JP6742503B2 - エラストマー組成物及びその用途 - Google Patents

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Description

本開示は、一般的に、熱伝導性シリコーン組成物、並びに縮合硬化化学により硬化したエラストマー及びゲル、並びにその用途に関する。
オルガノシロキサンエラストマー及び樹脂は、その特性により、エレクトロニクス分野における多様な最終用途に望ましいものとなる。これらの材料を使用し、ソリッドステート電子デバイス、及びこれらの電子デバイスが多くの場合に実装された回路基板を、コーティングし、封入する。トランジスタ、集積回路、及び他の固体電子デバイスを、長期間にわたって確実に機能させるためには、これらのデバイスが動作する環境内に存在する水分、腐食性材料及び他の不純物との接触から保護する必要がある。オルガノシロキサン組成物により、固体デバイスが、それらの動作に悪影響を及ぼす恐れのある材料から効果的に保護されるが、オルガノシロキサン組成物は、典型的にはいくつかの固体デバイスの動作中に発生した大量の熱の放散に必要な熱伝導率を有していない。
近年のエレクトロニクス技術の急速な進展状況により、回路小型化の要望に応じて固体デバイスの大きさを小さくすることが可能となってきた。より多くのこれらのデバイスが所与の面積中で混み合い、これらのデバイスを内蔵する機器全体のサイズが小さくなるので、対流による通風では、固体デバイスの損傷を回避する速度にて、発生した量の熱を放散するには、もはや十分ではない。
放熱を増加させる1つの方法は、固体デバイスのコーティング又は封入に使用する材料の熱伝導率を高めることである。この熱伝導率の増大は、コーティング又は封入材料に熱伝導性充填剤を添加することによって達成することができる。
得られた熱伝導性エラストマーは、同一の材料において良好な熱伝導及び電気絶縁が必要とされる場合にエレクトロニクス用途において主に使用する、エラストマー材料である。例えば、熱伝導性エラストマーを、半導体電子要素と金属ヒートシンクとの間のインターフェースとして、使用することができる。
多くの電子設計と用途とは、エレクトロニクスの動作中に発生するオーム熱の放散能によって関連している。多くの電子要素、特に半導体要素は、高温で破壊されやすい。このことから、放熱能は、電子要素の性能の制約要因となる。
熱伝導率の高い金属ヒートシンクは、その導電性が高いことから、電子要素と直接接触させることができないので、熱伝導性エラストマー材料を、電子要素と金属ヒートシンクとの間の、熱伝導性の電気絶縁性インターフェースとして、使用する。熱伝導性エラストマーの熱伝導率は、一般的に金属ヒートシンクの熱伝導率よりもはるかに低い。これにより、熱伝導性エラストマーの熱伝導率により、全体的なオーム熱の放散能が制約される。
封入剤及び埋込剤など(例えばゲル)を形成するために現在使用されている市販のシリコーン材料は、付加硬化化学に基づき、すなわち、それらを、水素化ケイ素基と不飽和炭素基との、典型的には白金系化合物である触媒が寄与する反応により硬化させていて高価である。歴史的には、産業では、この種の付加硬化組成物は、化合物本体を介してすぐに硬化し、数分で硬化材料となることから、上記の用途に好ましいものであったが、縮合硬化系ははるかに遅いものであり、チタネート硬化縮合プロセスでは、例えば、未硬化材料本体6mmの深さ当たり最大7日かけて硬化する。スズ硬化縮合系では、より短い期間で硬化させるが、80℃より高い温度で逆反応(すなわち、解重合)するため、例えばエレクトロニクス用途には望まれない。
ヒドロシリル化硬化組成物から製造された材料は、硬化速度の観点から優れているが、その使用に伴ういくつかの潜在的な問題及び/又は不利益がある。例えば、それらは、一般的には高温(すなわち、100℃より高温)で硬化させるものであり、不純物が入る恐れがあり、また、高価な白金系硬化触媒は、アミン含有化合物、硫黄含有化合物、及びリン含有化合物の影響を受けやすく被毒の恐れがあり、触媒の失活により非硬化性になる恐れがある。
アルコキシチタン化合物(すなわちアルキルチタネート)が、1成分水分硬化性シリコーンの調合に好適な触媒であることは、当業者に公知である(参考文献:Noll,W.;Chemistry and Technology of Silicones,Academic Press Inc.,New York,1968,p.399,Michael A.Brook,silicon in organic,organometallic and polymer chemistry,John Wiley & sons,Inc.(2000),p.285)。チタネート触媒を使用して、表面又は拡散硬化させた1部型縮合硬化性シリコーンエラストマーを調合することが、広く記載されている。これらの調合物は、1部型パッケージに典型的に利用可能なものであり、典型的には15mmよりも薄い層内で適用する。15mmよりも薄い層によれば、水分の非常に深い部分までの拡散が非常に遅くなることから、材料の深部が未硬化の材料をもたらすことは公知である。表面又は拡散硬化(例えば水分硬化/縮合硬化)が行われるのは、封止剤/封入剤が基材表面上に適用された後、組成物/空気の界面での硬化皮膜の形成によって、初期の硬化プロセスが行われる場合である。表面皮膜の発生後、硬化速度は、封止剤/封入剤の界面からの、内部(又は核)への空気による水分の拡散速度、及び、内部(又は核)からの、材料の外部(又は表面)への縮合反応副生成物/流出物の拡散速度、並びに、外部/表面から内部/核までの、硬化皮膜の経時的なゆっくりした増粘、に応じたものとなる。
生成物の大部分において縮合硬化を活性化するよう設計した多成分組成物には、チタン系触媒を使用しない。これらには一般的に、スズ触媒又は亜鉛触媒など、例えばジブチルスズジラウレート、スズオクトエート、及び/若しくは亜鉛オクトエートといった他の金属触媒を使用する(Noll,W.;Chemistry and Technology of Silicones,Academic Press Inc.,New York,1968,p.397)。2つ以上の部で使用する前に貯蔵したシリコーン組成物では、一つの部は、典型的には生成物の大部分において縮合硬化を活性化するのに必要な水分を含有している、充填剤を含有する。前述の拡散硬化1部型系とは異なり、2部型縮合硬化系では、共にして混合すると、15mmより深い部分においてであってもバルク硬化が可能になる。この場合、組成物は、材料の大部分にわたって硬化する(混合後)。皮膜を形成する場合、それは適用後の最初の数分のみのこととある。その直後、生成物は塊全体で固形になる。大量の水分の存在下で、アルキルチタネート触媒は完全に加水分解し、シリコーンに不溶性のテトラヒドロキシチタネートを形成することが公知であるため、チタネート触媒は、これらの種類の2部型組成物を硬化させるためには使用されない。このチタンの形態では、触媒効率が低下し、未硬化の系をもたらす。
逆反応しない2部型縮合硬化熱伝導性シリコーンが必要とされている。
本発明は、逆反応しない多部型縮合硬化性熱伝導性シリコーン接着剤組成物であって、
(i)1分子当たり少なくとも1個、典型的には少なくとも2個のヒドロキシル官能基を有する、少なくとも1種の縮合硬化性シリル末端ポリマーと、
(ii)
1分子当たり少なくとも2個の加水分解性基、あるいは少なくとも3個の加水分解性基を有するシラン、及び/又は
少なくとも2個のシリル基を有するシリル官能性分子であって、各シリル基が少なくとも1個の加水分解性基を含有するシリル官能性分子、又はこれらの混合物
の群から選択される架橋剤と、
(iii)チタネート及び/又はジルコネートの群から選択される少なくとも1種の縮合触媒と、
(iv)1種以上の熱伝導性充填剤と、
を含み、
成分(i)、(ii)及び(iii)が、同じ部には含有されず、
全加水分解性基に対する全ケイ素結合ヒドロキシル基のモル比が、シラン架橋剤を使用し、0.2:1〜2:1であるか、又はシリル官能性分子の架橋剤を使用して、0.2:1〜10:1であり、並びにポリマー(i)中の全ケイ素結合ヒドロキシル基に対する触媒M−OR官能基[式中、Mはチタン若しくはジルコニウムである。]のモル比が、0.01:1〜0.5:1に含まれる、
縮合硬化性熱伝導性シリコーン接着剤組成物を提供する。
また、組成物から硬化した、逆反応しない熱伝導性シリコーン接着剤であって、
(i)1分子当たり少なくとも1個、典型的には少なくとも2個のヒドロキシル官能基を有する、少なくとも1種の縮合硬化性シリル末端ポリマーと、
(ii)
1分子当たり少なくとも2個の加水分解性基、あるいは少なくとも3個の加水分解性基を有するシラン、及び/又は
少なくとも2個のシリル基を有するシリル官能性分子であって、各シリル基が少なくとも1個の加水分解性基を含有するシリル官能性分子、又はこれらの混合物
の群から選択される架橋剤と、
(iii)チタネート及び/又はジルコネートの群から選択される少なくとも1種の縮合触媒と、
