JP2020196772A - 付加硬化型シリコーン樹脂組成物、該組成物の製造方法、及び光半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一方で、特許文献4では、ケイ素原子に結合したパーフルオロアルキル基を含有したシリコーン組成物により低屈折率を有し、透明性が良好かつ光取り出し効率に優れたエラストマーを与える付加硬化型シリコーン組成物、及び該組成物からなる光学素子用封止材が提案されている。しかしながら、パーフルオロアルキル基を有するフッ素シリコーン樹脂は高温時における重量減少が大きく、これに伴う硬度上昇が発生する。重量減少・硬度上昇はLEDにおいてもクラックなどの深刻なエラーを引き起こし、解決が望まれている。
(A)一分子中に2個以上のケイ素原子に結合したアルケニル基及び1個以上のケイ素原子に結合したCF3−(CF2)a−(CH2)b−で表される基(ただし、aは3以上の整数であり、bは1以上の整数である)を有するオルガノポリシロキサン、
(B)一分子中にケイ素原子に結合した水素原子を2個以上有する有機ケイ素化合物:前記(A)成分中のケイ素原子に結合したアルケニル基1個に対して前記(B)成分中のケイ素原子に結合した水素原子が0.5〜5.0個となる量、
(C)白金族金属系触媒:前記(A)成分および前記(B)成分の合計質量に対して白金族金属の質量換算で1〜500ppmとなる量、ならびに
(D)下記i)、ii)及びiii)成分の反応生成物:前記(A)成分および前記(B)成分の合計100質量部に対して0.01〜20質量部、
i)25℃における粘度が10〜10,000mPa・sであり、一分子中に少なくとも1個のケイ素原子に結合したCF3−(CF2)j−(CH2)k−で表される基(ただし、jは3以上の整数であり、kは1以上の整数である)を有するオルガノポリシロキサン、
ii)セリウム含有希土類元素のカルボン酸塩:セリウムが前記i)成分100質量部に対して0.05〜5質量部となる量、
iii)(R4O)4Ti(式中、R4は同種または異種の一価炭化水素基である)で表される化合物またはその部分加水分解縮合物の少なくとも一方:チタンが前記i)成分100質量部に対して0.05〜5質量部となる量
を含有する付加硬化型シリコーン樹脂組成物を提供する。
この付加硬化型シリコーン樹脂組成物が前記所定以下の屈折率を示すものであると、この付加硬化型シリコーン樹脂組成物は、光取出し効率により優れたシリコーン硬化物を与えるものとなる。
(A)一分子中に2個以上のケイ素原子に結合したアルケニル基及び1個以上のケイ素原子に結合したCF3−(CF2)a−(CH2)b−で表される基(ただし、aは3以上の整数であり、bは1以上の整数である)を有するオルガノポリシロキサン、
(B)一分子中にケイ素原子に結合した水素原子を2個以上有する有機ケイ素化合物:前記(A)成分中のケイ素原子に結合したアルケニル基1個に対して前記(B)成分中のケイ素原子に結合した水素原子が0.5〜5.0個となる量、
(C)白金族金属系触媒:前記(A)成分および前記(B)成分の合計質量に対して白金族金属の質量換算で1〜500ppmとなる量、ならびに
(D)下記i)、ii)及びiii)成分の反応生成物:前記(A)成分および前記(B)成分の合計100質量部に対して0.01〜20質量部、
i)25℃における粘度が10〜10,000mPa・sであり、一分子中に少なくとも1個のケイ素原子に結合したCF3−(CF2)j−(CH2)k−で表される基(ただし、jは3以上の整数であり、kは1以上の整数である)を有するオルガノポリシロキサン、
ii)セリウム含有希土類元素のカルボン酸塩:セリウムが前記i)成分100質量部に対して0.05〜5質量部となる量、
iii)(R4O)4Ti(式中、R4は同種または異種の一価炭化水素基である)で表される化合物またはその部分加水分解縮合物の少なくとも一方:チタンが前記i)成分100質量部に対して0.05〜5質量部となる量
