量%に対する量(質量%)を示す。
(A)シアネートエステル基当量50〜140であるシアネートエステル化合物
(A1)下記式(1)で表されるBis−E型シアネートエステル化合物(LECy:ロンザジャパン社製)[融点:29℃、粘度:室温で40mPa・s、シアネートエステル基当量133]
Figure 2019189765
(A2)下記式(2)で表されるフェノールノボラック型シアネートエステル化合物(PT−30:ロンザジャパン社製)[粘度:25℃で250Pa・s、シアネートエステル基当量119]
Figure 2019189765
(式(2)中、n=1〜10)
(A3)下記式(3)で表されるレゾルシノール型シアネートエステル化合物(REX−370:ハンツマン社製)[シアネートエステル基当量80]
Figure 2019189765
(B)シアネートエステル基当量150〜500であるシアネートエステル化合物
(B1)下記式(4)で表されるジアリルビスフェノールA型シアネートエステル化合物(A211:三菱ガス化学社製)[シアネートエステル基当量179]
Figure 2019189765
(B2)下記式(5)で表されるジアリルビスフェノールF型シアネートエステル化合物(三菱ガス化学社製)[シアネートエステル基当量165]
Figure 2019189765
(B3)下記式(6)で表されるビフェニルアラルキル型シアネートエステル化合物(BCN:三菱ガス化学社製)[シアネートエステル基当量208]
Figure 2019189765
(式(6)中、n=1〜10)
(B4)下記式(7)で表されるチオエーテル型シアネートエステル化合物[シアネートエステル基当量400]
Figure 2019189765
(C)硬化促進剤
(C1)レゾルシノール型フェノール樹脂(MEH−8400:明和化成社製)
(C2)アリルフェノールノボラック樹脂(MEH−8000H:明和化成社製)
(C3)1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセン−7誘導体のテトラフェニルボレート塩(U−CAT 5002:サンアプロ社製)
(C4)テトラフェニルホスホニウム テトラ−p−トリルボレート(TPP−MK:北興化学社製)
(D)無機充填材
RS−8225H(平均粒径15μm、龍森社製)
[実施例1〜11、比較例1〜3]
表1に示す配合(質量%)で熱硬化性樹脂組成物を得た。これらの組成につき、以下の諸特性を測定した。結果を表1に示す。
[硬化性の評価]
表1に示す配合(質量%)で調製した各熱硬化性樹脂組成物を1mm厚の金型に流し込み150℃のオーブンに1時間放置した後、オーブンから取出し室温の状態まで冷却して硬化性の評価を行った。硬化性の評価では、表面にタックが無いものを「○」、表面上にタックがある又は未硬化のものを「×」とし、各硬化物の硬化性評価結果を表1に記載した。
[接着性の評価]
表1に示す配合(質量%)で調製した各熱硬化性樹脂組成物を型に流し込み、上面の直径2mm、下面の直径5mm、高さ3mmの円錐台形状の試験片としてシリコンチップ上に載せ、該試験片を150℃で2時間、さらに200℃で4時間加熱して硬化させた。硬化後、得られた試験片を室温の状態まで冷却して剪断接着力を測定し、その測定結果を初期値とした。各試験片の初期値を表1に記載した。
[高温保管後の接着力保持率]
初期値の測定方法と同様にして、実施例及び比較例において調製した各熱硬化性樹脂組成物を型に流し込み、上面の直径2mm、下面の直径5mm、高さ3mmの円錐台形状の試験片としてシリコンチップ上に載せ、該試験片を150℃で2時間、さらに200℃で4時間加熱して硬化させた。硬化後、得られた試験片を200℃のオーブンにて1,000時間保管後、室温の状態まで冷却して剪断接着力を測定した。高温保管後の接着力保持率は、(200℃で1,000時間保管後の剪断接着力)/初期値×100(%)で求めた。各試験片の高温保管後の接着力保持率を表1に記載した。
[高温・高湿保管後の接着力保持率]