(iv)1種以上の熱伝導性充填剤と、
を含む、組成物であって、
成分(i)、(ii)及び(iii)が、同じ部には含有されず、
全加水分解性基に対する全ケイ素結合ヒドロキシル基のモル比が、シラン架橋剤を使用し、0.2:1〜2:1であるか、又はシリル官能性分子の架橋剤を使用して、0.2:1〜10:1であり、並びにポリマー(i)中の全ケイ素結合ヒドロキシル基に対する触媒M−OR官能基[式中、Mはチタン若しくはジルコニウムである。]のモル比が、0.01:1〜0.5:1に含まれる、
組成物である、熱伝導性シリコーン接着剤も提供される。
接着剤は、ゲル又はエラストマーの形態である。この出願の目的のために、「全加水分解性基」は、組成物中に存在する水分及びケイ素結合ヒドロキシル基の両方が除外されたものであることを理解されたい。
全ケイ素結合ヒドロキシル(Si−OH)のモル含有量は、100gの混合調合物について算出される。ポリマーに対する全ケイ素結合ヒドロキシルのモル含有量は、100gの混合生成物中のヒドロキシル含有ポリマーのg単位での量を、ポリマーの数平均分子量(Mn)で割り算し、ポリマー中に存在するヒドロキシル官能基の平均数(典型的には2)を掛け算したものに等しい。数種のヒドロキシル官能性ポリマーが調合物中に存在する場合は、各ポリマーのモル含有量の合計を足し合わせて、調合物中の全シラノールのモル含有量とする。
全加水分解性基のモル含有量は、100gの混合調合物について算出される。物質に対する加水分解性基のモル含有量は、100gの混合生成物中の加水分解性基含有分子のg単位での量、又はポリマー分子の場合には数平均分子量(Mn)で割り算し、分子中に存在する加水分解性官能基の平均数を掛け算したものに等しい。各分子又はポリマーのモル含有量の合計を足し合わせて、調合物中の加水分解性基のモル含有量とする。
次に、全加水分解性基に対する全ケイ素結合ヒドロキシル基のモル比は、ケイ素結合ヒドロキシル(Si−OH)基のモル含有量を、加水分解性基の全モル含有量で割り算することによって算出される。触媒のM−OR値は、[(チタネート触媒のg)(化合物中のORの数)]を、(チタネート触媒の分子量)で割り算したものである。
また、シリコーンの数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)によって決定することもできる。この技術は、標準的な技術であり、Mw(重量平均)、Mw(数平均)、及び多分散指数(PI)(ここで、PI=Mw/Mn)の値が得られる。
この出願において示すMn値は、GPCによって決定されたものであり、使用するポリマーの典型的な値を表す。GPCによって得られない場合、Mnはまた、当該ポリマーの絶対粘度に基づいた計算からも得られる。
これらの組成物及び得られたゲル又はエラストマーの主要な利点は、それらが室温で硬化して基材に接着すること、白金硬化シリコーンよりも不純物に対して耐性があること、及び80℃より高い温度で逆反応を起こさないことであり、実際に、それらは室温で硬化するのみならず、室温で基材に対する接着性を生じるものであり、他方、付加硬化系は、80℃より高く加熱した際、接着性のみを生じ、いくつかの用途において、いくつかのデバイスが高温の影響を受けやすい可能性があることから、又は大型デバイスの加熱がエネルギー面及びコスト面から禁物であり得るという理由から、問題となる恐れがある。
チタネート/ジルコネート触媒は、高温及び/又は高湿度にさらした場合に逆反応しない系を得るのに有用である。
高い熱伝導率を得ることができ、それは例えば、比較的低粘度、すなわち、150,000m〜400,000mPa.sを示すシリコーン組成物を使用し、充填剤を多く配合すること、すなわち、全組成物の少なくとも50重量%、あるいは70〜95重量%、70〜93重量%、あるいは80〜90重量%であることを考慮すると、2つの部を共に混合した後、2W/mK前後以上である。
本発明による反応器で使用するための熱伝導性シリコーン接着剤組成物は、熱伝導性充填剤を多く配合することにより組成物の熱伝導性が高くなり得る場合であっても、流動が良好に維持され、傷みやすい基材の周囲に埋込むことができ、硬化後の物理的特性が良好であり、加熱又は湿熱による経時劣化での物理的特性の変化がわずかなものであり、並びに金属及び有機樹脂に対する接着性が良好である。また、組成物に埋込んだ反応器が、提供される。これにより、昇圧後、モータ両端間に電池電圧を印加するための、反応器の信頼性のある性能が確保される。
ポリマー(i)は、少なくとも1種の、又はあるいは水分硬化性/縮合硬化性のシリル末端ポリマーである。ポリジアルキルシロキサン、アルキルフェニルシロキサン、又はシリル末端基を有する有機系ポリマー、例えばシリルポリエーテル、シリルアクリレート及びシリル末端ポリイソブチレン又は上記のいずれかのコポリマーを含む、任意の好適な水分/縮合硬化性シリル末端ポリマーを用いることができる。ポリマー(i)は、少なくとも1個のヒドロキシル基を含有する、特に好ましくは、ポリマーは、2個の末端ヒドロキシル基を含むポリシロキサン系ポリマーから選択することができる。
好適なヒドロキシル基の例としては、−Si(OH)、−(R)Si(OH)、−(RSi(OH)、又は−(RSi−R−SiR (OH)3−p[式中、Rは、各々独立して、一価ヒドロカルビル基、例えばアルキル基、特に炭素原子が1〜8個のアルキル基(好ましくはメチル基である。)を表し、R基は、各々独立して、アルキル基、好適には炭素原子が6個以下のアルキル基であり、Rは、炭素原子が12個以下の二価炭化水素基であり、ケイ素原子が6個以下のシロキサンスペーサーが1個以上介在していてもよく、pの値は、0、1、又は2である。]が挙げられる。
好ましくは、ポリマー(i)は、一般式
−A−X (1)
[式中、X及びXは、ヒドロキシル基末端のシロキサン基から独立して選択され、Aは、シロキサンポリマー鎖及び/又は有機含有ポリマー鎖、あるいはシロキサンポリマー鎖である。]を有する。
ヒドロキシル末端基又は加水分解性基、X又はXの例としては、上記定義の、−Si(OH)、−(R)Si(OH)、−(RSi(OH)、又は−(RSi−R−SiR (OH)3−pが挙げられる。好ましくは、X及び/又はX末端基は、ヒドロキシジアルキルシリル基、例えばヒドロキシジメチルシリル基である。
式(1)のポリマー鎖A中の好適なシロキサン基の例は、ポリジオルガノシロキサン鎖を含むものである。したがって、ポリマー鎖Aは、好ましくは、式(2)
−(R SiO(4−s)/2)− (2)
[式中、Rは、各々独立して、有機基、例えば炭素原子が1〜10個のヒドロカルビル基であり、任意選択で、1個以上のハロゲン基、例えば塩素又はフッ素で置換されており、sは、0、1、又は2であり、典型的には約2である。]のシロキサン単位を含む。基Rの具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ビニル基、シクロヘキシル基、フェニル基、トリル基、塩素若しくはフッ素で置換されたプロピル基、例えば3,3,3−トリフルオロプロピル基、クロロフェニル基、β−(パーフルオロブチル)エチル基、又はクロロシクロヘキシル基が挙げられる。好適には、基Rのうちの少なくともいくつか、好ましくは実質的に全てが、メチルである。
典型的には、上記の種類のポリマーの粘度は、コーンプレートを使用するBrookfieldコーンプレート粘度計(RV DIII)の使用によって測定して、23℃で、1,000〜300,000mPa.s、あるいは1,000〜100,000mPa.sのオーダーである。
したがって、式(2)の単位を含有する典型的なポリマー(i)は、上記定義の、水分を使用して加水分解することができる、末端ケイ素結合ヒドロキシル基を有するポリジオルガノシロキサン、又は末端ケイ素結合有機基を有するポリジオルガノシロキサンである。ポリジオルガノシロキサンはホモポリマーであってもコポリマーであってもよい。また、末端縮合性基を有する異なるポリジオルガノシロキサンの混合物も好適である。
あるいは、ポリマー(i)は、各々に少なくとも1つの加水分解性基があるシリル末端基を有する、有機系ポリマーであってもよい。典型的なシリル末端ポリマー基としては、シリル末端ポリエーテル、シリル末端アクリレート、及びシリル末端ポリイソブチレンが挙げられる。用いるシリル基は、上述のX及びXとして上記の1つ以上の選択肢となる。
シリルポリエーテルの場合では、ポリマー鎖はポリオキシアルキレン系単位(有機)に基づく。このようなポリオキシアルキレン単位は、好ましくは、繰り返しオキシアルキレン単位(−C2n−O−)から構成される、平均式(−C2n−O−)[式中、nは2〜4の整数であり、mは少なくとも4の整数である。]により表される、主として直鎖状のオキシアルキレンポリマーを含む。各ポリオキシアルキレンポリマーブロックの数平均分子量は、約300g/モル〜約10,000g/モルの範囲であってもよいが、より高分子量であってもよい。更に、オキシアルキレン単位は、ポリオキシアルキレンモノマー全体にわたって必ずしも同一でなく、単位ごとに異なっていてもよい。ポリオキシアルキレンブロック又はポリオキシアルキレンポリマーは、例えば、オキシエチレン単位(−C−O−)、オキシプロピレン単位(CO)、若しくはオキシブチレン単位(−C−O−)、又はこれらの混合から構成されていてもよい。