を含有する付加硬化型シリコーン樹脂組成物である。
[付加硬化型シリコーン組成物]
本発明の付加硬化型シリコーン樹脂組成物は、後述する(A)〜(D)成分を含有するものである。
(A)一分子中に2個以上のケイ素原子に結合したアルケニル基及び1個以上のケイ素原子に結合したCF3−(CF2)a−(CH2)b−で表される基(ただし、aは3以上の整数であり、bは1以上の整数である)を有するオルガノポリシロキサン、
(B)一分子中にケイ素原子に結合した水素原子を2個以上有する有機ケイ素化合物、
(C)白金族金属系触媒、
(D)下記i)、ii)及びiii)成分の反応生成物、
i)25℃における粘度が10〜10,000mPa・sであり、一分子中に少なくとも1個のケイ素原子に結合したCF3−(CF2)j−(CH2)k−で表される基(ただし、jは3以上の整数であり、kは1以上の整数である)を有するオルガノポリシロキサン、
ii)セリウム含有希土類元素のカルボン酸塩、
iii)(R4O)4Ti(式中、R4は同種または異種の一価炭化水素基である)で表される化合物またはその部分加水分解縮合物の少なくとも一方
<(A)成分>
(A)成分は、一分子中に2個以上のケイ素原子に結合したアルケニル基及び1個以上のケイ素原子に結合したCF3−(CF2)a−(CH2)b−で表される基(ただし、aは3以上の整数であり、bは1以上の整数である)を有するオルガノポリシロキサンであり、付加硬化型シリコーン樹脂組成物及びシリコーン硬化物の低屈折率化に寄与する。
(A)成分は直鎖状または分岐状であってもよく、また液状、蝋状および固体であってもよい。
aは、3以上の整数であり、好ましくは3〜9の整数であり、より好ましくは5である。aが3未満であると、十分な低屈折率化を達成できないおそれがある。
bは、1以上の整数であり、好ましくは1〜5の整数であり、より好ましくは2である。bが0であるものは製造上好ましくない。
このような分岐状オルガノポリシロキサンは、さらにメチルビニルシロキシ単位、ジメチルシロキシ単位等の(R2)2SiO2/2単位(D単位)、ジメチルビニルシロキシ単位、トリメチルシロキシ単位等の(R2)3SiO1/2単位(M単位)(R2は上記と同様である。)を含んでもよく、Q単位及びT単位の合計の含有量は、好ましくは(A)成分中の全シロキサン単位の5モル%以上、より好ましくは10〜95モル%、更に好ましくは20〜80モル%、特に好ましくは20〜60モル%である。
(A)成分の具体例としては、下記構成単位比で表されるオルガノポリシロキサン等が例示される。
[(CH3)3SiO1/2]0.10[(CH2=CH)(CH3)2SiO1/2]0.17[SiO4/2]0.29[CF3−(CF2)5−CH2−CH2−SiO3/2]0.44
[(CH2=CH)(CH3)SiO2/2]0.16[(CF3−CH2−CH2)SiO3/2]0.78[(CF3−(CF2)3−CH2−CH2)(CH3)SiO2/2]0.05
[(CH2=CH)(CH3)SiO2/2]0.12[CF3−(CF2)5−CH2−CH2−SiO3/2]0.35[CH3SiO3/2]0.53
(上記式中、シロキサン単位の配列順は任意である。)
(B)成分は、一分子中にケイ素原子に結合した水素原子(即ち、SiH基)を2個以上有する有機ケイ素化合物である。(B)成分は、(A)成分に含まれるアルケニル基とヒドロシリル化反応により架橋する架橋剤として作用する。
(B)成分としては、一分子中にケイ素原子に結合した水素原子を2個以上有する有機ケイ素化合物であれば特に限定されず、オルガノハイドロジェンシラン類、オルガノハイドロジェンポリシロキサン等が挙げられるが、好ましくはオルガノハイドロジェンポリシロキサンである。オルガノハイドロジェンポリシロキサンの分子構造に特に制限はなく、例えば、直鎖状、環状、分岐鎖状、三次元網状構造(樹脂状)等が挙げられる。
(B)成分の有機ケイ素化合物の一分子中のケイ素原子の数(重合度)は、好ましくは2〜1,000、より好ましくは3〜200、更により好ましくは4〜100である。
