JP6946382B2 - 耐光減衰エポキシ樹脂及びその使用 - Google Patents

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Description

本発明はエポキシ樹脂に関し、特に、所定の脂肪族プロトンに対する芳香族プロトンの比率を有する耐光減衰エポキシ樹脂に関する。本発明に係るエポキシ樹脂は、特に発光ダイオード(light emitting diode、LED)に適用されるパッケージ用材料を提供すべく、パッケージ用組成物の調製に用いることができる。
光電材料は、科学技術の発展に伴って、広く研究されて各種の分野に適用されてきた。例えばLEDは、光電材料における主な研究対象の1つであり、電子看板、指示ランプ、検出器などのような屋外装置に利用することができる。しかしながら、上記の屋外装置におけるLEDのパッケージ用材料は、長時間屋外環境に曝されるため、気候(例えば、温度)及び光照射の影響によって光透過率が減衰するという問題が生じやすい。そのため、LEDのパッケージ用材料について、高い光透過率の他、耐候性及び耐光性の面での要求も厳しくなる傾向にある。
現在、LEDのパッケージ用材料としては、主にエポキシ樹脂とシリコーン(silicone)とが含まれるが、シリコーンはそのコストが高く、得られたパッケージ用材料も一般的に機械的強度が劣るという問題があることから、現在のところ、LEDのパッケージ用材料としては、なおもエポキシ樹脂が主流である。しかしながら、従来のエポキシ樹脂には、耐候性及び耐光性が十分でないという問題があり、そして得られたパッケージ用材料は長時間高温に曝されるか、又は紫外線の照射を受けると、光透過率が顕著に減衰していた。
本発明は、耐光減衰エポキシ樹脂(本明細書において、「第1のエポキシ樹脂」とも称される)に関する。具体的には、本発明は、所定の脂肪族プロトンに対する芳香族プロトンの比率を有する耐光減衰エポキシ樹脂に関する。本発明は、エポキシ樹脂における脂肪族プロトンに対する芳香族プロトンの比率を制御することによって、当該エポキシ樹脂で得られたパッケージ用材料の耐光性及び耐熱性を改良する技術効果を達成するものであり、また、得られたパッケージ用材料は好適な機械的強度をも有する。そのため、本発明に係るエポキシ樹脂は特に、LEDのパッケージ用材料として好適である。
そのため、本発明の1つの目的は、1H核磁気共鳴法(1H−NMR)で測定された、脂肪族プロトン(A)に対する芳香族プロトン(B)の比率(B/A)が0.15〜0.29であるエポキシ樹脂を提供することである。
本発明の一部の実施形態において、上記のエポキシ樹脂は、500〜2000[g/eq]のエポキシ当量(weight per epoxy、WPE)を更に有する。
本発明の一部の実施形態において、上記のエポキシ樹脂は、2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物(alicyclic compound)から誘導される構成単位、及び2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物(aromatic epoxide)から誘導される構成単位を含む。更に具体的には、上記の2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物は、以下の式(I)の構造を有してもよい。
Figure 0006946382
式(I)において、R1
Figure 0006946382
であり、R2はそれぞれ独立してH又はCH3であり、mは0〜2の整数であり、式中、*は結合位置を表す。上記の2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物は例えば、ビスフェノールAジグリシジルエーテル(bisphenol A diglycidyl ether)、ビスフェノールFジグリシジルエーテル(bisphenol F diglycidyl ether)、及びその組み合わせからなる群から選択することができる。
本発明の一部の実施形態において、上記のエポキシ樹脂は、2つの−OH基を有する芳香族化合物(aromatic compound)から誘導される構成単位、及び2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物(alicyclic epoxide)から誘導される構成単位を含む。更に具体的には、上記の2つの−OH基を有する芳香族化合物は、以下の式(II)の構造を有してもよい。
Figure 0006946382
式(II)において、X1〜X8、R11及びR12はそれぞれ独立してH又はCH3である。上記の2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物は例えば、
Figure 0006946382
及びその組み合わせ(式中、nは1〜30の整数である。)からなる群から選択することができる。
本発明のもう1つの目的は、パッケージ用組成物を調製するための、上記のようなエポキシ樹脂の使用を提供することである。
本発明の更にもう1つの目的は、第1のエポキシ樹脂及び硬化剤を含み、当該第1のエポキシ樹脂が上記のようなエポキシ樹脂であるパッケージ用組成物を提供することである。上記の硬化剤は例えば、酸無水物、フェノール樹脂、イミダゾール類、及びその組み合わせからなる群から選択することができる。
本発明の一部の実施形態において、上記のパッケージ用組成物は、イソシアヌレート系エポキシ樹脂、脂環族エポキシ樹脂、及びその組み合わせからなる群から選ばれる第2のエポキシ樹脂を更に含む。
本発明の更にもう1つの目的は、上記のようなパッケージ用組成物を硬化させて製造されるものであり、当該パッケージ用材料は、150℃で168時間焼成した後、焼成前の光透過率よりも、その光透過率の減衰値が23%未満の未満パッケージ用材料を提供することである。
以下、本発明による上記の目的、技術特徴及び利点をより明確に理解しやすくするために、一部の具体的な実施形態によって詳細に説明する。
以下、本発明による一部の具体的な実施形態を詳細に記載するが、本発明はその精神から乖離しない限り、複数の異なる態様で実施することができるものであって、本発明の保護範囲は上記の具体的な実施形態により制限されない。
特に説明しない限り、本明細書(特に、別紙の特許請求の範囲)において用いられる「1つ」、「当該」及び類似的な用語は、単数及び複数の形を含むように理解されるべきである。
本明細書において、「常温・常圧」という用語は、温度が25℃で圧力が1気圧である雰囲気を意味する。
