JP7135921B2 - 水酸化アルミニウム粉体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
ところで、本願の発明者らによる検証によれば、特に、プリント配線基板の用途に用いる水酸化アルミニウムとしては、1つは、鉛フリーはんだのような融点が250℃程度のはんだ熱(リフロー炉)においても熱分解しないような耐熱性が必要であり、これを十分に確保するためには、厳密には、110℃以上として付着水分を除いた、結晶水の脱水から測定されるようなより高い耐熱性を有することが必要であることが確認された。一方で、プリント配線基板に用いる場合、単なるフィラーとしての樹脂への充填性だけでなく、プリント配線基板の封止材フィラーとして使用させた場合に配線の奥まで充填させる(すなわち、ボンディングワイヤー間に充填、又ワイヤーを押し曲げない)ような樹脂分散特性(スラリーの流動性)も必要である。このような樹脂分散性(スラリーの流動性)のためにはシランカップリング剤による表面処理が有効であることが分かっているが、処理するシランカップリング剤の量が多いと粒子が凝集し易くなるためその量を調整することが必要であり、また、凝集を抑制するためにはある程度の粒子の粗さも必要であるが、BET比表面積が小さくなると逆に当該樹脂分散性(スラリーの流動性)が低下してしまうことがわかった。つまり、プリント配線基板に用いるためにはこのような高耐熱性及び樹脂分散性の両立が必要であるが、これらについては、水酸化アルミニウムの粒子の形状やシランカップリング剤の量などとの関係が重要であることが知見された。このことは、後述する実施例・比較例でも示されるとおり、高耐熱性及び樹脂分散性には、BET比表面積当たりのシランカップリング剤量や、或いは、水酸化アルミニウムの平均粒子径や、さらには、BET比表面積から求められる粒子径(DBET)と平均粒子径(Dp50)とによる粒子形状の関係が寄与していることが判明した。
〔1〕表面がシランカップリング剤で処理されたギブサイト型の水酸化アルミニウム粉体であり、以下の(1)~(5)を満たすことを特徴とする水酸化アルミニウム粉体。
(1)空気雰囲気下において10℃/minで昇温する熱重量分析において、温度110℃から250℃までの重量減少率が1.2質量%以下であること。
(2)メチルエチルケトンに分散させた溶液を、目開き45μmの篩に篩過した際の篩上残渣率が5質量%以下であること。
(3)平均粒子径(Dp50)が2.0~3.5μmであること。
(4)BET比表面積から求められるBET相当径(DBET)と、平均粒子径(Dp50)との比であるDp50/DBETが2.6~4.5であること。
(5)BET比表面積(m2/g)当たりのシランカップリング剤処理量(質量%)(シランカップリング剤処理量/BET比表面積)が0.1~0.5質量%/m2/gであること。
〔2〕二酸化ケイ素(SiO2)に換算したケイ素含有量が、0.10質量%以上0.30質量%以下であることを特徴とする〔1〕に記載の水酸化アルミニウム粉体。
〔3〕フタル酸ジオクチル(DOP)吸油量が、30mL/100g以下であることを特徴とする〔1〕又は〔2〕に記載の水酸化アルミニウム粉体。
〔4〕全ソーダ(T-Na2O)含有量が0.03質量%以下であると共に、表面に付着して洗浄除去可能なフリーのソーダ(f-Na2O)含有量が0.005質量%以下であることを特徴とする〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の水酸化アルミニウム粉体。
〔5〕グリシドキシ基、アクリロキシ基、メタクリロキシ基、フェニル基及びビニル基からなる群から選択された1種以上の官能基を有するシランカップリング剤で処理されたものであることを特徴とする〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の水酸化アルミニウム粉体。
〔6〕前記〔1〕~〔5〕のいずれかに記載された水酸化アルミニウム粉体を製造する方法であって、
バイヤー法で得られ、全ソーダ(T-Na2O)含有量が0.03質量%以下であると共に、表面に付着して洗浄除去可能なフリーのソーダ(f-Na2O)含有量が0.005質量%以下であり、また、BET比表面積が2.0~5.0m2/gであり、さらには、BET比表面積から求められるBET相当径(DBET)と平均粒子径(Dp50)との比であるDp50/DBETが3.0~5.0であることを満たす水酸化アルミニウム原料に対して、シランカップリング剤を、当該原料のBET比表面積当たり0.10~0.40質量%/m2/gで添加して処理することを特徴する水酸化アルミニウム粉体の製造方法。
DBET(μm)=6/〔BET比表面積(m2/g)×真密度(g/cm3)〕 ・・・式(1)
(R1O)3-mR2 mSi-R3 ・・・式(2)
〔式中、R1は独立に置換基を有していてもよい炭素原子数1~2のアルキル基を表し、R2は置換基を有していてもよい炭素原子数1のアルキル基を表し、R3は鎖中及び/又は末端に、グリシドキシ基、スチリル基、アクリロキシ基、メタクリロキシ基、メタクリル基、アクリル基、アミノ基、ウレイド基、メルカプト基、及びイソシアネート基からなる群より選ばれる少なくとも1つの官能基を有するアルキル基を表し、mは0~1の整数を表す。〕
(R4O)4-nSi-R5 n ・・・式(3)
〔式中、R4は独立に置換基を有していてもよい炭素数1~2のアルキル基を表す。R5は独立に炭素数1~10の有機基(アルキル基、アルケニル基またはアリール基)を表し、具体的には、メチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ビニル基、フェニル基等が挙げられる。また、nは1~2の整数を表す〕
<原料水酸化アルミニウム>