更に、(B)成分の有機ケイ素化合物は25℃で液状であることが好ましく、キャノン・フェンスケ粘度計により測定された25℃における動粘度は、好ましくは1〜1,000mm2/s、より好ましくは10〜300mm2/sである。
CF3−(CF2)f−(CH2)g−で表される基として、好ましくはCF3−(CH2)2−、CF3−(CF2)3−(CH2)2−、CF3−(CF2)5−(CH2)2−で表される基である。
R3 hHiSiO(4−h−i)/2 (2)
(式中、R3は、それぞれ同一又は異なっていてもよい、アルケニル基を含まない置換又は非置換の一価炭化水素基であり、h及びiは、0.7≦h≦2.1、0.001≦i≦1.0、かつ0.8≦h+i≦3.0、好ましくは1.0≦h≦2.0、0.01≦i≦1.0、かつ1.5≦h+i≦2.5を満たす数である。)
(B)成分は、一種単独で用いても二種以上を併用してもよい。
(C)成分の白金族金属系触媒は、前記(A)成分と(B)成分のヒドロシリル化反応を進行及び促進させるための成分である。
白金族金属系触媒は、特に限定されず、例えば、白金、パラジウム、ロジウム等の白金族金属;塩化白金酸、アルコール変性塩化白金酸、塩化白金酸とオレフィン類、ビニルシロキサンまたはアセチレン化合物との配位化合物等の白金化合物;テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム、クロロトリス(トリフェニルホスフィン)ロジウム等の白金族金属化合物等が挙げられるが、前記(A)成分および(B)成分との相溶性が良好であり、クロル不純物をほとんど含有しないので、好ましくは塩化白金酸をシリコーン変性したものである。
(C)成分は、一種単独で用いても二種以上を併用してもよい。
(D)成分は、下記i)、ii)及びiii)成分の反応生成物であり、前記(A)〜(C)成分と高い相溶性を示し、付加硬化型シリコーン樹脂組成物に耐熱性を付与するための添加剤である。
ii)セリウム含有希土類元素のカルボン酸塩:セリウムがi)成分100質量部に対して0.05〜5質量部となる量、
iii)(R4O)4Ti(式中、R4は同種または異種の一価炭化水素基である)で表される化合物またはその部分加水分解縮合物の少なくとも一方:チタンがi)成分100質量部に対して0.05〜5質量部となる量
kは1以上の整数であり、好ましくは1〜5の整数であり、より好ましくは2である。kが0であるものは製造上好ましくない。
iii)成分のチタン化合物としては、テトラn−ブチルチタネート等のテトラアルコキシチタン、その加水分解縮合物などが例示される。
酸素含有ガスとしては、バブリングにより供給されるガス全体に対し酸素を5体積%以上含むものが好ましく、窒素やアルゴン等の不活性ガスと酸素との混合ガスや、空気等を使用することができる。
本発明の付加硬化型シリコーン樹脂組成物は、前記(A)〜(D)成分以外にも、以下に例示するその他の成分を配合してもよい。
本発明の付加硬化型シリコーン樹脂組成物には、必要に応じて(C)成分の付加反応触媒に対して硬化抑制効果を持つ化合物とされている従来公知の反応抑制剤(反応制御剤)を使用することができる。この反応抑制剤としては、トリフェニルホスフィン等のリン含有化合物;トリブチルアミンやテトラメチルエチレンジアミン、ベンゾトリアゾール等の窒素含有化合物;硫黄含有化合物;アセチレン系化合物;ハイドロパーオキシ化合物;マレイン酸誘導体等が例示される。
反応抑制剤による硬化抑制効果の度合いは、反応抑制剤の化学構造によって大きく異なるため、反応抑制剤の配合量は、使用する反応抑制剤ごとに最適な量に調整することが好ましい。通常は、(A)成分、(B)成分、(C)成分および(D)成分の合計100質量部に対して0.001〜5質量部が好ましい。