本明細書において、「光減衰」という用語は、光透過率の減衰を意味する。「耐光減衰」という用語は、熱又は光に曝された後にて、材料の光透過率の減衰程度が小さいことを意味する。本明細書において、光透過率は、400nmの光照射で測定された光透過率の値を意味する。
特に説明しない限り、本明細書(特に、別紙の特許請求の範囲)において用いられる「第1の」、「第2の」及び類似的な用語は、ただ記載された素子又は成分を区別するためのものであり、それ自身は特別な意義を持たず、前後の順番を意味することもない。
従来技術と比較した本発明による効果は、所定の脂肪族プロトンに対する芳香族プロトンの数の比率を有するエポキシ樹脂を提供し、当該エポキシ樹脂によって好適な機械的強度と優れた耐光性及び耐熱性を備え兼ねるパッケージ用材料を提供することである。以下、本発明に係るエポキシ樹脂、及びこれに関連する適用を詳細に説明する。
1.エポキシ樹脂(第1のエポキシ樹脂)
本明細書において、エポキシ樹脂はエポキシ官能基を有する熱硬化性樹脂である。本発明に係るエポキシ樹脂(即ち、「第1のエポキシ樹脂」)は、1H核磁気共鳴法(1H−NMR)で測定された、脂肪族プロトン(A)に対する芳香族プロトン(B)の比率(B/A)が0.15〜0.29、例えば、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20、0.21、0.22、0.23、0.24、0.25、0.26、0.27、又は0.28であることに特徴がある。耐光減衰性について、本発明に係るエポキシ樹脂は、1H核磁気共鳴法(1H−NMR)で測定された、脂肪族プロトン(A)に対する芳香族プロトン(B)比率(B/A)が0.15〜0.21であることが好ましい。なお、本発明に係るエポキシ樹脂は更に、500〜2000[g/eq]のエポキシ当量(WPE)、例えば、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1000、1050、1100、1150、1200、1250、1300、1350、1400、1450、1500、1550、1600、1650、1700、1750、1800、1850、1900、又は1950[g/eq]を有してもよい。
後述するように、本発明のエポキシ樹脂は、2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物と2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物とを反応させることによって調製してもよく、2つの−OH基を有する芳香族化合物と2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物とを反応させることによって調製してもよいため、
本発明のエポキシ樹脂は、2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物から誘導される構成単位及び2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物から誘導される構成単位を含むか、又はこれらの構成単位から構成されてもよいし、2つの−OH基を有する芳香族化合物から誘導される構成単位及び2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物から誘導される構成単位を含むか、又はこれらの構成単位から構成されてもよい。
1.1.2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物
本明細書において、2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物は1分子に2つのカルボキシル基及び少なくとも1つの脂肪族環を有する化合物である。脂肪族環の炭素原子の数は少なくとも3であり、好ましくは3〜16であり、更に好ましくは3〜8であり、且つ飽和でも不飽和でもよいが、飽和であることが好ましい。また、脂肪族環は置換されてもよいし、未置換であってもよく、脂肪族環に酸素、硫黄などのヘテロ原子を含んでもよい。
本発明の好ましい実施形態において、2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物は以下の式(I)の構造を有する。
Figure 0006946382
式(I)において、R1
Figure 0006946382
であり、R2はそれぞれ独立してH又はCH3であり、mは0〜2の整数であり、式中、*は結合位置を表す。
式(I)の構造を有する化合物は、脂環族酸無水物と脂環族ジオールとを反応させることによって調製してもよい。脂環族酸無水物の実例としては、ヘキサヒドロフタル酸無水物(hexahydrophthalic anhydride)、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物、ジメチルヘキサヒドロフタル酸無水物、テトラヒドロフタル酸無水物、メチルテトラヒドロフタル酸無水物、及びジメチルテトラヒドロフタル酸無水物を含むが、これに制限されない。脂環族ジオールの実例としては、1,4−シクロヘキサンジメタノール、トリシクロ[5.2.1.02,6]デカンジメタノール(tricyclo[5.2.1.02,6]decanedimethanol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシシクロへキシル)プロパン(水素化ビスフェノールA)、ビス(4−ヒドロキシシクロへキシル)メタン(水素化ビスフェノールF)、4,4’−ビス(ヒドロキシメチル)ビシクロヘキサン、3,9−ビス(1,1−ジメチル−2−ヒドロキシエチル)−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン(スピログリコール)、及び5−エチル−2−(2−ヒドロキシ−1,1−ジメチルエチル)−5−ヒドロキシメチル−1,3−ジオキサンを含むが、これに制限されない。後述する実施例において、式(I)の構造を有する化合物を調製する時に、脂環族酸無水物としてはヘキサヒドロフタル酸無水物とメチルヘキサヒドロフタル酸無水物を使用し、脂環族ジオールとしては1,4−シクロヘキサンジメタノール、トリシクロ[5.2.1.02,6]デカンジメタノール(tricyclo[5.2.1.02,6]decanedimethanol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシシクロへキシル)プロパン(水素化ビスフェノールA)を使用する。
