JP7124288B2 - エポキシ樹脂シート、エポキシ樹脂シートの製造方法、絶縁体の製造方法及び電気機器の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は上記事情に鑑み、熱伝導性に優れる絶縁体が得られるエポキシ樹脂シート及びその製造方法、並びにこのエポキシ樹脂シートを用いた絶縁体及び電気機器の製造方法を提供することを課題とする。
<1>樹脂層と、前記樹脂層の少なくとも一方の面に接する基材とを備え、前記基材の前記樹脂層と接する面の表面自由エネルギーが10mJ/m2以上であり、前記樹脂層はメソゲン基を有するエポキシ化合物を含むエポキシ樹脂を含む、エポキシ樹脂シート。
<2>前記メソゲン基を有するエポキシ化合物は、3個以上の6員環基が直鎖状に連結した構造を有する、<1>に記載のエポキシ樹脂シート。
<3>前記メソゲン基を有するエポキシ化合物は、下記一般式(I)で表される構造単位を有する、<1>又は<2>に記載のエポキシ樹脂シート。
<4>前記メソゲン基を有するエポキシ化合物は、1分子中に下記一般式(I)で表される構造単位を2つ有する化合物を含む、<1>~<3>のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂シート。
<5>前記メソゲン基を有するエポキシ化合物は、下記一般式(IA)で表される構造単位及び下記一般式(IB)で表される構造単位からなる群より選択される少なくとも一つの構造単位を有する、<1>~<4>のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂シート。
<6>前記樹脂層がAステージの状態である、<1>~<5>のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂シート。
<7>前記樹脂層がBステージの状態である、<1>~<5>のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂シート。
<8>前記樹脂層がCステージの状態である、<1>~<5>のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂シート。
<9>基材上に樹脂層を形成する工程を備え、前記基材の前記樹脂層が形成される面の表面自由エネルギーが10mJ/m2以上であり、前記樹脂層はメソゲン基を有するエポキシ化合物を含むエポキシ樹脂を含む、<1>~<8>のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂シートの製造方法。
<10><9>に記載のエポキシ樹脂シートの製造方法により製造されるエポキシ樹脂シートの前記樹脂層を硬化させる工程を備える、絶縁体の製造方法。
<11><1>~<8>のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂シートの前記樹脂層を絶縁対象に接触させる工程を備える、電気機器の製造方法。
本開示において「工程」との語には、他の工程から独立した工程に加え、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の目的が達成されれば、当該工程も含まれる。
本開示において「~」を用いて示された数値範囲には、「~」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において各成分は該当する物質を複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、各成分の含有率又は含有量は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率又は含有量を意味する。
本開示において各成分に該当する粒子は複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、各成分の粒子径は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本開示において「エポキシ化合物」とは、分子中にエポキシ基を有する化合物を意味し、「エポキシ樹脂」とは、複数のエポキシ化合物を集合体として捉える概念を意味する。
本開示のエポキシ樹脂シートは、樹脂層と、前記樹脂層の少なくとも一方の面に接する基材とを備え、前記基材の前記樹脂層と接する面の表面自由エネルギーが10mJ/m2以上であり、前記樹脂層はメソゲン基を有するエポキシ化合物(以下、メソゲン含有エポキシ化合物とも称する)を含むエポキシ樹脂を含む、エポキシ樹脂シートである。
