JP2021066857A - 硬化性組成物及び硬化物 - Google Patents
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Abstract
Description
[項1]
ナフタレン型エポキシ樹脂(A1)、
グリシジルアミン型エポキシ樹脂(A2)、
融点100℃以上のアミン系硬化剤(B)及び
無機充填材(C)
を含み、
前記アミン系硬化剤(B)はイミダゾール系硬化剤及びイミダゾリン系硬化剤からなる群から選択される少なくとも一種である、硬化性組成物。
[項2]
前記アミン系硬化剤(B)の分子内窒素原子の数が3個以上である、項1に記載の硬化性組成物。
[項3]
前記アミン系硬化剤(B)の窒素含有率(14×アミン系硬化剤(B)分子内の窒素原子数/アミン系硬化剤(B)の分子量×100)は20重量%以上である、項1又は2に記載の硬化性組成物。
[項4]
前記アミン系硬化剤(B)が、トリアジン骨格含有硬化剤である、項1〜3のいずれか一項に記載の硬化性組成物。
[項5]
前記ナフタレン型エポキシ樹脂(A1)の量が、組成物中の有機物量に対して、20重量%以上であり、
前記グリシジルアミン型エポキシ樹脂(A2)の量が、組成物中の有機物量に対して、20重量%以上である、項1〜4のいずれか一項に記載の硬化性組成物。
[項6]
前記グリシジルアミン型エポキシ樹脂(A2)は芳香族であり、そのモノマー構造が窒素原子を1個のみ有する構造である、項1〜5のいずれか一項に記載の硬化性組成物。
[項7]
前記無機充填材(C)が球状無機粒子を含む、項1〜6のいずれか一項に記載の硬化性組成物。
[項8]
前記球状無機粒子は、
中心粒径が0.5〜5μmの範囲にある球状無機粒子(Cs)及び、
中心粒径が5〜20μmの範囲にある球状無機粒子(Cl)
を含み、前記球状無機粒子(Cs)の中心粒径と前記球状無機粒子(Cl)の中心粒径との差は少なくとも1μmである、項7に記載の硬化性組成物。
[項9]
前記球状無機粒子の体積基準粒度分布測定において、横軸を粒径、縦軸を粒子の存在比率としてプロットして得られる粒子の存在比率のチャートにおいて、粒径0.5〜20μmの範囲においてピーク又はショルダーピークを少なくとも2個有する、項7に記載の硬化性組成物。
[項10]
線膨張係数が31ppm以下である、項1〜9のいずれか一項に記載の硬化性組成物の硬化物。
[項11]
ナフタレン型エポキシ樹脂(A1)、
グリシジルアミン型エポキシ樹脂(A2)、
融点が100℃以上であるアミン系硬化剤(B)及び
無機充填材(C)
を含む、アンダーフィル材であって、
前記アミン系硬化剤(B)が、イミダゾール系硬化剤及びイミダゾリン系硬化剤からなる群から選択される少なくとも一種である、アンダーフィル材。
[項12]
項11に記載のアンダーフィル材又はその硬化物により電子部品と基板とが接続されている、電子部品装置。
[項13]
項11に記載のアンダーフィル材を、電子部品と基板との空隙に充填する工程を含む、電子部品装置の製造方法。
本開示における硬化性組成物は、ナフタレン型エポキシ樹脂(A1)、グリシジルアミン型エポキシ樹脂(A2)及び室温で固体であるアミン系硬化剤(B)を含む。
工程短縮の観点から、アンダーフィル材の基板への塗布後、空隙への浸透と硬化が同時に行われることが好ましい。このためには、硬化炉(例えば140℃、20分)における昇温中においてもアンダーフィル材が浸透することが求められる。この観点から、ある一定温度(例えば120℃)以下では硬化が十分に進行せず、それ以上の温度で速やかに硬化が進行する硬化性組成物を用いることが有利である。
本開示における硬化性組成物はエポキシ樹脂を含む。本明細書において、「エポキシ樹脂」とは、硬化剤と反応する前の状態のエポキシ樹脂のことをいう。エポキシ樹脂は、常温で液状又は固体であってよく、常温で液状であることが好ましい。エポキシ樹脂は、モノマー型エポキシ樹脂、プレポリマー型エポキシ樹脂又はモノマー型エポキシ樹脂とプレポリマー樹脂(例えば、重合度2〜5又は2〜3)との混合物であってもよい。