1.2.2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物
本明細書において、2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物は1分子に2つのエポキシ基及び少なくとも1つの芳香族環を有するエポキシ化合物である。芳香族環の炭素原子の数は少なくとも4であり、好ましくは6〜24であり、更に好ましくは6〜18である。芳香族環は置換されてもよいし、未置換であってもよく、芳香族環に酸素、硫黄、窒素などのヘテロ原子を含んでもよい。
本発明の一部の実施形態において、2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物は、二官能のフェノール化合物のジグリシジルエーテルであり、上記二官能のフェノール化合物の実例としては、ビスフェノールA(bisphenol A、BPA)、テトラメチルビスフェノールA、ジメチルビスフェノールA、ビスフェノールF、テトラメチルビスフェノールF、ジメチルビスフェノールF、ビスフェノールS、テトラメチルビスフェノールS、ジメチルビスフェノールS、4,4’−ビフェノール、テトラメチル−4,4’−ビフェノール、ジメチル−4,4’−ビフェノール、1−(4−ヒドロキシフェニル)−2−[4−(1,1−ビス−(4−ヒドロキシフェニル)エチル)フェニル]プロパン、2,2’−メチレン−ビス(4−メチル−6−t−ブチルフェノール)、レゾルシノール、ヒドロキノン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−9H−フルオレン、及び9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)−9H−フルオレンを含むが、これに制限されない。
本発明の好ましい実施形態において、2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物は、ビスフェノールAジグリシジルエーテル、ビスフェノールFジグリシジルエーテル、及びその組み合わせからなる群から選ばれるものである。
1.3.2つの−OH基を有する芳香族化合物
本明細書において、2つの−OH基を有する芳香族化合物は1分子に2つの−OH基及び少なくとも1つの芳香族環を有する化合物である。本発明の一部の実施形態において、2つの−OH基を有する芳香族化合物は、以下の式(II)の構造を有する。
Figure 0006946382
式(II)において、X1〜X8、R11及びR12はそれぞれ独立してH又はCH3である。本発明の好ましい実施形態において、X1〜X8はいずれもHであり、また、R11及びR12はいずれもCH3である。後述する実施例において、2つの−OH基を有する芳香族化合物としてはビスフェノールA(即ち、式(II)において、X1〜X8はいずれもHであり、また、R11及びR12はいずれもCH3である。)を使用する。
1.4.2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物
本明細書において、2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物は1分子に2つのエポキシ基及び少なくとも1つの脂肪族環を有するエポキシ化合物である。2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物は、上記の脂環族ジオールのジグリシジルエーテルであってもよいが、本発明はこれに制限されない。具体的には、2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物の実例としては、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂(dicyclopentadiene−based epoxy resin)、水素化ビスフェノールA型エポキシ樹脂(hydrogenated bisphenol A−based epoxy resin)、及び7−オキサジシクロ[4.1.0]ヘプタン型エポキシ樹脂(7−oxabicyclo[4.1.0]heptane−based epoxy resin)を含むが、これに制限されない。
本発明の一部の実施形態において、以下の式(III)の構造を有する7−オキサジシクロ[4.1.0]ヘプタン型エポキシ樹脂の1つ又は複数を使用する。
Figure 0006946382
式(III)において、R21はH又はCH3であり、Yは共有結合、−CH(CH3)−、−CH2CH2−、−CH2CH(CH3)−、−CH2CH2CH2−、−C(=O)OCH2−、−OC(=O)(CH24C(=O)O−、−CH2OC(=O)(CH24C(=O)OCH2−、
Figure 0006946382
であり、式中、nは1〜30の整数であり、*は結合位置を表す。
式(III)の構造を有する7−オキサジシクロ[4.1.0]ヘプタン型エポキシ樹脂の具体的な実例としては、
Figure 0006946382
からなる群(式中、nは1〜30の整数である。)を含むが、これに制限されない。
1.5.エポキシ樹脂の調製及び性質
本発明に係る所定のB/A値を有するエポキシ樹脂は、触媒の存在中にて、2つの−OH基を有する脂環族又は芳香族化合物と少なくとも2つのエポキシ基を有する芳香族又は脂環族エポキシ化合物とを反応させ、これらの成分の割合を調整することによって、所望のB/A値を有するエポキシ樹脂を調製することができる。上記の触媒の種類は特に制限されず、エポキシ官能基の開環を促進して反応温度を低減できればよい。好適な触媒としては、アミン類、イミダゾール類、及びリン含有化合物を含むが、これに制限されない。アミン類の実例としては、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデカ−7−エン(1,8−diazabicyclo[5.4.0]undec−7−ene)、トリエチレンジアミン、及び2,4,6−トリ(ジメチルアミノメチル)フェノール(2,4,6−tris(dimethylaminomethyl)phenol)を含むが、これに制限されない。イミダゾール類の実例としては、2−エチル−4−メチルイミダゾール、及び2−メチルイミダゾールを含むが、これに制限されない。リン含有化合物の実例としては、トリフェニル−n−ブチルホスホニウムブロマイド(triphenyl−n−butyl phosphonium bromide、TBP)、トリフェニルホスフィン(triphenylphosphine)、テトラフェニルホスホニウム−テトラフェニルボレート(tetraphenylphosphonium−tetraphenylborate)、及びテトラ−n−ブチルホスホニウム−o,o−ジエチルホスホロジチオネート(tetra−n−butylphosphonium−o,o−diethyl phosphorodithioate)を含むが、これに制限されない。上記の各触媒は単独で使用してもよく、複数を混合して使用してもよい。