本発明の付加硬化型シリコーン樹脂組成物は、その接着性を向上させるための接着性付与剤を含有してもよい。この接着性付与剤としては、シランカップリング剤やその加水分解縮合物等が例示される。シランカップリング剤としては、エポキシ基含有シランカップリング剤、(メタ)アクリル基含有シランカップリング剤、イソシアネート基含有シランカップリング剤、イソシアヌレート基含有シランカップリング剤、アミノ基含有シランカップリング剤、メルカプト基含有シランカップリング剤等公知のものが例示され、(A)成分と(B)成分の合計100質量部に対して好ましくは0.1〜20質量部、より好ましくは0.3〜10質量部用いることができる。また、接着性付与剤は上述した接着性官能基を有しつつ、ケイ素原子に結合したアルケニル基もしくは水素原子を含んでいてもよい。この場合、(A)および(B)成分とヒドロシリル化反応を起こし、反応系内に取り込まれる。
本発明の付加硬化型シリコーン樹脂組成物には、結晶性シリカ、中空フィラー、シルセスキオキサン等の無機質充填剤、及びこれらの充填剤をオルガノアルコキシシラン化合物、オルガノクロロシラン化合物、オルガノシラザン化合物、低分子量シロキサン化合物等の有機ケイ素化合物により表面疎水化処理した充填剤、シリコーンゴムパウダー、シリコーンレジンパウダー等を充填することができる。本成分としては、特にチクソ性を付与できる充填剤を使用することが好ましく、チクソ性を付与することによって作業性、機械特性に優れるシリコーン硬化物を得ることができる。
本発明の付加硬化型シリコーン樹脂組成物は、前記(A)成分、(C)成分、(D)成分および必要に応じてその他の成分からなる第一剤と、前記(A)成分、(B)成分、(D)成分および必要に応じてその他の成分からなる第二剤を別々に調製し、使用前に第一剤と第二剤を混合する二剤型の組成物としてもよい。なお、第一剤および第二剤で共通に使用される成分があってもよい。付加硬化型シリコーン樹脂組成物をこのような二剤型とすることにより、さらに保存安定性が確保できる。
この付加硬化型シリコーン樹脂組成物が前記所定以下の屈折率を示すものであると、この付加硬化型シリコーン樹脂組成物は、光取出し効率により優れたシリコーン硬化物を与えるものとなる。
さらに、本発明は、付加硬化型シリコーン樹脂組成物の硬化物(シリコーン硬化物)を提供する。
このシリコーン硬化物は、高温条件での使用においても高透明であり、硬度変化及び質量減少が小さく、LED素子等の封止材料として特に有用なものである。特に、本発明の付加硬化型シリコーン組成物が、(A)成分、(D)成分、場合により(B)成分中にフルオロアルキル基等を有するため、低屈折率で、光透過率を高めることができると共に光取出し効率も優れたシリコーン硬化物を得ることができる。
本発明の付加硬化型シリコーン樹脂組成物の硬化は、公知の条件で行えばよく、一例としては100〜180℃において10分〜5時間の条件で硬化させることが出来る。
さらに、本発明は、前記シリコーン硬化物で光半導体素子がダイボンディングまたは封止された光半導体装置を提供する。
本発明の付加硬化型シリコーン樹脂組成物は、高温条件での使用においても高透明であり、硬度変化及び質量減少が小さいシリコーン硬化物を与えることができる。このため、このシリコーン硬化物を用いた光半導体装置は信頼性が高いものとなる。
MH:H(CH3)2SiO1/2
DVi:(CH=CH2)(CH3)SiO2/2
DF3:CF3−(CH2)2(CH3)SiO2/2
DF13:CF3−(CF2)5−(CH2)2(CH3)SiO2/2
T:(CH3)SiO3/2
TF13:CF3−(CF2)5−(CH2)2SiO3/2