他のポリオキシアルキレン単位としては、例えば、構造、−[−R−O−(−R−O−)−Pn−CR −Pn−O−(−R−O−)−R]−
[式中、Pnは、1,4−フェニレン基であり、Rは、それぞれ同一であるか又は異なり、炭素原子が2〜8個の二価炭化水素基であり、Rは、それぞれ同一であるか又は異なり、エチレン基又はプロピレン基であり、Rは、それぞれ同一であるか又は異なり、水素原子又はメチル基であり、下付文字w及びqの各々は、3〜30の範囲の正の整数である。]の単位を挙げることができる。
この出願の目的のために、「置換」とは、炭化水素基中の1つ以上の水素原子が別の置換基で置き換えられていることを意味する。このような置換基の例としては、塩素原子、フッ素原子、臭素原子及びヨウ素原子などのハロゲン原子;クロロメチル基、パーフルオロブチル基、トリフルオロエチル基、及びノナフルオロヘキシル基などのハロゲン原子含有基;酸素原子;(メタ)アクリル及びカルボキシル基などの酸素原子含有基;窒素原子;アミノ官能基、アミド官能基、及びシアノ官能基などの窒素原子含有基;硫黄原子;並びにメルカプト基などの硫黄原子含有基が挙げられるが、これらに限定されない。
使用することができる架橋剤(ii)は、一般に水分硬化性の、
1分子当たり少なくとも2個の加水分解性基、あるいは少なくとも3個の加水分解性基を有するシラン、及び/又は
少なくとも2個のシリル基を有するシリル官能性分子であって、各シリル基が少なくとも1個の加水分解性基を含有する、シリル官能性分子である。
いくつかの例では、加水分解性基が2個の架橋剤(ii)は、鎖延長剤、すなわちポリマー(i)のみが1個又は2個の反応性基を有する場合と考えてもよいが、ポリマー(i)が1分子当たり3個以上の反応性基を有する場合、架橋に使用することができる。したがって、架橋剤(ii)では、ポリマー(i)中の縮合性基に対して反応性であるケイ素結合縮合性基(好ましくはヒドロキシル基及び/又は加水分解性基)は、1分子当たり2個であってもよいが、あるいは3個又は4個である。
本明細書の開示の目的のために、シリル官能性分子は、2個以上のシリル基を含有するシリル官能性分子であり、各シリル基は、少なくとも1個の加水分解性基を含有する。したがって、ジシリル官能性分子は、各々少なくとも1個の加水分解性基を有する2個のケイ素原子を含み、ケイ素原子は有機又はシロキサンスペーサーによって分離されている。典型的に、ジシリル官能性分子上のシリル基は、末端基であってもよい。スペーサーは、ポリマー鎖であってもよい。
シリル基上の加水分解性基としては、アシルオキシ基(例えばアセトキシ基、オクタノイルオキシ基、及びベンゾイルオキシ基);ケトキシミノ基(例えば、ジメチルケトキシモ(ketoximo)基及びイソブチルケトキシミノ(isobutylketoximino)基);アルコキシ基(例えばメトキシ基、エトキシ基、及びプロポキシ基);並びにアルケニルオキシ基(例えば、イソプロペニルオキシ基及び1−エチル−2−メチルビニルオキシ基)が挙げられる。いくつかの例では、加水分解性基は、ヒドロキシル基を含んでもよい。
シラン架橋剤(ii)としては、アルコキシ官能性シラン、オキシモシラン、アセトキシシラン、アセトノキシム、及び/又はエノキシシランを挙げることができる。
架橋剤がシランであり、かつ、そのシランが1分子当たり3個のみのケイ素結合加水分解性基を有する場合、第4の基は、好適には非加水分解性ケイ素結合有機基である。これらのケイ素結合有機基は、好適には、任意選択でフッ素及び塩素などのハロゲンによって置換されたヒドロカルビル基である。このような第4の基の例としては、アルキル基(例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、及びブチル基);シクロアルキル基(例えば、シクロペンチル基及びシクロヘキシル基);アルケニル基(例えば、ビニル基及びアリル基);アリール基(例えば、フェニル基、及びトリル基);アラルキル基(例えば、2−フェニルエチル基)、並びに前述の有機基中の水素の全部又は一部をハロゲンで置き換えることにより得られた基が挙げられる。第4のケイ素結合有機基は、メチルであってもよい。
典型的なシランは、式(3)
R”4−r i(OR (3)
[式中、Rは、上記で記載されており、rの値は、2、3、又は4である。]によって記載することができる。典型的なシランは、R”がメチル、エチル、又はビニル又はイソブチルを表すものである。R”は、直鎖状及び分枝状のアルキル、アリル、フェニル、及び置換フェニル、アセトキシ、オキシムから選択される、有機基である。いくつかの例では、Rは、メチル又はエチルを表し、rは3である。
別の種類の好適な架橋剤(ii)は、分子の種類がSi(OR[式中、Rは、上記記載のとおり、あるいはプロピル、エチル、又はメチルである。]のものである。また、Si(ORの部分縮合物も考えることができる。
一実施形態では、架橋剤(ii)は、各々少なくとも1個〜最大3個の加水分解性基を有するシリル基が少なくとも2個の、あるいは各シリル基は、少なくとも2個の加水分解性基を有するシリル官能性分子である。
架橋剤(ii)は、ジシリル官能性ポリマー、すなわち、各々が少なくとも1個の加水分解性基を含有する2個のシリル基を含有するポリマーであってもよく、式(4)
(RO)(Y3−m−Si(CH−((NHCHCH−Q(CH−Si(OR(Y3−m (4)
[式中、Rは、C1−10のアルキル基であり、Yは、1〜8個の炭素原子を含有するアルキル基であり、
Qは、孤立電子対があるヘテロ原子を含有する化学基、例えばアミン、N−アルキルアミン、又は尿素であり、xは、各々1〜6の整数であり、tは、0又は1であり、mは、各々独立して1、2又は3であり、nは、0又は1である。]によって表されるものなどであってもよい。
シリル(例えばジシリル)官能性架橋剤(ii)は、シロキサン又は有機ポリマーの主鎖を有していてもよい。好適なポリマー架橋剤(ii)は、上記式(1)で示したポリマー鎖Aと同様のポリマー主鎖の化学構造を有していてもよい。このようなシロキサン系又は有機系架橋剤の場合、分子構造は、直鎖状、分枝状、環状、又は巨大分子状であってもよく、すなわちアルコキシ官能性末端基を有するシリコーン又は有機ポリマー鎖としては、そのアルコキシ基がメトキシ基であってもエトキシ基であってもよい、少なくとも1個のトリアルコキシ末端を有する、ポリジメチルシロキサンが挙げられる。
シロキサン系ポリマーの場合、架橋剤の粘度はコーンプレートを使用するBrookfieldコーンプレート粘度計(RV DIII)の使用によって(ポリマー(i)と同じ要領で測定して)、23℃で、0.5mPa.s〜80,000mPa.sの範囲となる。上述の加水分解性基のいずれも好適であるが、加水分解性基はアルコキシ基であることが好ましく、このようなものとして、末端シリル基は、−RSi(OR、−Si(OR、−R SiOR、又は−(RSi−R−SiR (OR3−p[式中、Rは、各々独立して、一価ヒドロカルビル基、例えばアルキル基、特に炭素原子が1〜8個のアルキル基(好ましくはメチル基である。)を表し、R基及びR基は、各々独立して、炭素原子が6個以下のアルキル基であり、Rは、二価炭化水素基であり、6個以下のケイ素原子を有するシロキサンスペーサーが1個以上介在していてもよく、pの値は、0、1又は2である。]などの式を有していてもよい。典型的には、末端シリル基のアルコキシ基は、各々2個又は3個となる。