本開示における硬化性組成物は、ナフタレン型エポキシ樹脂(A1)を含む。「ナフタレン型エポキシ樹脂」とは、ナフタレン骨格を分子内に有するエポキシ樹脂である。ナフタレン型エポキシ樹脂(A1)は、脂肪族基及び芳香族基等のその他の基を含んでいてもよい。エポキシ基含有基としてグリシジル基(例えば、グリシジルエーテル基又はグリシジルアミノ基)が用いられてよい。ナフタレン型エポキシ樹脂(A1)はグリシジルアミノ基を有していなくてもよい。
本開示における硬化性組成物は、グリシジルアミン型エポキシ樹脂(A2)を含む。「グリシジルアミン型エポキシ樹脂」とは、グリシジルアミノ基を分子内に有するエポキシ樹脂である。エポキシ樹脂(A1)とエポキシ樹脂(A2)とを併用することで、浸透性及び耐熱性が好適となる。
硬化性組成物はナフタレン型エポキシ樹脂(A1)及びグリシジルアミン型エポキシ樹脂(A2)以外のエポキシ樹脂を含んでいることが好ましい。
(アミン系硬化剤(B))
硬化性組成物は、室温で固体のアミン系硬化剤(B)を含むことが好ましい。本開示において、アミン系硬化剤とは、熱硬化性樹脂に加えたときに硬化反応を進行又は促進させる作用を有するものであって、分子内にアミノ基を有するものをいう。ここで、「アミノ基」とは、当業者がアミノ基と認識するものであって、イミダゾール骨格又はイミダゾリン骨格に含まれるアミノ基を含む。また、本明細書における「硬化剤」とは、硬化促進剤も含む広義の概念であってよい。
(式(4)中、R12、R13及びR14はそれぞれ独立して、水素原子又は炭素数1〜25の有機基であり、Lは直接結合又は炭素数1〜25の有機基である。)
本開示の硬化性組成物は、硬化剤(B)以外のその他硬化剤を含んでもよい。その他硬化剤の例としては、アミン系化合物(例えば、脂肪族アミン類、脂環式及び複素環式アミン類、芳香族アミン類及び変性アミン類)、イミダゾール系化合物、イミダゾリン系化合物、アミド系化合物、エステル系化合物、フェノール系化合物、アルコール系化合物、チオール系化合物、エーテル系化合物、チオエーテル系化合物、尿素系化合物、チオ尿素系化合物、ルイス酸系化合物、リン系化合物、酸無水物系化合物、オニウム塩系化合物(又はカチオン重合開始剤)及び活性珪素化合物−アルミニウム錯体が挙げられる。絶縁性の観点から、本開示の硬化性組成物は酸無水物型の硬化剤を用いなくてもよい。硬化性組成物は常温で液体の硬化剤を含まなくてもよい。
硬化性組成物は、
本開示における硬化性組成物は、無機充填材(C)を含有する。無機充填材(C)は、硬化性組成物に一般に使用される無機充填材であってよく、好ましくはシリカ粒子及びアルミナ粒子からなる群から選択される少なくとも一種である。
(球状無機粒子)
本開示における硬化性組成物は、充填材として球状無機粒子を含有することが好ましい。球状無機粒子はシリカ粒子及びアルミナ粒子からなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましい。球状無機粒子は各種表面処理剤(例えば、シランカップリング剤)で処理されていてもよい。本明細書において、球状とは真球状、楕円球状などに限られず、当業者が球状であると認識する程度に球状であれば足りる。例えば、表面に多少の凸凹が存在する粒子も球状粒子であってよい。
その他無機充填材の例は、上記球状無機粒子以外であって、ガラス、炭酸カルシウム、脂肪酸処理炭酸カルシウム、ヒュームドシリカ、沈降性シリカ、カーボンブラック、タルク、マイカ、クレー、ガラスビーズ、シラスバルーン、ガラスバルーン、シリカバルーン、プラスチックバルーン、ガラス繊維、金属繊維などの無機繊維、ホウ酸アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸カリウム、グラファイト、針状結晶性炭酸カルシウム、ホウ酸マグネシウム、二ホウ化チタン、クリソタイル、ワラストナイト等の針状結晶性フィラー等が挙げられる。