撹拌装置、冷却管、滴下ロートおよび温度計を備えた3Lの4つ口フラスコに(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−トリデカフルオロオクチル)トリメトキシシラン2340.0g、ヘキサメチルジシロキサン202.5g、メチルトリメトキシシラン680g、メタノール52gを入れ、撹拌しながらメタンスルホン酸6.6gを滴下し、さらに水80.3gを滴下した。ヘキサフルオロメタキシレン500gを加え65℃で5時間反応を行った後、50%水酸化カリウム水溶液10.7gを滴下した。加熱によりメタノールを留去し、120℃で5時間反応を行った。さらにメタンスルホン酸3.4gを加え、110℃で2時間中和反応を行った後、キョーワード500(協和化学工業株式会社製)6.9gを加えて25℃で撹拌した。得られた溶液の濾過を行ったのち120℃で減圧濃縮を行い溶媒を除去し、粘度5,300mPa・s、屈折率1.35のオルガノポリシロキサンを得た。得られたオルガノポリシロキサンのNMRスペクトル分析による構成単位比はM0.2T0.4TF13 0.4であった。
合成例1で得られたオルガノポリシロキサン130質量部に、セリウム含有希土類元素混合物の2−エチルヘキサン酸塩のターペン溶液(希土類元素含有量6質量%)13質量部(セリウム量として0.55質量部)とテトラn−ブチルチタネート2.7質量部(チタン質量が前記2−エチルヘキサン酸塩中のセリウム質量の0.85倍)との混合物を撹拌しながら添加し、黄白色の分散液を得た。この分散液中に空気を0.1MPaの圧力(流量:0.3L/分)でバブリングし、かつ窒素ガスを反応容器内に流通しながら加熱してターペンを除いた。次いで300℃で1時間加熱し、赤褐色で透明な組成物(D−1)を得た。
平均式M2DF3で表されるオルガノポリシロキサン(屈折率1.38、粘度450mPa・s)130質量部に、セリウム含有希土類元素混合物の2−エチルヘキサン酸塩のターペン溶液(希土類元素含有量6質量%)13質量部(セリウム量として0.55部)とテトラn−ブチルチタネート2.7質量部(チタン質量が前記2−エチルヘキサン酸塩中のセリウム質量の0.85倍)を予め混合したものを十分撹拌しながら添加し、黄白色の分散液を得た。この分散液中に空気を0.1MPaの圧力(流量:0.3L/分)でバブリングし、かつ窒素ガスを反応容器内に流通しながら加熱してターペンを除いた。次いで300℃で1時間加熱し、赤褐色で透明な組成物(D−2)を得た。
六塩化白金酸と1,3−ジビニルテトラメチルジシロキサンとの反応生成物を、白金含有量が3質量%となるように、エタノール溶液で希釈して白金触媒(C−1)を調製した。
表1に示す配合量(質量部)で下記の各成分を混合し、付加硬化型シリコーン組成物を調製した。
(A)成分:
(A−1)構成単位比TF13 0.35T0.53DVi 0.12で表されるオルガノポリシロキサン(屈折率1.36、粘度49Pa・s)
(B−1)構成単位比TF13 0.25MH 0.75で表されるオルガノハイドロジェンポリシロキサン(動粘度2.5mm2/s)、
(B−2)構成単位比DF13 0.17DF3 0.5MH 0.33で表されるオルガノハイドロジェンポリシロキサン(動粘度230mm2/s)
(C−1)合成例3で得られた白金触媒
(D)成分:
(D−1)合成例2で得られた組成物、
(D−2)比較合成例1で得られた組成物
[外観]
各組成物の外観を目視で観察した。
各組成物について、屈折計(アタゴ社製、RX−5000)を用いて25℃における波長589nmの光の屈折率(nD25)を測定した。
付加硬化型シリコーン樹脂組成物を2mm厚になるよう型に流し込み、150℃で2時間加熱硬化させて得たシリコーン硬化物について、シリコーン硬化物の作製直後、及び、シリコーン硬化物を250℃の環境下に250時間保管後、25℃における波長400nmの直進光の光透過率を分光光度計U−3900(日立ハイテクサイエンス社製)を用いてそれぞれ測定した。
付加硬化型シリコーン樹脂組成物を150℃で2時間加熱硬化させて得たシリコーン硬化物について、シリコーン硬化物の作製直後、及び、シリコーン硬化物を250℃の環境下に250時間保管後、25℃におけるシリコーン硬化物のTypeA硬度をそれぞれ測定した。硬さの変化率は下記の式に従って求めた。
(変化率%)=((250℃、250時間後の硬さ)÷(作製直後の硬さ)×100)−100