このことから、架橋剤(ii)としては、メチルトリメトキシシラン(MTM)及びメチルトリエトキシシランなどのアルキルトリアルコキシシラン、テトラエトキシシラン、部分縮合したテトラエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン及びビニルトリエトキシシランなどのアルケニルトリアルコキシシラン、イソブチルトリメトキシシラン(iBTM)が挙げられる。他の好適なシランとしては、エチルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、アルコキシトリオキシモシラン(alkoxytrioximosilane)、アルケニルトリオキシモシラン(alkenyltrioximosilane)、3,3,3−トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、メチルトリアセトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、エチルトリアセトキシシラン、ジ−ブトキシジアセトキシシラン、フェニル−トリプロピオンオキシシラン(phenyl−tripropionoxysilane)、メチルトリス(メチルエチルケトキシモ(methylethylketoximo))シラン、ビニル−トリス−メチルエチルケトキシモ)シラン、メチルトリス(メチルエチルケトキシイミノ)シラン、メチルトリス(イソプロペンオキシ)シラン、ビニルトリス(イソプロペンオキシ)シラン、エチルポリシリケート、n−プロピルオルトシリケート、エチルオルトシリケート、ジメチルテトラアセトキシジシロキサン、オキシモシラン、アセトキシシラン、アセトノキシムシラン、エノキシシラン、及び他のこのような3官能性アルコキシシシラン、並びにこれらの部分加水分解縮合生成物;1,6−ビス(トリメトキシシリル)ヘキサン、ビス(トリアルコキシシリルアルキル)アミン、ビス(ジアルコキシアルキルシリルアルキル)アミン、ビス(トリアルコキシシリルアルキル)N−アルキルアミン、ビス(ジアルコキシアルキルシリルアルキル)N−アルキルアミン、ビス(トリアルコキシシリルアルキル)尿素、ビス(ジアルコキシアルキルシリルアルキル)尿素、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)アミン、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)アミン、ビス(4−トリメトキシシリルブチル)アミン、ビス(4−トリエトキシシリルブチル)アミン、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)N−メチルアミン、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)N−メチルアミン、ビス(4−トリメトキシシリルブチル)N−メチルアミン、ビス(4−トリエトキシシリルブチル)N−メチルアミン、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)尿素、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)尿素、ビス(4−トリメトキシシリルブチル)尿素、ビス(4−トリエトキシシリルブチル)尿素、ビス(3−ジメトキシメチルシリルプロピル)アミン、ビス(3−ジエトキシメチルシリルプロピル)アミン、ビス(4−ジメトキシメチルシリルブチル)アミン、ビス(4−ジエトキシメチルシリルブチル)アミン、ビス(3−ジメトキシメチルシリルプロピル)N−メチルアミン、ビス(3−ジエトキシメチルシリルプロピル)N−メチルアミン、ビス(4−ジメトキシメチルシリルブチル)N−メチルアミン、ビス(4−ジエトキシメチルシリルブチル)N−メチルアミン、ビス(3−ジメトキシメチルシリルプロピル)尿素、ビス(3−ジエトキシメチルシリルプロピル)尿素、ビス(4−ジメトキシメチルシリルブチル)尿素、ビス(4−ジエトキシメチルシリルブチル)尿素、ビス(3−ジメトキシエチルシリルプロピル)アミン、ビス(3−ジエトキシエチルシリルプロピル)アミン、ビス(4−ジメトキシエチルシリルブチル)アミン、ビス(4−ジエトキシエチルシリルブチル)アミン、ビス(3−ジメトキシエチルシリルプロピル)N−メチルアミン、ビス(3−ジエトキシエチルシリルプロピル)N−メチルアミン、ビス(4−ジメトキシエチルシリルブチル)N−メチルアミン、ビス(4−ジエトキシエチルシリルブチル)N−メチルアミン、ビス(3−ジメトキシエチルシリルプロピル)尿素、ビス(3−ジエトキシエチルシリルプロピル)尿素、ビス(4−ジメトキシエチルシリルブチル)尿素、及び/又はビス(4−ジエトキシエチルシリルブチル)尿素;ビス(トリエトキシシリルプロピル)アミン、ビス(トリメトキシシリルプロピル)アミン、ビス(トリメトキシシリルプロピル)尿素、ビス(トリエトキシシリルプロピル)尿素、ビス(ジエトキシメチルシリルプロピル)N−メチルアミン;ジ又はトリアルコキシシラン末端ポリジアルキルシロキサン、ジ又はトリアルコキシシリル末端ポリアリールアルキルシロキサン、ジ又はトリアルコキシシリル末端ポリプロピレンオキサイド、ポリウレタン、ポリアクリレート;ポリイソブチレン;ジ又はトリアセトキシ末端ポリジアルキル;ポリアリールアルキルシロキサン;ジ又はトリオキシイミノシリル末端ポリジアルキル;ポリアリールアルキルシロキサン;ジ又はトリアセトノキシ末端ポリジアルキル又はポリアリールアルキルが挙げられる。また、使用する架橋剤(ii)は、上記の2種以上の任意の組み合わせを含んでもよい。
全加水分解性基に対する全ケイ素結合ヒドロキシル基のモル比は、シラン架橋剤を使用して、0.5:1〜2:1、又はシリル官能性架橋剤を使用して、0.5:1〜10:1、あるいは0.5:1〜10:1、あるいは0.75:1〜3:1、あるいは0.75:1〜1.5:1である。
組成物は、縮合触媒を更に含む。これにより、組成物が硬化する速度は増加する。特定のシリコーン組成物に含めるために選択される触媒は、必要とされる硬化速度に応じて異なる。
チタネート系及び/又はジルコネート系触媒は、一般式Ti[OR22又はZr[OR22[式中、R22は、それぞれ同一であっても異なっていてもよく、一価の、1級、2級、又は3級の、直鎖状でも分枝状でもよい、炭素原子が1〜10個の脂肪族炭化水素基を表す。]による化合物を含んでもよい。任意選択で、チタネート及び/又はジルコネートは、部分不飽和基を含有してもよい。R22の例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、3級ブチル基、及び分枝状2級アルキル基、例えば2,4−ジメチル−3−ペンチル基が挙げられるが、これらに限定されない。あるいは、R22がそれぞれ同一である場合、R22は、イソプロピル基、分枝状2級アルキル基、又は3級アルキル基、特に3級ブチルである。好適なチタネートの例としては、テトラn−ブチルチタネート、テトラt−ブチルチタネート、チタンテトラブトキサイド、及びテトライソプロピルチタネートが挙げられる。好適なジルコネートの例としては、テトラn−プロピルジルコネート、テトラn−ブチルジルコネート、ジルコニウムジエチルシトレートが挙げられる。
あるいは、チタネート及び/又はジルコネートは、キレート化されていてもよい。キレート化は、アルキルアセチルアセトネート、例えばメチル又はエチルアセトネートなどの、任意の好適なキレート剤により行うことができる。あるいは、チタネートは、例えば2−プロパノラトチタネート、トリスイソオクタデカノアトチタネート、又はジイソプロピルジエチルアセトネートチタネートなどの、3種のキレート剤をもたらすモノアルコキシチタネートであってもよい。
ポリマー(i)中のヒドロキシル基及び/又は加水分解性基に対する、触媒M−OR[式中、Mは、チタン又はジルコニウムである。]官能基のモル比は、0.01:1〜0.5:1に含まれる。
熱伝導性充填剤(iv)は、単一の熱伝導性充填剤であっても、粒子形状、平均粒子径、粒子径分布、及び充填剤の種類などの少なくとも1つの特性が異なる2種以上の熱伝導性充填剤の組み合わせであってもよい。最終用途の性質により、本明細書に記載の熱伝導性組成物は、70%〜95%、例えば、70%〜93%もの熱伝導性充填剤(上記)を含むことができる。任意の好適な熱伝導性充填剤を用いてもよい。例としては、アルミニウム、酸化アルミニウム、亜鉛、及び酸化亜鉛の充填剤が挙げられる。
いくつかの実施形態において、アルミニウムと酸化アルミニウム酸化物充填剤との組み合わせ、アルミニウムと酸化亜鉛充填剤との組み合わせ、又はアルミニウムと酸化アルミニウムと酸化亜鉛充填剤との組み合わせなどの、金属充填剤と無機充填剤との組み合わせを使用してもよい。
あるいは、より大きい平均粒子径を有する第1のアルミニウムとより小さい平均粒子径を有する第2のアルミニウムとなどの、金属充填剤の組み合わせを使用することが望ましい場合がある。より大きい平均粒子径を有する第1の充填剤と、第1の充填剤よりも小さい平均粒子径を有する第2の充填剤との使用により、充填効率を向上することができ、粘度を低減させることができ、熱伝達を増強することができる。
熱伝導性充填剤粒子の形状は特に限定されないが、円形又は球形粒子では、組成物中の熱伝導性充填剤の配合を多くすると、望ましくないレベルまで粘度が増大するのを防止することができる。熱伝導性充填剤の平均粒子径は、選択される熱伝導性充填剤の種類、及び硬化性組成物に添加する正確な量、並びに組成物の硬化生成物が用いられるデバイスの結合部の厚さを含む、各種要因に依存するものとなる。
いくつかの特定の場合では、熱伝導性充填剤は、0.1〜80マイクロメートル、あるいは0.1〜50マイクロメートル、あるいは0.1〜10マイクロメートルの範囲の平均粒子径を有してもよい。
好ましい一実施形態では、熱伝導性充填剤の混合物が準備される。複数充填剤は、同じ化学的化合物であってもそうでなくてもよいが、例えば、
a)平均粒子径値が20〜80マイクロメートル、あるいは30〜50マイクロメートルの熱伝導性充填剤、及び/又は