初期値の測定方法と同様にして、実施例及び比較例において調製した各熱硬化性樹脂組成物を型に流し込み、上面の直径2mm、下面の直径5mm、高さ3mmの円錐台形状の試験片としてシリコンチップ上に載せ、該試験片を150℃で2時間、さらに200℃で4時間加熱して硬化させた。硬化後、得られた試験片を85℃/85%RHで1,000時間保管後、室温の状態まで冷却して剪断接着力を測定した。高温・高湿保管後の接着力保持率は、(85℃/85%RHで1,000時間保管後の剪断接着力)/初期値×100(%)で求めた。各試験片の高温・高湿保管後の接着力保持率を表1に記載した。
[200℃加熱重量減少率]
表1に示す配合(質量%)で調製した各熱硬化性樹脂組成物から製造した10×100×4mmの試験片を150℃で2時間、さらに200℃で4時間加熱して硬化させた。得られた試験片の初期重量を分析天秤(製品名:METTLER AT201(メトラー・トレド株式会社))を用いてひょう量した後、試験片を200℃オーブン中に500時間保管した。その後、試験片の200℃加熱後重量を分析天秤(製品名:METTLER AT201(メトラー・トレド株式会社))を用いてひょう量した。下記式から200℃加熱重量減少率(%)を算出した。
Figure 2019189765
[吸水率]
表1に示す配合(質量%)で調製した各熱硬化性樹脂組成物から製造した直径50mm×厚さ3mmの円盤を150℃で2時間、さらに200℃で4時間加熱して硬化させた。作製した円盤の初期重量を分析天秤(製品名:METTLER AT201(メトラー・トレド株式会社))を用いてひょう量した後、プレッシャークッカーにて121℃、2.03×105Paの飽和水蒸気下で168時間曝露した。その後、円盤の吸湿後重量を分析天秤(製品名:METTLER AT201(メトラー・トレド株式会社))を用いてひょう量した。下記式から吸水率(%)を算出した。
Figure 2019189765
[ガラス転移温度(Tg)の測定]
実施例及び比較例において150℃で2時間、さらに200℃で4時間加熱して作製した硬化物を、5×5×15mmの試験片にそれぞれを加工した後、それらの試験片を熱膨張計TMA8140C(株式会社リガク社製)にセットした。そして、昇温プログラムを昇温速度5℃/分に設定し、19.6mNの一定荷重が加わるように設定した後、25℃から300℃までの間で試験片の寸法変化を測定した。この寸法変化と温度との関係をグラフにプロットした。このようにして得られた寸法変化と温度とのグラフから、下記に説明するガラス転移温度の決定方法により、実施例及び比較例におけるガラス転移温度を求め、その結果を表1に示した。
[ガラス転移温度(Tg)の決定]
図1は、ガラス転移温度の決定方法を示したグラフである。図1において、変曲点の温度以下で寸法変化−温度曲線の接線が得られる任意の温度2点をT1及びT2とし、変曲点の温度以上で同様の接線が得られる任意の温度2点をT1’及びT2’とした。T1及びT2における寸法変化をそれぞれD1及びD2として、点(T1、D1)と点(T2、D2)とを結ぶ直線と、T1’及びT2’における寸法変化をそれぞれD1’及びD2’として、点(T1’、D1’)と点(T2’、D2’)とを結ぶ直線との交点をガラス転移温度(Tg)とした。
Figure 2019189765

Claims (4)

  1. 下記の(A)、(B)及び(C)成分を含む熱硬化性樹脂組成物。
    (A) 1分子中に2個以上のシアナト基を有し、シアネートエステル基当量が50〜140であるシアネートエステル化合物:(A)及び(B)成分の合計100質量%に対し、20〜85質量%
    (B) 1分子中に2個以上のシアナト基を有し、シアネートエステル基当量が150〜500であるシアネートエステル化合物:(A)及び(B)成分の合計100質量%に対し、15〜80質量%
    (C) 硬化促進剤
  2. さらに(D)無機充填材を含む請求項1に記載の熱硬化性樹脂組成物。
  3. 前記(C)硬化促進剤がフェノール樹脂を含むものである請求項1又は2に記載の熱硬化性樹脂組成物。
  4. 前記(B)成分が1分子中に1個以上のアリル基を有するシアネートエステル化合物である請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱硬化性樹脂組成物。
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