本発明の好ましい実施形態において、エポキシ樹脂は、2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物と2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物とを反応させることによって得られる。まず、脂環族ジオールと脂環族酸無水物を混合し、90℃〜110℃まで加熱した後、発熱反応を行って温度が160℃〜180℃に達し、発熱反応が完了した後、温度を140℃〜150℃に低下させて、同温度で2時間維持することによって、2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物(中間生成物)を調製する。その後、中間生成物を100℃〜120℃まで降下させ、2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物を加え、均一に混合してから触媒を加える。そして、150℃〜160℃まで加熱した後、発熱反応を行って温度が180℃〜200℃に達し、発熱反応が完了した後、温度を150℃〜170℃に低下させて、同温度で2時間維持することによって、本発明に係るエポキシ樹脂を調製する。ここで、調製されたエポキシ樹脂の脂肪族プロトン(A)に対する芳香族プロトン(B)の数の比率(B/A)が0.21以下になるように、2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物と2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物の使用量を制御することが好ましい。後述する実施例に示すように、この場合では、最も優れた耐光減衰性質(15%未満の熱光減衰値、3%未満のUV光減衰値)を与えることができる
本発明のもう1つの実施形態において、エポキシ樹脂は、2つの−OH基を有する芳香族化合物と2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物とを反応させることによって得られるものである。まず、2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物を80℃〜100℃まで加熱した後、2つの−OH基を有する芳香族化合物を加え、均一に混合してから触媒を加える。その後、130℃〜150℃まで加熱して、発熱反応を行って温度が180℃〜200℃に達し、発熱反応が完了した後、温度を150℃〜170℃に低減して同温度で2時間維持する。そして、2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物を再度に加え、150℃〜170℃で2時間維持して反応を行うことによって、本発明に係るエポキシ樹脂を得ることができる。
本発明に係るエポキシ樹脂は、上記の1H−NMRで測定された、脂肪族プロトン(A)に対する芳香族プロトン(B)の数の比率(B/A)及びエポキシ当量値の他、60℃〜115℃にあり、例えば、65℃、68℃、70℃、75℃、80℃、81℃、85℃、89℃、90℃、92℃、96℃、100℃、105℃、108℃、110℃、又は113℃である軟化点(softening point)を有することが好ましい。そして、本発明に係るエポキシ樹脂は、常温・常圧で液体であるエポキシ樹脂が好ましく、具体的には、本発明に係るエポキシ樹脂は、常温・常圧において1000Pa・sよりも低い粘度を有することが好ましい。
2.パッケージ用組成物
本発明に係るエポキシ樹脂は、パッケージ用組成物の調製に用いることができる。そのため、本発明はまた、第1のエポキシ樹脂及び硬化剤などの必要な成分を含むと共に、必要に応じて選択・利用される他の成分を含み、第1のエポキシ樹脂が上記のような所定のB/A値を有するエポキシ樹脂であるパッケージ用組成物を提供する。
本発明に係るパッケージ用組成物において、第1のエポキシ樹脂の含有量は、パッケージ用組成物の全重量に対して、45重量%〜65重量%、例えば47重量%、50重量%、52重量%、54重量%、55重量%、56重量%、57重量%、58重量%、59重量%、60重量%、又は63重量%とすることができる。
2.1.硬化剤
本明細書において、硬化剤は、エポキシ官能基の開環反応を開始させてエポキシ樹脂と架橋硬化反応を行う成分を意味する。硬化剤の種類は特に制限なく、エポキシ官能基の開環反応を開始させてエポキシ樹脂と架橋硬化反応を行えればよい。硬化剤の実例としては、酸無水物類、フェノール樹脂(phenolic resin)、及びイミダゾール類を含むが、これに制限されない。上記の各硬化剤は単独で使用してもよく、複数を混合して使用してもよい。
酸無水物類としては、一価カルボン酸無水物、酸二無水物、多価カルボン酸無水物、及び上記の酸無水物と重合可能な他の単量体との共重合体を含むが、これに制限されない。一価カルボン酸無水物の実例としては、酢酸無水物、マレイン酸無水物、コハク酸無水物、ヘキサヒドロフタル酸無水物、又は4−メチルヘキサヒドロフタル酸無水物を含むが、これに制限されない。酸二無水物の実例としては、ナフタレンテトラカルボン酸二無水物(naphthalene tetracarboxylic dianhydride)、又はピロメリット酸二無水物(pyromellitic dianhydride)を含むが、これに制限されない。多価カルボン酸無水物の実例としては、メリット酸無水物(mellitic trianhydride)を含むが、これに制限されない。酸無水物と重合可能な他の単量体との共重合体の実例としては、スチレン−マレイン酸無水物共重合体(copolymer of styrene and maleic anhydride)を含むが、これに制限されない。
フェノール樹脂の実例としては、ノボラック型フェノール樹脂(novolac phenolic resin)、及びレゾールフェノール樹脂(resol phenolic resin)を含むが、これに制限されない。ノボラック型フェノール樹脂の実例としては、フェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、クレゾールノボラック樹脂、t−ブチルフェノールノボラック樹脂、及びノニルフェノールノボラック樹脂を含むが、これに制限されない。