b)平均粒子径値が2〜10マイクロメートル、あるいは2〜6マイクロメートルの熱伝導性充填剤、及び/又は
c)平均粒子径値が0.1〜1マイクロメートル、あるいは0.2〜0.8マイクロメートルの熱伝導性充填剤、
のうちの2種以上の混合物で、平均粒子径によって区別されたものである。
任意の好適な熱伝導性充填剤が、成分(iv)として使用可能である。例としては、金属、例えばビスマス、鉛、スズ、アンチモン、インジウム、カドミウム、亜鉛、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、鉄、及び金属ケイ素が挙げられる。ビスマス、鉛、スズ、アンチモン、インジウム、カドミウム、亜鉛、銀、アルミニウム、の合金としては、鉄及び金属ケイ素からなる群から選択される2種以上の金属からなる合金。金属酸化物としては、アルミナ、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、並びに酸化クロム及び酸化チタン。金属水酸化物としては、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化バリウム、及び水酸化カルシウム。金属窒化物としては、窒化ホウ素は、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素を含む。金属炭化物、炭化ケイ素は、炭化ホウ素及び炭化チタンを含む。金属シリサイドとしては、マグネシウムシリサイド、チタンシリサイド、シリサイド、ジルコニウム、タンタルシリサイド、ニオブシリサイド、クロムシリサイド、タングステンシリサイド、及びモリブデンシリサイド。炭素としては、ダイヤモンド、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェンには、活性炭及び非定形カーボンブラックが含まれる。軟磁性合金、Fe−Si合金、Fe−Al合金、Fe−Si−Al合金、Fe−Si−Cr合金、Fe−Ni合金、Fe−Ni−Co合金、Fe−Ni−Mo合金、Fe−Co合金、Fe−Si−Al−Cr合金、Fe−Si−B合金、及びFe−Si−Co−B合金。フェライトとしては、Mn−Znフェライト、Mn−Mg−Znフェライト、Mg−Cu−Znフェライト、Ni−Znフェライト、並びにNi−Cu−Znフェライト及びCu−Znフェライト。
好ましくは、熱伝導性充填剤(iv)は、銀粉末、アルミニウム粉末、酸化アルミニウム粉末、酸化亜鉛粉末、アルミニウム粉末又は黒鉛窒化物から選択される、少なくとも1種以上の粉末(粉体)及び/又は繊維である。更なる代替のものでは、更に、本発明の組成物において、電気絶縁が必要な場合、金属酸化物粉末、又は金属窒化物粉末が特に好ましい。一実施形態では、充填剤(iv)は、酸化アルミニウムの混合物であり、任意選択で前処理した、様々な径のものであり、最適の充填及び低粘度を可能にする。
熱伝導性充填剤は、溶融性充填剤であってもよく、Bi、Ga、In、Sn、又はこれらの合金を含んでもよい。溶融性充填剤は、任意選択で、Ag、Au、Cd、Cu、Pb、Sb、Zn又はこれらの組み合わせを更に含んでもよい。好適な溶融性充填剤の例としては、Ga、In−Bi−Sn合金、Sn−In−Zn合金、Sn−In−Ag合金、Sn−Ag−Bi合金、Sn−Bi−Cu−Ag合金、Sn−Ag−Cu−Sb合金、Sn−Ag−Cu合金、Sn−Ag合金、Sn−Ag−Cu−Zn合金、及びこれらの組み合せが挙げられる。溶融性充填剤は、50〜250℃、あるいは150〜225℃の範囲の融点を有し得る。溶融性充填剤は、共晶合金、非共晶合金、又は純金属であってもよい。溶融性充填剤は、市販されている。
熱伝導性充填剤、並びに/又は、存在する場合、無水補強充填剤及び/若しくは増量充填剤は、任意選択で、処理剤で表面処理されていてもよい。処理剤及び処理方法は、当該技術分野において公知であり、充填剤の表面処理は、典型的には、例えば脂肪酸若しくは脂肪酸エステル、例えばステアレートなどにより、又はオルガノシラン、オルガノシロキサン、若しくはオルガノシラザン、例えばヘキサアルキルジシラザン若しくは短鎖シロキサンジオールにより、行われる。一般に、表面処理は充填剤を疎水性にし、これにより組成物中の他の成分との均一混合物の取り扱い及び入手を容易にする。シラン、例えば、
Si(OR4−e
[式中、Rは、置換又は非置換の、炭素原子が6〜20個の一価炭化水素基、例えば、ヘキシル基、オクチル基、ドデシル基、テトラデシル基、及びオクタデシル基などのアルキル基、並びにベンジル基及びフェニルエチル基などのアラルキル基であり、炭素原子が6〜20個のアルキル基が好ましく、Rは、炭素原子が1〜6個のアルキル基であり、文字eは、1、2、又は3である。]もまた、充填剤の処理剤として用いてもよい。
本硬化ゲル又はエラストマーは、典型的には2部型で貯蔵されている縮合硬化性ゲル又はエラストマー組成物から作製される。2部型組成物は、動的又は静止型ミキサーによる任意の適切な標準的2部型混合装置を使用して混合してもよく、任意選択で、意図する用途での使用のために装置から分注される。
一実施形態では、縮合硬化性ゲル組成物は、2つの部で貯蔵され、当該部は以下の、
a)一方の部にポリマー(i)及び架橋剤(ii)、並びに他方の部にポリマー(i)及び触媒(iii)、
b)一方の部に架橋剤(ii)、並びに他方の部にポリマー(i)及び触媒(iii)、又は
c)2種以上のポリマー(i)を用いる場合、一方の部に第1のポリマー(i)及び架橋剤(ii)、並びに他方の部に第2のポリマー(i)及び触媒(iii)、
d)一方の部にポリマー(i)、並びに他方の部に架橋剤(ii)及び触媒(iii)、
として分割されたものでもよい。
各々の場合、任意選択での充填剤、特に水分含有充填剤が存在する場合、充填剤及び触媒は同じ部にはない。典型的には、充填剤は、存在する場合、他の添加剤も含んでいてもよいベース部中で、ポリマー(i)と混合されている。
熱伝導性充填剤は、2部型組成物のいずれか一方に存在していても両方に存在していてもよい。
上記成分以外に、本発明の目的が達成される範囲内で、任意選択での成分がシリコーンゲル組成物中にブレンドされていてもよい。任意選択での成分の例としては、無水補強充填剤及び/又は無水増量充填剤、耐熱性付与剤、耐寒性付与剤、難燃剤、チキソトロピー付与剤、顔料、接着促進剤、界面活性剤、融剤、酸受容体、耐食添加剤、染料、及びこれらの任意の好適な組み合わせが挙げられる。
必要に応じて、組成物には、無水であってなくてもよい他の種類の充填剤、例えば、導電性充填剤、例えば金属充填剤及び無機充填剤、又はこれらの組み合わせを組み込むことができる。金属充填剤としては、金属粒子及び粒子表面上に層を有する金属粒子が挙げられる。これらの粒子表面上の層は、例えば、金属窒化物層又は金属酸化物層であってもよい。好適な金属充填剤の例としては、アルミニウム、銅、金、ニッケル、スズ、銀、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される金属の粒子、あるいはアルミニウムの粒子が挙げられる。好適な金属充填剤の更なる例としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化銅、酸化ニッケル、酸化銀、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される層をその表面に有する、上記金属の粒子が挙げられる。例えば、金属充填剤は、その表面上に酸化アルミニウム層を有するアルミニウム粒子を含んでもよい。
無水の無機充填剤は、例として、オニックス;アルミニウム三水和物、カーボンブラック、中空ガラスビーズ、酸化アルミニウム、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、及び酸化亜鉛などの金属酸化物;窒化アルミニウム及び窒化ホウ素などの窒化物;炭化ケイ素及び炭化タングステンなどの炭化物、並びにこれらの組み合わせを挙げることができる。更なる充填剤としては、チタン酸バリウム、炭素繊維、ダイヤモンド、グラファイト、水酸化マグネシウム、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
無水補強充填剤及び/又は無水増量充填剤の例としては、沈降性シリカ及び摩砕シリカ、沈降性カルシウム及び摩砕炭酸カルシウム、処理シリカ、ガラスビーズ、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、石英、タルク、細断KEVLAR(登録商標)などの細断繊維、又はこれらの組み合わせが挙げられる。また、充填剤は、RSiO1/2単位及びSiO4/2単位[式中、Rは、ヒドロキシル基、又はケイ素原子に直接、若しくは酸素原子を介して結合した炭化水素基である。]を含むシロキサン樹脂であってもよい。また、これらの任意選択での充填剤は、前述のように充填剤処理剤によって処理されていてもよい。