本開示の硬化性組成物は、その他添加剤を含んでいてよい。その他の添加剤の例として、カーボンブラック、有機染料及び有機顔料等の着色剤;有機粒子及び有機繊維等の有機充填材;ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、アミノシラン、メルカプトシラン、エポキシシラン及びシリコーンオイル(例えばアミノ変性シリコーンオイル及びエポキシ変性シリコーンオイル)等のシリコン系添加剤;ポリオキシアルキレン骨格を有するグリシジルエーテル等のエポキシ化合物;ヒンダードフェノール類、メルカプタン類、スルフィド類、ジチオカルボン酸塩類、チオウレア類、チオホスフェイト類及びチオアルデヒド類等の老化防止剤/酸化防止剤;ベンゾトリアゾール類及びヒンダードアミン類等の紫外線吸収剤・光安定剤;コロイダルシリカ、有機ベントナイト、脂肪酸アマイド及び水添ひまし油等の揺変剤;熱可塑性エラストマー、NR(天然ゴム)、NBR(アクリロニトリル−ブタジエンゴム)、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム等の変性剤等が挙げられる。例えば、エポキシシラン等のシランカップリング剤と、シリコーンオイルとを組み合わせて添加してもよい。
(エポキシ樹脂の総量)
エポキシ樹脂の総量は組成物に対して、10重量%以上、15重量%以上、20重量%以上、25重量%以上、30重量%以上又は35重量%以上であってよく、好ましくは18重量%以上、より好ましくは28重量%以上である。また、エポキシ樹脂の総量は組成物に対して、60重量%以下、55重量%以下、50重量%以下、45重量%以下、40重量%以下又は35重量%以下であってよく、好ましくは58重量%以下、より好ましくは48重量%以下である。
エポキシ樹脂(A1)の量は、組成物中の有機物量に対して、10重量%以上、15重量%以上、20重量%以上、25重量%以上、30重量%以上又は35重量%以上であってよく、好ましくは17重量%以上、より好ましくは28重量%以上、さらに好ましくは33重量%以上である。また、エポキシ樹脂(A1)の量は、組成物中の有機物量に対して、75重量%以下、65重量%以下、55重量%以下、45重量%以下又は40重量%以下であってよく、好ましくは60重量%以下、より好ましくは50重量%以下である、さらに好ましくは39重量%以下である。なお、本明細書において「組成物中の有機物量」とは、組成物中の無機粒子以外の量であってよく、組成物中のエポキシ樹脂の総量と読み替えてもよい。
エポキシ樹脂(A1)の有するナフタレン骨格が占める重量は組成物に対して、1重量%以上、2.5重量%以上、4.5重量%以上、6重量%以上又は7.5重量%以上であってよく、好ましくは3重量%以上、より好ましくは5.5重量%以上、さらに好ましくは6.5重量%以上である。また、エポキシ樹脂(A1)の有するナフタレン骨格が占める重量は組成物に対して、30重量%以下、25重量%以下、20重量%以下、15重量%以下又は10重量%以下であってよく、好ましくは26重量%以下、より好ましくは16重量%以下である、さらに好ましくは11重量%以下である。
エポキシ樹脂(A2)の量は、組成物中の有機物量に対して、10重量%以上、15重量%以上、20重量%以上、25重量%以上、30重量%以上又は35重量%以上であってよく、好ましくは21重量%以上、より好ましくは28重量%以上、さらに好ましくは35重量%以上である。また、エポキシ樹脂(A2)の量は、組成物中の有機物量に対して、75重量%以下、65重量%以下、55重量%以下、45重量%以下又は40重量%以下であってよく、好ましくは65重量%以下、より好ましくは45重量%以下である、さらに好ましくは39重量%以下である。