基材の材質は、特に制限されない。例えば、樹脂等の有機材料、セラミック、金属等の無機材料、これらの複合体などから選択できる。樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)等の耐熱性に優れる樹脂が挙げられる。
樹脂層の厚みは、特に制限されない。例えば、50μm~200μmの間から選択することができる。
樹脂層は、メソゲン基を有するエポキシ化合物を含むエポキシ樹脂を含む。エポキシ樹脂に含まれるメソゲン含有エポキシ化合物は、1種のみでも2種以上であってもよい。
メソゲン含有エポキシ化合物を含むエポキシ樹脂は一般に結晶化しやすく、溶媒への溶解度も低い傾向にあるが、その一部を反応させたプレポリマーの状態とすることで結晶化を抑制できるため、成形性が向上する場合がある。
さらに、R1~R4のうち、2つ~4つが水素原子であることが好ましく、3つ又は4つが水素原子であることがより好ましく、4つ全てが水素原子であることがさらに好ましい。R1~R4のいずれかが炭素数1~3のアルキル基の場合、R1及びR4の少なくとも一方が炭素数1~3のアルキル基であることが好ましい。
さらに、R1~R4のうち、2つ~4つが水素原子であることが好ましく、3つ又は4つが水素原子であることがより好ましく、4つ全てが水素原子であることがさらに好ましい。R1~R4のいずれかが炭素数1~3のアルキル基の場合、R1及びR4の少なくとも一方が炭素数1~3のアルキル基であることが好ましい。
さらに、R1~R4のうち、2つ~4つが水素原子であることが好ましく、3つ又は4つが水素原子であることがより好ましく、4つ全てが水素原子であることがさらに好ましい。R1~R4のいずれかが炭素数1~3のアルキル基の場合、R1及びR4の少なくとも一方が炭素数1~3のアルキル基であることが好ましい。
液体クロマトグラフィーは、分析用カラムに株式会社日立製作所のLaChrom II C18を使用し、溶離液にはテトラヒドロフランを用い、流速を1.0ml/minとして行う。UVスペクトル検出器では、280nmの波長における吸光度を検出する。
また、マススペクトル検出器では、イオン化電圧を2700Vとして検出する。
なお、エポキシ樹脂の合成方法及び評価についての詳細は後述する。
まず、エポキシモノマーをフラスコ又は合成釜に投入し、合成溶媒を入れ、オイルバス又は熱媒により反応温度まで加温し、エポキシモノマーを溶解する。そこにエポキシモノマーのエポキシ基と反応しうる官能基を有する化合物を投入し、合成溶媒中に溶解したことを確認した後に反応触媒を投入し、反応を開始する。所定時間の後に反応溶液を取り出すことで、エポキシモノマーと、多量体化合物とを含むエポキシ樹脂が得られる。また、フラスコ内又は合成釜内において、加温条件のもと減圧下で合成溶媒を留去したものを取り出すことで、エポキシモノマーと、多量体化合物とを含むエポキシ樹脂を室温(25℃)下で固体の状態で得ることができる。
樹脂層は、硬化剤を含んでいてもよい。硬化剤は、メソゲン含有エポキシ樹脂と硬化反応を生じるものであれば特に制限されず、硬化剤として通常用いられるものから選択できる。具体的には、酸無水物硬化剤、アミン硬化剤、フェノール硬化剤、メルカプタン硬化剤等が挙げられる。絶縁体の耐熱性の観点からは、アミン硬化剤及びフェノール硬化剤から選ばれる少なくとも1種が好ましい。硬化剤は1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
これらの中でも、3,3’-ジエチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン等の液状のアミン硬化剤を用いると、硬化物を作製するときのプレス圧力が低くても接着性及び絶縁性に優れる絶縁体が得られる傾向にある。
樹脂層は、硬化触媒を含んでいてもよい。樹脂層が硬化触媒を含むことで、エポキシ樹脂と硬化剤の反応を促進することができる。硬化触媒の種類及び含有率は特に限定されず、反応速度、反応温度、保管性等の観点から、適切な種類及び含有率を選択することができる。具体的には、イミダゾール系化合物、有機リン化合物、第3級アミン、第4級アンモニウム塩等が挙げられる。硬化触媒は1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