好適な接着促進剤としては、式R14 Si(OR15(4−h)、[式中、下付き文字hは、1、2、又は3であり、あるいは、hは3である。]のアルコキシシランが挙げられる。R14は、各々独立して一価有機官能基である。R14は、グリシドキシプロピル若しくは(エポキシシクロヘキシル)エチルなどのエポキシ官能基、アミノエチルアミノプロピル若しくはアミノプロピルなどのアミノ官能基、メタクリルオキシプロピル、メルカプトプロピルなどのメルカプト官能基、又は不飽和有機基であってもよい。各R15は独立して、少なくとも1個の炭素原子を有する非置換飽和炭化水素基である。R15は、1〜4個の炭素原子、あるいは1〜2個の炭素原子を有してもよい。R15の例としては、メチル、エチル、n−プロピル、及びイソプロピルが挙げられる。
接着促進剤を使用する場合、組成物は、特に充填剤を前処理していた場合、様々な基材に対して良好な接着性を示す。非前処理充填剤を含有する組成物において、典型的には適用前のプライマーの使用により、良好な接着性が得られる。
好適な接着促進剤の更なる例としては、グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、及びグリシドキシプロピルトリメトキシシランとアルミニウムキレート又はジルコニウムキレートとの組み合わせが挙げられる。
硬化性組成物は、存在する場合、組成物の重量に基づいて、0.01〜2重量%、あるいは0.05〜2重量%、あるいは0.1〜1重量%の接着促進剤を含んでもよい。好ましくは、生成物ネットワーク中に組み込むよりも基材に向かっての分子の拡散に有利となるように、接着促進剤の加水分解速度は、架橋剤の加水分解速度よりも遅くなければならない。
好適な界面活性剤としては、シリコーンポリエーテル、エチレンオキサイドポリマー、プロピレンオキサイドポリマー、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとのコポリマー、他のノニオン性界面活性剤、並びにこれらの組み合わせが挙げられる。組成物は、組成物の重量に基づいて最大0.05%の界面活性剤を含んでもよい。
組成物は、組成物の重量に基づいて最大2%の融剤を含んでもよい。カルボン酸及びアミンなどの化学活性官能基を含有する分子を融剤として使用することができる。このような融剤としては、コハク酸、アビエチン酸、オレイン酸、及びアジピン酸などの脂肪族酸;安息香酸などの芳香族酸;脂肪族アミン及びそれらの誘導体、例えばトリエタノールアミン、アミンの塩酸塩、並びにアミンの臭化水素酸塩を挙げることができる。融剤は当該技術分野において公知であり、市販されている。
好適な酸受容体としては、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、及びこれらの組み合わせが挙げられる。組成物は、適切である場合、組成物の重量に基づいて最大2%の酸受容体を含んでもよい。
耐食添加剤の例としては、トリアゾール構造、チアジアゾール構造、ベンゾトリアゾール構造、メルカプトチアゾール構造、メルカプトベンゾチアゾール構造、又はベンゾイミタゾール構造を有する窒素/硫黄含有複素環化合物が挙げられる。
また、本明細書において前述のようなエラストマー又はゲルの製造方法も提供され、これにより、組成物の前述の2つの部を相互混合し、硬化させる。一実施形態における相互混合の後、縮合硬化性ゲル組成物を、例えば、例えば、カーテンコーター、スプレー装置、ダイコーター、ディップコーター、押出しコーター、ナイフコーター、及びスクリーンコーターなどの好適なディスペンサを使用して基材上に適用することができ、ゲル形成時にこの基材上にコーティングを提供する。
上記に従いゲル又はエラストマーを、例えば、電子物品における封入剤/埋込剤としてなど、広範な用途に用いることができる。
物品は、電力用電子物品、例えばゲルを上に設けた電子要素であってもよい。
物品は、電力用電子物品、例えば材料組成物を上に設けた電子要素であってもよく、これにより、硬化材料によって電子要素が部分的に又は完全にのいずれかで封入される。あるいは、電子物品は、集積回路(IC)若しくは発光ダイオード(LED)システムであってもよく、又はプリント回路基板(PCB)であってもよい。
前述のようなシリコーン材料は、マイクロエレクトロニクス用途及びマクロエレクトロニクス用途並びにオプトエレクトロニクス用途及び熱伝導性エレクトロニクス用途を含む、光学用途及びエレクトロニクス用途における使用、例えば熱伝導性接着剤の製造のため設計される。更に、本発明のシリコーン材料は透明にできるため、LEDなどの発光半導体素子における使用に好適になり得る。
このような硬化性シリコーン組成物から調製した硬化シリコーン接着剤は、電気要素若しくは電子要素、又は電気部品若しくは電子部品などの様々な基材、とりわけ、金、銀、アルミニウム、銅、及び無電解ニッケルなどの金属基材、並びに、FR4、ナイロン、ポリカーボネート、Lucite(これはポリメチルメタクリレート、PMMAである。)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、及び液晶ポリマー、例えばSolvay Chemicals(Houston,Tex.77098 USA.)から入手可能なXydar(登録商標)などのポリマー基材に対して接着することができる。
電気要素若しくは電子要素、及び/又は電気部品若しくは電子部品を、シリコーン材料で充填することができ、任意の適切な方法により、例えば、電気部品又は電子部品の保護すべき部分をシリコーン材料と接触させた後、この組成物を縮合硬化によって硬化させることにより、すなわち、これを室温で放置することにより充填することができる。
任意の好適な電気部品又は電子部品を、上記のようなシリコーン材料で封止することができるが、本発明のシリコーン材料により気泡及び亀裂の発生を抑制することができ、高温条件下であっても電気部品又は電子部品に対する接合が良好に示されることから、これを、高温条件下で使用する電力デバイス、特にモータ制御、輸送用モータ制御、発電システム、又は宇宙輸送システムになどの電力デバイス、有利に使用することができる。
更に、理由として、本発明のシリコーン材料には、Si−C半導体チップに要求される耐熱性(例えば、180℃以上の耐熱性)に加え、ある程度の耐寒性がある。電子物品は、電力モジュールであってもよく、例えば、前述の電力変換器、インバータ、ブースター、トラクション制御、産業用モータ制御、配電及び電力輸送システムのための、前述のデバイスの1種以上、特に著しい温度差に耐える能力が要求される電力デバイスにおけるものであってもよく、このような電力デバイスの耐久性及び信頼性を向上させることができる。
耐熱性及び耐寒性寒冷地が要求されるこのような電力デバイスの例としては、寒冷地で使用するモータ制御、例えば汎用インバータ制御、サーボモータ制御、工作機械、又はエレベータ、電気自動車、ハイブリッド車、又は寒冷地で使用する鉄道輸送用モータ制御、寒冷地で使用する発電システム、例えば太陽光発電機、風力発電機、燃料電池の発電機、宇宙で使用する宇宙輸送システムなどが挙げられる。なお、「寒冷地」は、温度が0℃より低くなる地域を指す。
更に、シリコーン材料はまた、電気部品又は電子部品内の電極間の空間、電気素子間の空間、若しくは電気素子とパッケージとの間の空間が狭い構造の電気部品又は電子部品の封止にも、又はシリコーン材料の膨張及び収縮に追従できない構造の電気部品又は電子部品の封止にも効果的である。例えば、これを、半導体素子、コンデンサ、抵抗器などの電気素子が実装された電気回路又はモジュール、すなわち、様々なセンサ、例えばシリコーン材料で全般的に封止又は充填した圧力センサ、及び自動車用点火器、レギュレータなどに使用することができる。
電子要素は、シリコンチップ又は炭化珪素チップなどのチップ、1つ以上の配線、1つ以上のセンサ、1つ以上の電極、集積回路(IC)、例えばハイブリッドIC、電力デバイス、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、整流器、例えばショットキーダイオード、PINダイオード、PIN/ショットキー組み合わせ(MPS)整流器、及びジャンクションバリアダイオード、バイポーラジャンクショントランジスタ(BJT)、サイリスタ、金属酸化物電界効果トランジスタ(MOSFET)、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、静電誘導トランジスタ(SIT)、電力トランジスタなどとして定義することができる。
電子物品は、電子要素及び第1の層を含んでもよい。第1の層は特に限定されず、半導体、誘電体、金属、プラスチック、炭素繊維メッシュ、金属箔、有孔金属箔(メッシュ)、充填又は無充填プラスチックフィルム(ポリアミドシート、ポリイミドシート、ポリエチレンナフタレートシート、ポリエチレンテレフタレートポリエステルシート、ポリスルホンシート、ポリエーテルイミドシート、又はポリフェニレンサルファイドシートなど)、又は織布若しくは不織布基材(ガラス繊維布、ガラス繊維メッシュ、又はアラミド紙など)であってもよい。あるいは、第1の層は、半導体及び/又は誘電体フィルムとして更に特定されるものであってもよい。