その他エポキシ樹脂の量は、組成物中の有機物量に対して、10重量%以上、15重量%以上、20重量%以上、25重量%以上又は35重量%以上であってよく、好ましくは21重量%以上、より好ましくは28重量%以上、さらに好ましくは35重量%以上である。また、その他エポキシ樹脂の量は、組成物中の有機物量に対して、75重量%以下、65重量%以下、55重量%以下、45重量%以下、40重量%以下、30重量%以下、25重量%以下又は15重量%以下であってよく、好ましくは65重量%以下、より好ましくは45重量%以下である、さらに好ましくは39重量%以下である。
組成物における窒素原子が占める重量は、組成物に対して、0.5重量%以上、0.8重量%以上又は1.0重量%以上であってよい。また、組成物における窒素原子が占める重量は、組成物に対して、15重量%以下、12重量%以下、9重量%以下、6重量%以下、3重量%以下又は1.5重量%以下であってよく、好ましくは7.5重量%以下、より好ましくは2.5重量%以下である。
無機充填材(C)の総量は、組成物に対して、40重量%以上、45重量%以上、50重量%以上、55重量%以上、60重量%以上又は65重量%以上であってよく、好ましくは43重量%以上、より好ましくは53重量%以上である。また、無機充填材(C)の総量は、組成物に対して、80重量%以下、75重量%以下、70重量%以下、65重量%以下又は60重量%以下であってよく、好ましくは70重量%以上、好ましくは66重量%以下、さらに好ましくは63重量%以下である。無機充填材の量が上記範囲にあることで、硬化性組成物の浸透性及び/又は線膨張係数が向上し得る。
球状無機粒子の量は、無機充填材(C)の総量に対して、70重量%以上、75重量%以上、80重量%以上、90重量%以上又は95重量%以上であってよく、好ましくは85重量%以上、より好ましくは95重量%以上である。また、球状無機粒子の量は、充填材の総量に対して、100重量%以下、97重量%以下、93重量%以下、90重量%以下、85重量%以下又は80重量%以下であってよい。
球状無機粒子(Cl)の量は、組成物に対して、30重量%以上、30重量%以上、40重量%以上、50重量%以上であってよく、好ましくは42重量%以上、より好ましくは45重量%以上である。また、無機充填材(Cl)の総量は、組成物に対して、65重量%以下、60重量%以下、55重量%以下、50重量%以下、48重量%以下又は45重量%以下であってよく、好ましくは54重量%以下、より好ましくは50重量%以下である。無機充填材の量が上記範囲にあることで、硬化性組成物の浸透性及び/又は線膨張係数が向上し得る。
球状無機粒子(Cs)の量は、組成物に対して、3重量%以上、5重量%以上、7.5重量%以上、15重量%以上又は17.5重量%以上であってよく、好ましくは4.5重量%以上、より好ましくは8重量%以上である。また、無機充填材(C)の総量は、組成物に対して、40重量%以下、25重量%以下、又は15重量%以下であってよく、好ましくは18重量%以下、より好ましくは13重量%以下である。無機充填材の量が上記範囲にあることで、硬化性組成物の浸透性が向上し得る。
硬化剤の量は、組成物に対して、0.01重量%以上、0.2重量%以上、0.4重量%以上、0.6重量%以上、0.8重量%以上又は1.0重量%以上であってよく、好ましくは0.3重量%以上、より好ましくは0.7重量%以上である。また、硬化剤の総量は、組成物に対して、50重量%以下、35重量%以下、20重量%以下、15重量%以下、5重量%以下、4.5重量%以下、3.5重量%以下、3重量%以下、2.5重量%以下又は2重量%以下であってよく、好ましくは3.6重量%以下、より好ましくは2.2重量%以下である。
硬化剤(B)の量は、硬化剤の総量に対して、60重量%以上、65重量%以上、70重量%以上、75重量%以上又は80重量%以上であってよく、好ましくは77重量%以上、より好ましくは92重量%以上である。また、硬化剤の総量は、硬化剤の総量に対して、100重量%以下、95重量%以下、85重量%以下、75重量%以下、65重量%以下又は55重量%以下であってよい。