樹脂層は、フィラーを含んでいてもよい。樹脂層がフィラーを含むことで、得られる絶縁体の熱伝導率が向上する。特に、エポキシ樹脂としてメソゲン含有エポキシ化合物を含む場合、硬化物中にフィラーを中心とした高い秩序性を有する高次構造が形成され、硬化物の熱伝導性が飛躍的に向上する傾向にある(例えば、国際公開第WO2013/065159号公報を参照)。これは、高次構造を形成したエポキシ樹脂の硬化物中でフィラーが効率的な熱伝導パスとして機能するためと考えられている。
Vc=Wc/dc
Vf=Wf/df
Vr(%)=(Vf/Vc)×100
Wc:樹脂層の質量(g)
dc:樹脂層の密度(g/cm3)
Vf:フィラーの体積(cm3)
Wf:フィラーの質量(g)
df:フィラーの密度(g/cm3)
Vr:フィラーの体積比率(%)
また、フィラーに占める窒化物フィラーの割合は、その他の態様では、フィラー全体の50体積%~95体積%であることが好ましく、充填性の観点からは、60体積%~95体積%であることがより好ましく、絶縁体の熱伝導性の観点からは、65体積%~92体積%であることがさらに好ましい。
本開示のエポキシ樹脂シートの製造方法は、基材上に樹脂層を形成する工程を備え、前記基材の前記樹脂層が形成される面の表面自由エネルギーが10mJ/m2以上であり、前記樹脂層はメソゲン基を有するエポキシ化合物(メソゲン含有エポキシ化合物)を含む、エポキシ樹脂シートの製造方法である。
エポキシ樹脂組成物が溶剤を含有する場合、エポキシ樹脂組成物の25℃における粘度は、0.5Pa・s~5Pa・sであることが好ましく、0.5Pa・s~4Pa・sであることがより好ましく、1Pa・s~3Pa・sであることがさらに好ましい。エポキシ樹脂組成物の25℃における粘度は、コーンプレート(直径40mm、コーン角0°)を装着した回転式のせん断粘度計を用いて、5.0s-1のせん断速度で温度25℃で測定される値をいう。
また、エポキシ樹脂組成物の25℃における揺変指数は、3~15であることが好ましく、3.5~10であることがより好ましく、4~7であることがさらに好ましい。エポキシ樹脂組成物の揺変指数は、25℃に保たれた組成物について、レオメーターを用いて粘度を測定したときの(0.5s-1のせん断速度での粘度)/(5.0s-1のせん断速度での粘度)の値とする。詳細には、「揺変指数」は、せん断粘度として、コーンプレート(直径40mm、コーン角0°)を装着した回転式のせん断粘度計を用いて、温度25℃で測定される。
さらに、樹脂層をBステージ又はCステージの状態にするための熱処理を施してもよい。熱処理の方法は、特に制限されない。熱処理による樹脂層中に空隙(ボイド)が生じるのを抑制する観点からは、熱真空プレス、熱ロールラミネート等が好ましい。
本開示の絶縁体の製造方法は、上述したエポキシ樹脂シートの製造方法により製造されるエポキシ樹脂シートの樹脂層を硬化させる工程を備える、絶縁体の製造方法である。
本開示の電気機器の製造方法は、上述したエポキシ樹脂シートの樹脂層を絶縁対象に接触させる工程を備える、電気機器の製造方法である。
るものではない。
500mLの三口フラスコに、エポキシモノマーとして4-{4-(2,3-エポキシプロポキシ)フェニル}シクロヘキシル=4-(2,3-エポキシプロポキシ)ベンゾエート(エポキシ当量:212g/eq、下記構造、特開2011-74366号公報に記載の方法により合成)を50g(0.118mol)量り取り、そこにプロピレングリコールモノメチルエーテルを80g添加した。三口フラスコに冷却管及び窒素導入管を設置し、溶媒に漬かるように撹拌羽を取り付けた。この三口フラスコを120℃のオイルバスに浸漬し、撹拌を開始した。樹脂Aが溶解し、透明な溶液になったことを確認した後、エポキシモノマーのエポキシ基と反応する官能基を有する化合物としてヒドロキノンを添加し、さらに反応触媒としてトリフェニルホスフィンを0.5g添加し、120℃のオイルバス温度で加熱を継続した。ヒドロキノンは、エポキシモノマーのエポキシ基数(A)とヒドロキノンの水酸基数(B)の比率(A/B)が100/13となるように添加した。
5時間加熱を継続した後に、反応溶液からプロピレングリコールモノメチルエーテルを減圧留去し、残渣を室温(25℃)まで冷却することにより、エポキシモノマーと、エポキシモノマーとヒドロキノンの反応物とを含むエポキシ樹脂を合成した。
UVスペクトル検出器では、280nmの波長における吸光度を検出した。このとき、下記構造の化合物はいずれも17.4分の位置に、また、エポキシモノマーは14.9分の位置にピークが見られた。また、マススペクトル検出器ではイオン化電圧を2700Vとして検出し、下記構造の化合物の分子量はいずれもプロトンが一つ付加した状態で959であった。