イミダゾール類の実例としては、2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、2−フェニルイミダゾール、及び1−ベンジル−2−フェニルイミダゾールを含むが、これに制限されない。
本発明の好ましい実施形態において、硬化剤は常温・常圧で液体である硬化剤であり、具体的には、常温・常圧における粘度が1000Pa・sよりも低い硬化剤である。後述する実施例において、硬化剤として、常温・常圧で液体である酸無水物を使用する。
本発明に係るパッケージ用組成物において、硬化剤の含有量は特に制限されず、所望の硬化効果を与えればよい。一般的には、硬化剤の含有量は、パッケージ用組成物の全重量に対して、20重量%〜35重量%、例えば、23重量%、24重量%、25重量%、26重量%、27重量%、28重量%、30重量%、又は33重量%とすることができる。
2.2.第2のエポキシ樹脂
本発明に係るパッケージ用組成物において、第1のエポキシ樹脂の他、必要に応じて硬化助剤(auxiliary hardener)として第2のエポキシ樹脂を更に含むことで、パッケージ用組成物の硬化に寄与することが可能である。第2のエポキシ樹脂は、従来用いられるエポキシ樹脂、例えば、トリアジン環を有するエポキシ樹脂、脂環族エポキシ樹脂、フェノール系エポキシ樹脂(phenol epoxy resin)、クレゾール系エポキシ樹脂(cresol epoxy resin)、ナフタレン系エポキシ樹脂(naphthalene epoxy resin)、及びビスフェノール系エポキシ樹脂(bisphenol epoxy resin)であってもよいが、これに制限されない。トリアジン環を有するエポキシ樹脂の実例としては、イソシアヌレート系エポキシ樹脂、例えば、トリグリシジルイソシアヌレート(triglycidyl isocyanurate)を含むが、これに制限されない。脂環族エポキシ樹脂の実例としては、上記の脂環族エポキシ化合物、例えば、(3’,4’−エポキシシクロヘキサン)メチル−3,4−エポキシシクロへキシルカルボキシレート((3’,4’−epoxycyclohexane)methyl 3,4−epoxycyclohexyl carboxylate)を含むが、これに制限されない。クレゾール系エポキシ樹脂の実例としては、o−クレゾール系エポキシ樹脂(ortho−cresol epoxy resin)、m−クレゾール系エポキシ樹脂(meta−cresol epoxy resin)、及びp−クレゾール系エポキシ樹脂(para−cresol epoxy resin)を含むが、これに制限されない。ビスフェノール系エポキシ樹脂の実例としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(bisphenol A epoxy resin)、及びビスフェノールF型エポキシ樹脂(bisphenol F epoxy resin)を含むが、これに制限されない。上記の各エポキシ樹脂は単独で使用してもよく、複数を混合して使用してもよい。後述する実施例において、第2のエポキシ樹脂としては、トリグリシジルイソシアヌレート又は(3’,4’−エポキシシクロヘキサン)メチル−3,4−エポキシシクロへキシルカルボキシレートを使用する。
本発明の好ましい実施形態において、第2のエポキシ樹脂は、常温・常圧で液体であるエポキシ樹脂であり、具体的には、常温・常圧における粘度が1000Pa・sよりも低いエポキシ樹脂、又は少なくともパッケージ用組成物の調製温度では液体であるエポキシ樹脂である。例えば、後述する実施例において、パッケージ用組成物は120℃の温度で調製され、この場合、第2のエポキシ樹脂は、調製過程において液体を呈するように、融点が120℃よりも低いであることが好ましい。
本発明に係るパッケージ用組成物において、第2のエポキシ樹脂の含有量は特に制限されず、所望の補助効果を与えると共に、調製されたパッケージ用材料の耐光減衰性質及び機械的強度に不利な影響を与えなければよい。一般的には、第2のエポキシ樹脂の含有量は、パッケージ用組成物の全重量に対して、10重量%〜20重量%、例えば、11重量%、12重量%、13重量%、14重量%、15重量%、16重量%、17重量%、18重量%、又は19重量%とすることができる。
2.3.必要に応じて選択・利用される成分
本発明に係るパッケージ用組成物において、必要に応じて、パッケージ用組成物の製造過程における加工可能性を適切に改良し、又はパッケージ用組成物が硬化した材料の物理的性質を改良するように、選択・利用される他の成分、例えば、以下に挙げて説明する触媒及び本分野に知られている添加剤を更に含んでもよい。本分野に知られている添加剤の実例としては、無機フィラー、難燃剤、カーボンブラック、色材、脱泡剤、分散剤、粘度調節剤、チキソトロピー剤(thixotropic agent)、レベリング剤(leveling agent)、カップリング剤、離型剤、防カビ剤、安定剤、酸化防止剤、及び抗菌剤を含むが、これに制限されない。各添加剤は単独で使用してもよく、任意に組み合わせて使用してもよい。
本発明の一部の実施形態において、パッケージ用組成物には、エポキシ官能基反応を促進し、パッケージ用組成物の硬化反応温度を低減するように、更に触媒を添加してもよい。触媒の種類は特に制限されず、エポキシ官能基の開環を促進して硬化反応温度を低減できればよい。好適な触媒としては、アミン類、イミダゾール類、リン含有化合物、及びこれらの誘導体を含むが、これに制限されない。上記の各触媒は単独で使用してもよく、任意に組み合わせて使用してもよい。後述する実施例においては、トリフェニル−n−ブチルホスホニウムブロマイド(TBP)を使用する。
2.4.パッケージ用組成物の調製
本発明に係るパッケージ用組成物の調製としては、パッケージ用組成物の各成分を攪拌機で均一に混合・溶解し、又は溶媒に分散することによって、ワニスとして調製し、後の加工での利用に供される。上記の溶媒は、パッケージ用組成物の各成分を溶解又は分散できるがこれらの成分に反応しないいずれの不活性溶媒、例えば、トルエン、γ−ブチロラクタム、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、ブタノン、アセトン、ジトルエン、メチルイソブチルケトン、N,N−ジメチルホルムアミド(N,N−dimethyl formamide、DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(N,N−dimethyl acetamide、DMAc)、及びN−メチルピロリドン(N−methyl−pyrolidone、NMP)とすることができる。