その他添加剤の総量は、各成分に応じて適宜選択されればよい。例えば、その他添加剤の量は、組成物に対して、0.01重量%以上、0.05重量%以上、0.1重量%以上、0.3重量%以上、0.5重量%以上又は0.8重量%以上であってよい。また、その他添加剤の総量は、組成物に対して、5重量%以下、4.5重量%以下、3.5重量%以下、3重量%以下、2.5重量%以下又は2重量%以下であってよい。
硬化性組成物の調製方法は、各種成分を均一に分散混合できるのであればよい。プラネタリーミキサー等のミキサーを用いて成分を混練することによって得ることができる。調製に際して必要に応じて脱泡してもよい。
<硬化物>
<硬化性組成物の用途>
本開示の硬化性組成物は、浸透性及び低い線膨張係数が要求される場面に有用である。本開示の硬化性組成物は、接着剤又は充填材等の各種用途に利用することが可能であり、好ましくはアンダーフィル材、特に電子部品装置用のアンダーフィル材として利用することができる。電子部品装置においては、本開示のアンダーフィル材又はその硬化物により電子部品と基板とが接続される。電子部品と基板との空隙に本開示の硬化性組成物からなるアンダーフィル材を充填後、所定の温度で所定時間加熱することで、アンダーフィル材の硬化物により、電子部品と基板とが接合された電子部品装置を得ることができる。
試験方法及び評価基準は以下のとおりである。
(粒度分布)
無機粒子(シリカ)の粒度分布はレーザー回折/散乱式粒子分布測定装置(堀場製作所社製 Partica LA−950V2)を用いて湿式法にて行った。分散媒としてメタノールを使用した。粒度分布が広く大粒径の粒子に隠れて小粒子が検出できない場合には、分級した粒子をそれぞれ測定し両社の結果を合成してもよい。
2枚のスライドガラスを、100μmのスペーサーを設けて、少しずらして貼り合わせた。所定量の硬化性組成物(アンダーフィル材)をギャップの縁に塗布して、25℃から140℃まで10分間、12.5℃/分で昇温させ、10分後の浸透距離を測定した。
硬化性組成物10ccを小瓶に採取し、40℃雰囲気下にて密閉静置し、96時間後の粘度を測定した。粘度測定はコーンプレート型粘度計(ブルックフィールド社製HBDV−II+Pro)を用い、測定温度25℃、せん断速度1秒−1の粘度を測定して、粘度が何倍なったかを求めた。
アンダーフィルの硬化性はDSC(示差走査熱量計、ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン社製 Q−2000)を用いて、硬化前の発熱量と硬化後の発熱量から算出した。アンダーフィルを25℃から200℃まで、10℃/分の速度で昇温させた際の発熱曲線とベースラインで囲まれた領域の面積を発熱量とした。硬化性(%)は以下の式により算出した。
硬化性(%)=((硬化前の発熱量)−(150℃3分加熱硬化後の発熱量))/(硬化前の発熱量)×100
アンダーフィルを150℃3分で加熱し、硬化物を得た。硬化物をTMA(熱機械分析装置、日立ハイテクサイエンス社製 TMA7100)を用い、−40℃から250℃まで、5℃/分の速度で昇温させ、30℃から80℃の直線の勾配から線膨張係数を求めた。得られたTMAカーブの2接線の交点からガラス転移温度(Tg)を算出した。
JIS2型くし型基板に、アンダーフィルを200μm厚で塗布した後、150℃3分で硬化させ試験片を得た。試験片を85℃90%RHの恒温槽に投入し、各電極に32Vの電圧を印加し、1000時間後の抵抗値を測定した。絶縁性の測定はデジタル超高抵抗計(アドバンテスト社製 R8340A)を用いて100V1分印加後の抵抗値から求めた。