シリコーン材料は、電子要素と第1の層との間に挟まれていてもよく、並びに/又は第1の層上にそれと直接接触して、及び/又は電子要素上にそれと直接接触して設けられていてもよい。シリコーン材料が第1の層上にそれと直接接触して設けられている場合、シリコーン材料は、電子要素上に更に設けられていてもよいが、シリコーン材料と電子要素との間に1つ以上の層又は構造を含んでもよい。
本開示はまた、前述の電子物品の形成方法も提供する。方法は、ゲルを形成する前述の工程、ゲルを提供する工程、及び/又は電子要素を提供する工程のうちの1つ以上を含んでもよい。
典型的には、方法は、前述の硬化性組成物を電子要素上に適用すること、及び組成物を硬化させることで、要素に損傷を与えることなくゲルを形成するのに十分な条件で電子要素上にゲルを形成すること、を含む。ゲルを、電子要素上に形成してもよい。あるいは、ゲルを、電子要素から離して形成し、次に電子要素上に設けてもよい。
また、本明細書において前述のようなゲルの製造方法も提供され、これにより、前述の2つの部の組成物を相互混合し、硬化させる。
一実施形態における相互混合の後、縮合硬化性ゲル組成物を、例えば、例えば、カーテンコーター、スプレー装置、ダイコーター、ビーズ適用、ディップコーター、押出しコーター、ナイフコーター、及びスクリーンコーターなどの好適なディスペンサを使用して基材上に適用することができ、ゲル形成時にこの基材上にコーティングを得る。
上記のシリコーンゲルは、180℃以上の高温での耐熱性に優れており、この高温で長期間にわたって使用する場合に、ゲルは劣化しにくい。
更に、ゲルはまた、電気部品又は電子部品内の電極間の空間、電気素子間の空間、若しくは電気素子とパッケージとの間の空間が狭い構造の電気部品又は電子部品の封止にも、又はシリコーンゲルの膨張及び収縮に追従できない構造の電気部品又は電子部品の封止にも効果的である。例えば、これを、半導体素子、コンデンサ、抵抗器などの電気素子が実装された電気回路又はモジュール、すなわち、様々なセンサ、例えばシリコーンゲルで全般的に封止又は充填した圧力センサ、自動車用点火器、レギュレータなどに使用することができる。
本開示はまた、前述の電子物品の形成方法も提供する。方法は、ゲルを形成する前述の工程、ゲルを提供する工程、及び/又は電子要素を提供する工程のうちの1つ以上を含んでもよい。典型的には、方法は、前述の硬化性組成物を電子要素上に含むものであり、及び組成物を硬化させて、要素に損傷を与えることなくゲルを形成するのに十分な条件で電子要素上にゲルを形成すること、を含む。ゲルを、電子要素上に形成してもよい。あるいは、ゲルを、電子要素から離して形成し、次に電子要素上に設けてもよい。
材料
熱伝導性充填剤
充填剤1は、約40μmの平均粒子径(レーザー回折によって求めたD50)を示す酸化アルミニウムであり、
充填剤2は、約3.1μmの平均粒子径(レーザー回折によって求めたD50)を示す酸化アルミニウムであり、及び
充填剤3は、約0.44μmの平均粒子径(レーザー回折によって求めたD50)を示す酸化アルミニウムである。
接着促進剤1は、
53.5重量%のメチルトリメトキシシランと、
27.4重量%の3−グリシドキシプロピルトリメトキシシランと、
21.8重量%の前縮合された3−アミノプロピルトリエトキシシランとの、混合物である。
実施例1〜3及び比較例
ベース及び硬化剤調合物を、表1に記載の組成によって調製した。下記のとおり、異なる組成物を調製した。別途指示のない限り、全ての粘度測定結果は、Brookfieldコーンプレート粘度計(RV DIII)を使用し、粘度に最適のコーンプレートを用いて、23℃にて得られた。当該組成物を硬化したゲルから得た結果を、表2に示す。
実施例1、2及び比較例1用のベース
18.15gのOHジメチル末端ポリジメチルシロキサン(粘度2,000mmPa.s)を、19.95gのOHジメチル末端ポリジメチルシロキサン(粘度13,500mPa.s)と、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。次いで、198.22gの充填剤1を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。次いで、60.03gの充填剤2を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。最後に、33.64gの充填剤3を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。
実施例3用のベース
6.60gのOHジメチル末端ポリジメチルシロキサン(粘度2,000mPa.s)を、7.26gのOHジメチル末端ポリジメチルシロキサン(粘度13,500mPa.s)と、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。次いで、72.05gの未処理の充填剤1を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。次いで、21.82gの未処理の充填剤2を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。次いで、12.23gの未処理の充填剤3を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。最後に、0.05gのテトラn−ブチルチタネートを添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、3回混合した。
実施例1用の硬化剤
9.91gのトリメトキシシリル末端ポリジメチルシロキサン(粘度56,000mPa.s)を容器内に添加し、0.495gの接着促進剤1と混合した。次いで、26.94gの充填剤1を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。次いで、8.04gの充填剤2を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。次いで、4.55gの充填剤3を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。最後に、0.074gのテトラn−ブチルチタネートを添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、3回混合した。
実施例2用の硬化剤
19.96gのトリメトキシシリル末端ポリジメチルシロキサン(粘度56,000mPa.s)を容器内に添加し、0.252gの接着促進剤1と混合した。次いで、27.07gの充填剤1を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。次いで、8.08gの充填剤2を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。次いで、4.57gの充填剤3を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、3回混合した。最後に、0.075gのテトラn−ブチルチタネートを添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。
実施例3用の硬化剤
9.91gのトリメトキシシリル末端ポリジメチルシロキサン(粘度56,000mPa.s)を容器内に添加し、0.495gの接着促進剤1と混合した。次いで、26.94gの未処理の充填剤1を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。次いで、8.04gの未処理の充填剤2を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。次いで、4.55gの未処理の充填剤3を添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、混合した。最後に、0.074gのテトラn−ブチルチタネートを添加し、高速ミキサー内で2300rpmにて30秒間、3回混合した。
約95gのベースを2部型カートリッジの片方のシリンダー内に充填し、約40gの硬化剤を2部型カートリッジの他方のシリンダー内に充填した。カートリッジは、ベースの硬化剤に対する容積比が2:1である。静止型ミキサーを使用し、カートリッジからの両原料を混合し、材料を分注し、板状体を構成した。
Figure 0006742503