しかしながら、溶媒は加熱硬化の際に揮発し、パッケージ用組成物が硬化した材料に気泡、ボイド(void)などの傷が生じやすくになり、パッケージ用材料の使用には不利である。そのため、溶媒が加熱硬化の際に揮発して硬化生成物に気泡又はボイドが生じることを回避するために、パッケージ用組成物を調製する時に、溶媒を利用しないのが一般であり、これによってパッケージ用材料として好適に利用され、更に、VOC(揮発性有機化合物、volatile organic compound)が低いという環境要求を満たすことができる。これに鑑みて、以下のように溶媒を含まない、本発明に係るパッケージ用組成物を調製することができる。まず、第1のエポキシ樹脂と第2のエポキシ樹脂をガラス蒸留フラスコに仕込み、110℃〜130℃で30分間均一に混合する。そして、90℃〜110℃まで降温してから硬化剤と触媒を加え、同温度で30分間均一に混合することによって、半硬化状態(Bステージ、B−stage)のパッケージ用組成物を得ることができる。
3.パッケージ用材料
本発明はまた、上記のパッケージ用組成物により与えられたパッケージ用材料を提供し、上記のようなパッケージ用組成物を硬化させて形成され、即ち、パッケージ用組成物が完全に硬化した(Cステージ、C−stageとも称される)材料である。パッケージ用組成物の硬化手段は特に制限されず、本発明の一部の実施形態において、加熱加圧の手段によってパッケージ用組成物を硬化させた。
本発明に係るパッケージ用材料は、光電素子のパッケージに適用することができ、上記の光電素子の実例としては、LED、レーザダイオード、及びフォトディテクターを含むが、これに制限されない。しかしながら、本発明に係るパッケージ用材料は、上記のパッケージ用途に制限されず、表面保護が必要であるいずれの物品のパッケージ、例えば風力発電機のブレードのパッケージにも適用され得る。
本発明に係るパッケージ用材料は優れた耐光減衰性質を有し、具体的には、本発明に係るパッケージ用材料は150℃で168時間焼成した後、焼成前の光透過率よりも、その光透過率の減衰値が23%未満であり、例えば、22%、21%、20%、19%、18%、16%、14%、12%、11%、10%、9%、8%、7%、5%、又は3%であり、一部の実施形態には、特に15%未満である。そして、本発明に係るパッケージ用材料は200mW/cm2で波長365nmのUV光源で連続的に336時間照射すると、照射前の光透過率よりも、その光透過率の減衰値が5%未満であり、例えば、4.5%、4%、3.5%、3%、2.5%、2%、1.5%、1%、又は0.5%であり、一部の実施形態には、特に3%未満である。
また、本発明に係るパッケージ用材料は、十分な曲げ強さ(flexural strength、FS)及び曲げ弾性率(flexural modulus、FM)を有する。具体的には、本発明に係るパッケージ用材料の曲げ強さは、8kgf/mm2〜12kgf/mm2、例えば、8.5kgf/mm2、9kgf/mm2、9.5kgf/mm2、10kgf/mm2、10.5kgf/mm2、11kgf/mm2、又は11.5kgf/mm2に達成することができる。そして、本発明に係るパッケージ用材料の曲げ弾性率は、230kgf/mm2〜300kgf/mm2、例えば、235kgf/mm2、240kgf/mm2、245kgf/mm2、250kgf/mm2、255kgf/mm2、260kgf/mm2、265kgf/mm2、270kgf/mm2、275kgf/mm2、280kgf/mm2、285kgf/mm2、290kgf/mm2、又は295kgf/mm2に達成することができる。本発明に係るパッケージ用材料については、曲げ弾性率を弾性係数(elastic modulus、EM)として見なすことができるが、弾性係数は内部応力に比例する。そのため、材料の曲げ弾性率が低いほど、その内部応力も低くなり、低い内部応力を有する材料は、温度の激しい変化による割れ現象が生じにくい。
4.実施例
4.1.計測手段説明
以下、具体的な実施形態を挙げて更に本発明を例示的に説明するが、採用された計測機器及び方法はそれぞれ以下の通りである。
1H核磁気共鳴法(1H−NMR)での測定]
核磁気共鳴分光器(型式:Unity 400、バリアン(Varian)から購入)によってエポキシ樹脂の核磁気共鳴水素スペクトル(1H−NMR)を測定した。本発明に係るエポキシ樹脂において、0.5ppm〜5.5ppmの間(即ち、A領域)のピークは脂肪族プロトンを表し、6.5ppm〜7.5ppmの間(即ち、B領域)のピークは芳香族プロトンを表す。脂肪族プロトン(A)は、A領域の全てのピークの積分値の和を算出することによって得られ、芳香族プロトン(B)の数はB領域の全てのピークの積分値の和を算出することによって得られる。
[エポキシ当量(WPE)測定]
エポキシ樹脂0.15g〜0.17gをサンプルとしてビーカーに置き、対応する溶媒(例えば、メチルエチルケトン又はトルエン)55mlと共に指示薬(例えば、クリスタルバイオレット)を加えた。0.1NのHBr−氷酢酸溶液を滴定溶液として電位差滴定方法によって滴定した。電位変化グラフにおける変曲点を終点として滴定し、以下の式に従って計算してWPEを得た。
Figure 0006946382
式中、Wはサンプル重量、VはHBrの滴定体積、NはHBrの濃度である。
[軟化点測定]
軟化点の測定方法として環球法(ring and ball method)を採用し、JIS K7232による測定標準に従って以下のように測定した。まず、エポキシ樹脂2.02gをサンプルとして予熱された銅環に入れ、軟化点見込み値+70℃の温度で溶融させて気泡を取り除いた。そして、サンプル入り銅環を室温で少なくとも30分間冷却した。その後、グリセリン入りビーカーを準備してヒーターに置き、サンプル入り銅環を吊り下げるようにグリセリンにセットし、サンプルの上に鉄球を置き、赤外線検出器を設置した。ヒーターの加温速度を5℃/分間として加熱を開始し、赤外線検出器によって鉄球が落ちたことを確認し、鉄球が落ちた際の温度を軟化点とした。
[硬化物試料の調製]