固形分量(%)=(30分間放置した後の計測量/加熱前の計測量)×100
合成したエポキシ樹脂と下記の各材料を表1に記載の比率で混合し、ワニス状のエポキシ樹脂組成物を得た。
・フィラー1[AA-3、アルミナ粒子、住友化学株式会社、D50:3μm]
・フィラー2[AA-04、アルミナ粒子、住友化学株式会社、D50:0.40μm]
・フィラー3[HP-40、窒化ホウ素粒子、水島合金鉄株式会社、D50:40μm、粒子形状(アスペクト比):りん片状の凝集体(1.5)、結晶形:六方晶]
・4,4’-ジアミノジフェニルスルホン(DDS)[和光純薬工業株式会社]
・シランカップリング剤[KBM-403、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、信越化学工業株式会社]
・シクロヘキサノン(CHN)
上記で調整したエポキシ樹脂組成物を、アプリケーターを用いてPETフィルム上に塗布した後、130℃のボックス型オーブンで5分乾燥させた。この状態のPETフィルムを2つ作製し、それぞれの塗布面同士が対向するように重ね合わせた。次いで、温度:150℃、圧力:15MPa、時間:1分の条件で真空プレスにて熱間加圧を行い、樹脂層がBステージの状態であるエポキシ樹脂シートを得た。エポキシ樹脂シートは、上述した方法で測定した樹脂層と接する面の表面自由エネルギーの値が異なる3種のPETフィルムを用いて作製した。
上記で作製したエポキシ樹脂シートに対し、温度:210℃、圧力:15MPa、時間:60分の条件で真空プレスにて熱間加圧を行い、樹脂層を硬化させた。硬化後の樹脂層の厚みは、80μmであった。
樹脂層を硬化させたエポキシ樹脂シートからPETフィルムをはがし、温度波熱分析装置(ai‐Phase社の商品名:ai‐Phase Mobile 1U)を用いて樹脂層の硬化物の熱拡散率を測定した。この値と、アルキメデス法で測定した密度と、DSC(Perkin Elmer社の商品名:DSC Pyris1)にて測定した比熱との積から、樹脂層の硬化物の熱伝導率を求めた。求めた熱伝導率の結果を、PETフィルムの表面自由エネルギーとともに表2に示す。
α:熱拡散率(m2/s)
ρ:密度(kg/cm3)
Cp:比熱(容量)(kJ/(kg・K))
また、樹脂層と接する面の表面自由エネルギーが10mJ/m2以上であるPETフィルムを用いることで、絶縁体として充分な熱伝導率を有する樹脂層の硬化物が得られることがわかった。
Claims (9)
- 前記樹脂層がAステージの状態である、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂シート。
- 前記樹脂層がBステージの状態である、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂シート。
- 前記樹脂層がCステージの状態である、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂シート。
- 基材上に樹脂層を形成する工程を備え、前記基材の前記樹脂層が形成される面の表面自由エネルギーが16.0mJ/m2以上19.5mJ/m2以下であり、前記基材の前記樹脂層が形成される面は離型剤が付与されており、前記樹脂層はメソゲン基を有するエポキシ化合物を含むエポキシ樹脂を含む、請求項1~請求項6のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂シートの製造方法。
- 請求項7に記載のエポキシ樹脂シートの製造方法により製造されるエポキシ樹脂シートの前記樹脂層を硬化させる工程を備える、絶縁体の製造方法。
- 請求項1~請求項6のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂シートの前記樹脂層を絶縁対象に接触させる工程を備える、電気機器の製造方法。
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JP2017190622A JP7124288B2 (ja) | 2017-09-29 | 2017-09-29 | エポキシ樹脂シート、エポキシ樹脂シートの製造方法、絶縁体の製造方法及び電気機器の製造方法 |
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