SON(Small Outline No Lead)実装基板の半導体素子(サイズ:2×2mm)と基板の間にアンダーフィルを塗布、浸透させた後、150℃で3分、加熱硬化させ、試験片を得た。試験片を−30℃から105℃(各30分間)/3000サイクルの冷熱衝撃環境下に曝した後、はんだクラックの状態を電子顕微鏡を用いて観察した。はんだのクラック進展度は完全破断を100%とし、発生したクラックの長さの比率から下記式により算出した。
クラック進展度(%)=(クラックの長さ/完全破断時のクラック全長)×100
表1に示す組成(重量部)で原料プラネタリーミキサーにより混合し、硬化性組成物を得た。得られた硬化性組成物を用いて、上記試験を行った。結果を表2に示す。
Claims (13)
- ナフタレン型エポキシ樹脂(A1)、
グリシジルアミン型エポキシ樹脂(A2)、
融点100℃以上のアミン系硬化剤(B)及び
無機充填材(C)
を含み、
前記アミン系硬化剤(B)はイミダゾール系硬化剤及びイミダゾリン系硬化剤からなる群から選択される少なくとも一種である、硬化性組成物。 - 前記アミン系硬化剤(B)の分子内窒素原子の数が3個以上である、請求項1に記載の硬化性組成物。
- 前記アミン系硬化剤(B)の窒素含有率(14×アミン系硬化剤(B)分子内の窒素原子数/アミン系硬化剤(B)の分子量×100)は20重量%以上である、請求項1又は2に記載の硬化性組成物。
- 前記アミン系硬化剤(B)が、トリアジン骨格含有硬化剤である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の硬化性組成物。
- 前記ナフタレン型エポキシ樹脂(A1)の量が、組成物中の有機物量に対して、20重量%以上であり、
前記グリシジルアミン型エポキシ樹脂(A2)の量が、組成物中の有機物量に対して、20重量%以上である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の硬化性組成物。 - 前記グリシジルアミン型エポキシ樹脂(A2)は芳香族であり、そのモノマー構造が窒素原子を1個のみ有する構造である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の硬化性組成物。
- 前記無機充填材(C)が球状無機粒子を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の硬化性組成物。
- 前記球状無機粒子は、
中心粒径が0.5〜5μmの範囲にある球状無機粒子(Cs)及び、
中心粒径が5〜20μmの範囲にある球状無機粒子(Cl)
を含み、前記球状無機粒子(Cs)の中心粒径と前記球状無機粒子(Cl)の中心粒径との差は少なくとも1μmである、請求項7に記載の硬化性組成物。 - 前記球状無機粒子の体積基準粒度分布測定において、横軸を粒径、縦軸を粒子の存在比率としてプロットして得られる粒子の存在比率のチャートにおいて、粒径0.5〜20μmの範囲においてピーク又はショルダーピークを少なくとも2個有する、請求項7に記載の硬化性組成物。
- 線膨張係数が31ppm以下である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の硬化性組成物の硬化物。
- ナフタレン型エポキシ樹脂(A1)、
グリシジルアミン型エポキシ樹脂(A2)、
融点が100℃以上であるアミン系硬化剤(B)及び
無機充填材(C)
を含む、アンダーフィル材であって、
前記アミン系硬化剤(B)が、イミダゾール系硬化剤及びイミダゾリン系硬化剤からなる群から選択される少なくとも一種である、アンダーフィル材。 - 請求項11に記載のアンダーフィル材又はその硬化物により電子部品と基板とが接続されている、電子部品装置。
- 請求項11に記載のアンダーフィル材を、電子部品と基板との空隙に充填する工程を含む、電子部品装置の製造方法。
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