パッケージ用組成物(Bステージ)46±2gで錠状物を製作した。成形機(型式:ST−75、高工企業から購入)のモールド温度を150±2℃とした。錠状物を80±2℃に予熱した後、成形機のフィード口に投入した。その後、得られた試料を1分間のパンチング・ホーディング(punching and holding)によって、モールド内に4分間硬化させた後、得られた試料(molded specimen)を取り出した。必要に応じて、成形試料を150℃で4時間、後硬化(post−curing)させ、後硬化された試料(post−cured specimen)を得ることができる。
[ガラス転移温度(Tg)測定]
ポスト硬化された試料4〜6mgを定盤に採取した。示差走査熱量計(differential scanning calorimeter、DSC)(型式:DSC 2910、TAインスツルメンツから購入)で試料のTgを測定した。測定条件として、温度パラメータを50℃〜250℃、加熱速度を20℃/分間とした。得られた温度対熱流(heat flow)のグラフにおいて変曲点を探し、変曲点に対応する温度軸での温度をTgとした。
[熱光減衰測定]
成形された試料を長さ60mm、幅14mm、厚さ1mmのサンプルにカットした。サンプルをUV−可視分光器(UV−Vis spectrometer)(型式:UV−1700、島津(Shimadzu)から購入)にセットし、400nm波長域での光透過率値(以下、「初期光透過率値」)を測定した。その後、サンプルをオーブンに置き、150±2℃で連続的に168時間焼成した。サンプルを取り出して室温まで冷却した後、再びUV−可視分光器にセットして400nm波長域での光透過率値(以下、「耐熱光透過率値」)を測定した。耐熱光透過率値から初期光透過率値を差し引いた値を熱光減衰値とした。
[紫外線(UV)光減衰測定]
成形された試料を長さ60mm、幅14mm、厚さ1mmのサンプルにカットした。サンプルをUV−可視分光器にセットし、400nm波長域での光透過率値(以下、「初期光透過率値」)を測定した。その後、サンプルを5cmの距離で強度200mW/cm2で波長365nmのUV光源の下に置き、連続的にUV光を336時間照射した。そして、サンプルを再びUV−可視分光器にセットして400nm波長域での光透過率値(以下、「耐UV光透過率値」)を測定した。耐UV光透過率値から初期光透過率値を差し引いた値をUV光減衰値とした。
[曲げ強さ及び曲げ弾性率測定]
JIS K6911による測定標準に従って、以下のように曲げ強さと曲げ弾性率を測定した。まず、ポスト硬化された試料を長さ80mm以上、幅10±0.2mm、厚さ4±0.2mmのサンプルをカットした。そして、サンプルを万能材料試験機に3点曲げ試験を行った。下の2つの支持点の距離を64mmとし、上方の治具の移動速度を2mm/分間とした。サンプルが破裂した際に、曲げ強さと曲げ弾性率と測定した。曲げ強さの単位はkgf/mm2である。曲げ弾性率の単位はkgf/mm2である。
4.2.実施例及び比較例用の素材情報リスト
Figure 0006946382
4.3.エポキシ樹脂の調製及び性質計測
表2−1〜表2−3に示す割合で、以下のように合成例1〜9及び比較合成例1〜3のエポキシ樹脂を調製した。
合成例1〜8及び比較合成例1〜3では、まず脂環族ジオールと脂環族酸無水物を混合し、100℃まで加熱した後、発熱反応を行って温度が170℃に達し、発熱反応が完了した後、温度を145℃まで降下させて同温度で2時間維持することによって、2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物(中間生成物)を調製した。その後、中間生成物を110℃まで降下させて二官能のフェノール化合物のジグリシジルエーテルを加え、均一に混合してから触媒を加えた。そして、155℃まで加熱した後、発熱反応を行って温度が190℃に達し、発熱反応が完了した後、温度を160℃まで降下させて同温度で2時間維持することによって、合成例1〜8及び比較合成例2と3のエポキシ樹脂を得、比較合成例1ではエポキシ樹脂を成功に合成しない。
合成例9では、まず脂環族エポキシ化合物100重量部を90℃まで加熱した後、二官能のフェノール化合物53.8重量部を加え、均一に混合してから触媒0.1重量部を加えた。その後、140℃まで加熱して、発熱反応を行って温度が190℃に達し、発熱反応が完了した後、温度を160℃まで降下させて同温度で2時間維持した。そして、脂環族エポキシ化合物7.6重量部を加え、160℃で2時間維持して反応することによって、合成例9のエポキシ樹脂を得た。
別に市販のエポキシ樹脂1と2を準備した。市販のエポキシ樹脂1はBE504Hであり、市販のエポキシ樹脂2はBE503Lである。
以上に記載された計測方法によって、合成例1〜9のエポキシ樹脂、比較合成例1〜3のエポキシ樹脂及び市販のエポキシ樹脂1と2のB/A値、軟化点及びWPEを計測し、結果を表2−1〜表2−3に記録した。
Figure 0006946382
Figure 0006946382
Figure 0006946382
4.4.パッケージ用組成物の調製及び性質計測(1)
表3−1〜表3−3に示す割合で実施例1〜9及び比較例1〜6のパッケージ用組成物を調製した。まず、第1のエポキシ樹脂と第2のエポキシ樹脂をガラス蒸留フラスコに仕込み、120℃で30分間均一に混合した。続いて、100℃まで降温してから硬化剤と触媒とを加え、同温度で30分間均一に混合することによって、各パッケージ用組成物(Bステージ)を得た。
以上に記載された計測方法によって、実施例1〜9及び比較例1〜6のパッケージ用組成物硬化物のTg、熱光減衰値、UV光減衰値、曲げ強さ及び曲げ弾性率を計測し、表4−1から4−3に記録した。
Figure 0006946382
Figure 0006946382
Figure 0006946382
Figure 0006946382
Figure 0006946382
Figure 0006946382
表4−1及び4−2に示すように、本発明に係る所定のB/A値を有するエポキシ樹脂を含むパッケージ用組成物から形成された硬化物は、比較的低い熱光減衰値、比較的低いUV光減衰値、好適なTg、十分な曲げ強さ及び曲げ弾性率を有する。言い換えれば、本発明に係る樹脂組成物から製造されたパッケージ用材料は、十分な機械的強度を保ったまま、特に優れた耐光減衰性質を有する。実施例1〜3、7及び8から分かるように、エポキシ樹脂を調製するための各成分の割合が異なっても、エポキシ樹脂のB/A値が指定された範囲内にあれば、製造されたパッケージ用材料はいずれも優れた耐光減衰性質及び十分な機械的強度を得ることができる。実施例4〜6及び9から分かるように、エポキシ樹脂を調製するための各成分が異なっても、エポキシ樹脂のB/A値が指定された範囲内にあれば、製造されたパッケージ用材料はいずれも優れた耐光減衰性質及び十分な機械的強度を得ることができる。そして、実施例1〜7の結果から分かるように、本発明に係るエポキシ樹脂は、式(I)の構造を有する脂環族化合物から誘導される構成単位、及び2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物から誘導される構成単位を含み、脂肪族プロトン(A)に対する芳香族プロトン(B)の数の比率(B/A)が0.21以下である場合、最も優れた耐光減衰性質(15%未満の熱光減衰値、3%未満のUV光減衰値)を与えることができる。