次いで、板状体を、本方法に従い、陽極酸化アルミニウム上での重ね剪断強度(lap shear strength)及び重ね剪断伸長(lap shear elongation)について試験した。2枚の陽極酸化アルミニウム基材は寸法が100×25×2mmであり、熱伝導性接着剤で糊付けされており、これにより接合体積は25×25×1mmとなり、所定の期間(7日間又は28日間)、23℃、50%の相対湿度で放置し硬化させた。重ね剪断試験片を、保持のためのL型ピンチを使用し張力計(Zwick)内に取り付け、試験を実施した。0.05MPaの予圧を、5.5mm/分の速度で加えた。重ね剪断試験を50mm/分で、最大力の50%の力降下が測定されるまで実施した。この時点で、伸長を測定(及び%で記録)する。測定した最大力を重ね剪断強度(MPa単位)として報告する。
熱伝導率を、ASTM D5470−12によるTIMA試験機で測定した。試験を、7日間硬化した試料(厚さが、1、2、及び3mm、全て直径が同じ7.83mm)について、2Nの加圧で実施した。この力条件の下で、製造物の柔軟性と組み合わせて、材料と測定プローブとの間の密着性を確保することができる。
ゲル化時間を、材料で充填した30mLのアルミニウムカップを製造物の大きな移動なしで上下に反転することができる時間として、求めた。
接着性破壊の状態は、カッターを使用して、基材上に適用した封止剤のビーズについて、封止剤が境界面で基材を伴うものとし、材料を手作業で剥離(指剥離試験)して判定した。CFとは、凝集破壊を意味し、すなわち、破壊がエラストマーの内部で起こる。AFとは、接着破壊を意味し、すなわち、破壊が基材/エラストマーの境界面で起こる。試料を+150℃で30分間置いた後、<10秒のチャンバ移動で一方の極端から他方の極端まで、<3分にて温度変化させ、−40℃の温度で30分間に変え、熱衝撃を実施した。
Figure 0006742503
実施例1、2、及び3の、陽極酸化アルミニウム上での破壊後の凝集百分率は、比較例1よりも高いものであり、本発明によるチタネート触媒に基づく組成物のもたらす接着性プロファイルが、硬化が遅くなっても、比較例1のスズ触媒に基づく組成物よりも優れていることを、強調するものであった。
また、破断点での伸長は、チタネート系調合物で、より高く、これは熱伝導性接着剤の重要なパラメータである。伸長がより高く、弾性率がより低い調合物は、用途における熱応力に適合するのに、より効率的な材料である。

Claims (19)

  1. 逆反応しない多部型縮合硬化性熱伝導性シリコーン接着剤組成物であって、
    (i)1分子当たり少なくとも2個のヒドロキシル官能基を有する、少なくとも1種の縮合硬化性シリル末端ポリマーと、
    (ii)
    少なくとも2個のシリル基を有するシリル官能性分子であって、各シリル基が少なくとも1個の加水分解性基を含有するシリル官能性分子、およびその混合物
    から選択される架橋剤と、
    (iii)チタネート及びジルコネートの群から選択される少なくとも1種の縮合触媒と、
    (iv)前記組成物の70〜93重量%の量で存在する、1種以上の熱伝導性充填剤と、
    を含み、
    成分(i)、(ii)及び(iii)が、同じ部には含有されず、全加水分解性基に対する全ケイ素結合ヒドロキシル基のモル比が、0.75:1〜1.5:1であり、並びに前記全ケイ素結合ヒドロキシル基に対する触媒M−OR官能基[式中、Mはチタン若しくはジルコニウムである。]のモル比が、0.01:1〜0.5:1に含まれる、
    逆反応しない多部型縮合硬化性熱伝導性シリコーン接着剤組成物。
  2. 2つの部で貯蔵され、前記部が以下の、
    a)一方の部にポリマー(i)及び架橋剤(ii)、並びに他方の部にポリマー(i)及び触媒(iii)、又は
    b)一方の部に架橋剤(ii)、並びに他方の部にポリマー(i)及び触媒(iii)、又は
    c)2種以上のポリマー(i)を用いる場合、一方の部に第1のポリマー(i)及び架橋剤(ii)、並びに他方の部に第2のポリマー(i)及び触媒(iii)、又は
    d)一方の部にポリマー(i)、並びに他方の部に架橋剤(ii)及び触媒(iii)、
    として分割されており、
    熱伝導性充填剤(iv)は、いずれの部に存在してもよいが、水分含有充填剤を含む充填剤は触媒(iii)を含む部とは異なる部に存在することを条件とする、請求項1に記載の逆反応しない多部型縮合硬化性熱伝導性シリコーン接着剤組成物。
  3. 前記熱伝導性充填剤(iv)が、前記組成物の両方の部に存在するか、又はベース部にポリマー(i)とともに存在する、請求項2に記載の逆反応しない多部型縮合硬化性熱伝導性シリコーン接着剤組成物。
  4. 前記熱伝導性充填剤(iv)が、銀粉末、アルミニウム粉末、酸化アルミニウム粉末、酸化亜鉛粉末、アルミニウム粉末、及び黒鉛窒化物から選択される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の逆反応しない多部型縮合硬化性熱伝導性シリコーン接着剤組成物。
  5. 前記熱伝導性充填剤(iv)が、前処理されたか又は前処理されていない、互いに異なる径の酸化アルミニウムの混合物である、請求項1又は4に記載の逆反応しない多部型縮合硬化性熱伝導性シリコーン接着剤組成物。
  6. 前記熱伝導性充填剤(iv)が、
    a)平均粒子径値が20〜80マイクロメーターの熱伝導性充填剤、
    b)平均粒子径値が2〜10マイクロメーターの熱伝導性充填剤、及び
    c)平均粒子径値が0.1〜1マイクロメーターの熱伝導性充填剤、
    のうちの2種以上の混合物である、請求項4又は5に記載の逆反応しない多部型縮合硬化性熱伝導性シリコーン接着剤組成物。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の組成物から硬化した、逆反応しない熱伝導性シリコーン接着剤であって、
    前記組成物が、
    (i)1分子当たり少なくとも2個のヒドロキシル官能基を有する、少なくとも1種の縮合硬化性シリル末端ポリマーと、
    (ii)
    少なくとも2個のシリル基を有するシリル官能性分子であって、各シリル基が少なくとも1個の加水分解性基を含有するシリル官能性分子、およびその混合物
    から選択される架橋剤と、
    (iii)チタネート及びジルコネートの群から選択される少なくとも1種の縮合触媒と、
    (iv)1種以上の熱伝導性充填剤と、
    を含み、
    前記組成物の成分(i)、(ii)及び(iii)が、同じ部には含有されず、
    前記組成物の全加水分解性基に対する全ケイ素結合ヒドロキシル基のモル比が、0.75:1〜1.5:1であり、並びに前記全ケイ素結合ヒドロキシル基に対する触媒M−OR官能基[式中、Mはチタン若しくはジルコニウムである。]のモル比が、0.01:1〜0.5:1に含まれる、
    逆反応しない熱伝導性シリコーン接着剤。
  8. ゲル又はエラストマーの形態である、請求項7に記載の逆反応しない熱伝導性シリコーン接着剤。
  9. 請求項7に記載の逆反応しない熱伝導性シリコーン接着剤を含む、電気部品又は電子部品用の封止剤。
  10. 請求項8に記載の逆反応しない熱伝導性シリコーン接着剤で封入した/埋込んだ、電気部品又は電子部品。
  11. 請求項1〜のいずれか一項に記載の逆反応しない多部型縮合硬化性熱伝導性シリコーン組成物を使用した、電気部品又は電子部品のための保護方法。
  12. 電気部品又は電子部品の封止、封入、埋込み、又は充填のための、請求項7又は8に記載の接着剤の使用。
  13. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の多部型組成物を相互混合し、得られた前記混合物を硬化させることによる、請求項8に記載の接着剤の製造方法。
  14. 電気デバイス及び/若しくは電子デバイス、太陽光電池モジュール、並びに/又は発光ダイオードのための、熱伝導性封入剤又は埋込剤としての、請求項7又は8に記載の接着剤の使用。
  15. 感圧接着剤としての、又は振動若しくは音の緩衝用途としての、又はディスプレイ若しくは導波管のための積層体、接着剤、光学的に透明なコーティングの製造における、請求項7又は8に記載の接着剤の使用。
  16. 前記混合物を基材上に、カーテンコーター、スプレー装置、ダイコーター、ディップコーター、押出しコーター、ナイフコーター、及びスクリーンコーターから選択されるディスペンサを使用して適用した後、硬化する、請求項11に記載の方法。
  17. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱伝導性シリコーン組成物の硬化したものから作製した部材を備えた、電気機器及び電子機器。
  18. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の逆反応しない多部型縮合硬化性熱伝導性シリコーン接着剤組成物から作製した、電気デバイス及び電子デバイスのための放熱部材。
  19. 半導体電子要素と金属ヒートシンクとの間のインターフェースの形態の、請求項18に記載の放熱部材。
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