前記光透過率の測定に用いたシリコーン硬化物の初期質量を100としたときの、250℃の環境下に250時間保管後の質量を測定した。
一方、比較例1では(D)成分を含まないため耐熱性試験における硬度変化、質量変化が大きく、耐熱性に劣っていた。また、フルオロアルキル基としてCF3−CH2−CH2−基を有するオルガノポリシロキサンを反応成分として使用した比較例2の組成物(D−2)は、(A)〜(C)成分への相溶性が悪く、付加硬化型シリコーン組成物は透明性に劣るものであり、そのシリコーン硬化物も透明性に劣り、硬度変化、質量変化が少し大きいものであった。
Claims (9)
- (A)一分子中に2個以上のケイ素原子に結合したアルケニル基及び1個以上のケイ素原子に結合したCF3−(CF2)a−(CH2)b−で表される基(ただし、aは3以上の整数であり、bは1以上の整数である)を有するオルガノポリシロキサン、
(B)一分子中にケイ素原子に結合した水素原子を2個以上有する有機ケイ素化合物:前記(A)成分中のケイ素原子に結合したアルケニル基1個に対して前記(B)成分中のケイ素原子に結合した水素原子が0.5〜5.0個となる量、
(C)白金族金属系触媒:前記(A)成分および前記(B)成分の合計質量に対して白金族金属の質量換算で1〜500ppmとなる量、ならびに
(D)下記i)、ii)及びiii)成分の反応生成物:前記(A)成分および前記(B)成分の合計100質量部に対して0.01〜20質量部、
i)25℃における粘度が10〜10,000mPa・sであり、一分子中に少なくとも1個のケイ素原子に結合したCF3−(CF2)j−(CH2)k−で表される基(ただし、jは3以上の整数であり、kは1以上の整数である)を有するオルガノポリシロキサン、
ii)セリウム含有希土類元素のカルボン酸塩:セリウムが前記i)成分100質量部に対して0.05〜5質量部となる量、
iii)(R4O)4Ti(式中、R4は同種または異種の一価炭化水素基である)で表される化合物またはその部分加水分解縮合物の少なくとも一方:チタンが前記i)成分100質量部に対して0.05〜5質量部となる量
を含有するものであることを特徴とする付加硬化型シリコーン樹脂組成物。 - 前記(B)成分が、一分子中に1個以上のケイ素原子に結合したCF3−(CF2)f−(CH2)g−で表される基(ただし、fは0以上の整数、gは1以上の整数である)を有するものであることを特徴とする請求項1に記載の付加硬化型シリコーン樹脂組成物。
- 前記(A)成分において、a=5およびb=2であり、前記(D)成分において、j=5およびk=2であることを特徴とする請求項1または2に記載の付加硬化型シリコーン樹脂組成物。
- 25℃における波長589nmの光の屈折率が1.37以下のものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の付加硬化型シリコーン樹脂組成物。
- 前記i)、ii)及びiii)成分を、酸素含有ガスをバブリングしながら150℃以上の温度で反応させて前記(D)成分を生成させる工程を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の付加硬化型シリコーン樹脂組成物の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の付加硬化型シリコーン樹脂組成物の硬化物であることを特徴とするシリコーン硬化物。
- 光路長2mmにおける波長400nmの光の透過率が80%以上であることを特徴とする請求項6に記載のシリコーン硬化物。
- 請求項6または7に記載のシリコーン硬化物で光半導体素子がダイボンディングされたものであることを特徴とする光半導体装置。
- 請求項6または7に記載のシリコーン硬化物で光半導体素子が封止されたものであることを特徴とする光半導体装置。
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