これに対して、表4−3に示すように、本発明に係る所定のB/A値を有するエポキシ樹脂を含まないパッケージ用組成物から形成された硬化物は、比較的低い熱光減衰値、比較的低いUV光減衰値、好適なTg、良好な曲げ強さ及び曲げ弾性率を同時に備え兼ねない。特に、比較例1〜6から分かるように、エポキシ樹脂のB/A値が指定された範囲内でないと、製造されたパッケージ用材料の熱光減衰値及びUV光減衰値が大幅に増加してしまい、パッケージ用材料の耐光性が劣り、耐光減衰の特徴を備えないことを示している。
4.5.パッケージ用組成物の調製及び性質計測(2)
表5に示す割合で実施例10〜11及び比較例7のパッケージ用組成物を調製した。まず、第1のエポキシ樹脂及び溶媒をガラス蒸留フラスコに仕込み、120℃で30分間均一に混合した。そして、100℃まで降温してから硬化剤と触媒を加え、同温度で30分間均一に混合することによって、各パッケージ用組成物(Bステージ)を得た。パッケージ用組成物をガラスプレートに塗布してフィルムを形成した後、100℃で2時間焼成して溶媒を除去し、そして150℃で4時間焼成してポスト硬化し、長さ60mm、幅14mm、厚さ100μmのサンプルにカットした。そして、以上に記載された計測方法によって、実施例10〜11及び比較例7のパッケージ用組成物の熱光減衰値を計測し、表5に記録した。
Figure 0006946382
表5に示すように、本発明に係るパッケージ用組成物は、第2のエポキシ樹脂を含まなくても、本発明に係る所定のB/A値を有するエポキシ樹脂を含有すれば、形成された硬化物は同様に、優れた耐光減衰性質を有することができる。
上記の実施例は、ただ本発明の原理及びその効果を例示的に説明し、本発明の技術特徴を記述するためのものであり、本発明の保護範囲はこれにより制限されない。いずれの当業者が本発明の技術原理及び精神から乖離しない限り容易に完成できる変更又は配置は、いずれも本発明で主張する範囲に属するものである。そのため、本発明の権利の保護範囲は、別紙の特許請求の範囲に示されたものである。

Claims (7)

  1. H核磁気共鳴法(H−NMR)で測定された、脂肪族プロトン(A)に対する芳香族プロトン(B)の比率(B/A)が0.15〜0.21であることを特徴とするエポキシ樹脂であって、
    ここで、エポキシ樹脂は、500〜2000[g/eq]のエポキシ当量(weight per epoxy、WPE)を有し、
    そしてここで、エポキシ樹脂は、2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物(alicyclic compound)から誘導される構造単位及び2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物(aromatic epoxide)から誘導される構造単位を含むように、2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物と2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物とを反応させて得られるか、或いは、
    エポキシ樹脂は、2つの−OH基を有する芳香族化合物(aromatic compound)から誘導される構造単位及び2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物(alicyclic epoxide)から誘導される構造単位を含むように、2つの−OH基を有する芳香族化合物と2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物とを反応させて得られ
    ここで、前記2つのカルボキシル基を有する脂環族化合物は、以下の式(I)の構造:
    Figure 0006946382
    (式(I)において、R
    Figure 0006946382
    であり、R はそれぞれ独立してH又はCH であり、mは0〜2の整数であり、式中、 は結合位置を表す。)で表され;
    前記2つのエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物は、ビスフェノールAジグリシジルエーテル(bisphenol A diglycidyl ether)、ビスフェノールFジグリシジルエーテル(bisphenol F diglycidyl ether)、及びその組み合わせからなる群から選ばれ;
    前記2つの−OH基を有する芳香族化合物は、以下の式(II)の構造:
    Figure 0006946382
    (式(II)において、X 〜X 、R 11 及びR 12 はそれぞれ独立してH又はCH である。)
    で表され;
    前記2つのエポキシ基を有する脂環族エポキシ化合物が、
    Figure 0006946382
    及びその組み合わせである(式中、nは1〜30の整数である)、
    前記エポキシ樹脂
  2. パッケージ用組成物を調製するための請求項に記載のエポキシ樹脂の使用。
  3. 第1のエポキシ樹脂、及び硬化剤を含み、前記第1のエポキシ樹脂が請求項に記載のエポキシ樹脂であることを特徴とするパッケージ用組成物。
  4. イソシアヌレート系エポキシ樹脂、脂環族エポキシ樹脂、及びその組み合わせからなる群から選ばれる第2のエポキシ樹脂を更に含むことを特徴とする請求項に記載のパッケージ用組成物。
  5. 前記硬化剤は酸無水物、フェノール樹脂、イミダゾール類、及びその組み合わせからなる群から選ばれるものであることを特徴とする請求項又はに記載のパッケージ用組成物。
  6. 請求項のいずれか1項に記載のパッケージ用組成物を硬化させて製造されることを特徴とするパッケージ用材料。
  7. 150℃で168時間焼成した後、焼成前の光透過率よりも、その光透過率の減衰値は23%未満であることを特徴とする請求項に記載のパッケージ用材料。
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