・サンプルA〔日本軽金属株式会社製、ギブサイト型、平均粒子径(Dp50):2.2μm、BET比表面積:3.8m2/g、SiO2:0.007質量%、全ソーダ分(T-Na2O):0.02質量%、フリーのソーダ分(f-Na2O):0.004質量%、DOP吸油量:39mL/100g、Dp50/DBET:3.4、温度110℃から250℃までの加熱減量試験(「TG」と表記):1.36質量%、メチルエチルケトン分散性試験(「MEK分散」と表記):5.8質量%〕
・サンプルB〔日本軽金属株式会社製、ギブサイト型、平均粒子径(Dp50):2.1μm、BET比表面積:5.2m2/g、SiO2:0.009質量%、全ソーダ分(T-Na2O):0.007質量%、フリーのソーダ分(f-Na2O):0.001質量%、DOP吸油量:41mL/100g、Dp50/DBET:4.3、TG:1.34質量%、MEK分散:11.1質量%〕
・サンプルC〔日本軽金属株式会社製、ギブサイト型、平均粒子径(Dp50):3.5μm、BET比表面積:1.8m2/g、SiO2:0.002質量%、全ソーダ分(T-Na2O):0.01質量%、フリーのソーダ分(f-Na2O):0.001質量%、DOP吸油量:33mL/100g、Dp50/DBET:2.5、TG:1.90質量%、MEK分散:0.5質量%〕
・サンプルD〔日本軽金属株式会社製、ギブサイト型、平均粒子径(Dp50):9.7μm、BET比表面積:3.9m2/g、SiO2:0.001質量%、全ソーダ分(T-Na2O):0.01質量%、フリーのソーダ分(f-Na2O):0.002質量%、DOP吸油量:35mL/100g、Dp50/DBET:15.2、TG:1.72質量%、MEK分散:1.7質量%〕
・サンプルE〔日本軽金属株式会社製、ギブサイト型、平均粒子径(Dp50):3.6μm、BET比表面積:6.3m2/g、SiO2:0.006質量%、全ソーダ分(T-Na2O):0.34質量%、フリーのソーダ分(f-Na2O):0.099質量%、DOP吸油量:37mL/100g、Dp50/DBET:9.0、TG:3.06質量%、MEK分散:43.3質量%〕
・市販品F〔本出願時において当該業界で耐熱特性が最も高いと言われている他社量産水酸化アルミニウム粉体。ギブサイト型、平均粒子径(Dp50):3.2μm、BET比表面積:1.4m2/g、SiO2:0.009質量%、全ソーダ分(T-Na2O):0.05質量%、フリーのソーダ分(f-Na2O):0.001質量%、DOP吸油量:35mL/100g、Dp50/DBET:1.8、TG:1.25質量%、MEK分散:2.1質量%〕
・3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(記号E1で表記)
・3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン(記号E2で表記)
・3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(記号Mで表記)
・フェニルトリメトキシシラン(記号Pで表記)
・ビニルトリメトキシシラン(記号Vで表記)
・3-アミノプロピルトリメトキシシラン(記号Aで表記)
<平均粒子径(Dp50)(μm)>
平均粒子径(Dp50)はレーザー散乱法粒度測定器〔日機装社製Microtrac 9320HRA(×100)〕を用いて測定し、積算粒度分布率50体積%に対応する粒子径(μm)として求めた。
BET比表面積は、比表面積自動測定装置(マイクロメリテックス製フローソーブII2300形)を用い、N2ガス吸着法によりBET解析を実施し測定した。
BET相当径(DBET)は、BET比表面積を測定した後、以下の式(1)から算出した。なお、水酸化アルミニウム粉体の真密度は2.42g/cm3とした。
DBET(μm)=6/〔BET比表面積(m2/g)×真密度(g/cm3)〕 ・・・式(1)
この算出されたDBET(μm)と前述のDp50(μm)との値から、Dp50/DBETを算出した。
ダブルビーム分光光度計(日立製作所製、U-3010)を用いて、モリブデン青吸光光度法によりSiを定量し、SiO2へ換算して求めた。
全ソーダ分(T-Na2O)は、蛍光X線分析装置(リガク製、ZSX100e)を用いて水酸化アルミニウム粉体の蛍光X線強度を測定し、事前に求めた検量線からその含有量(質量%)を定量した。
また、フリーのソーダ分(f-Na2O)については、水酸化アルミニウム粉体に水を加え(質量比で、水酸化アルミニウム粉体:水=1:60)、沸騰している湯煎で30分間Naを溶出させて、原子吸光分光光度計(日立ハイテクノロジーズ製、Z-2000、測定モード;原子吸光、測定波長範囲;589.0nm)を用いて測定し、Na2O換算して求めた。
JIS K5101-1991に準拠して測定した。具体的には、水酸化アルミニウム粉体5.0gにフタル酸ジオクチル(関東化学社製試薬1級フタル酸ジ-2-エチルヘキシル(フタル酸ジオクチル)、DOP)油を滴下し、1つの団子状にまとまるまでの油量を水酸化アルミニウム粉体100gに換算した量として示した。
水酸化アルミニウム粉体試料10mgを示差熱天秤(株式会社リガク製商品名:Thermo plus TG8120)に入れて昇温し(室温~600℃)、その際、温度110℃から250℃までにおける重量減少率(質量%)を求めた。熱変化のない酸化アルミニウムを標準物質とし、測定は空気雰囲気下において行い、昇温速度は10℃/minとした。なお、一部の実施例、比較例について、その際の示差熱分析(DTA)結果を図1に示した。
水酸化アルミニウム粉体試料3.0gをメチルエチルケトン(MEK、関東化学社製特級試薬)に投入し、プロペラ型撹拌翼48mmφを使って400rpmで30分間撹拌し、その後、目開き45μmの篩い〔JIS Z8801 東京スクリーン(株)製〕に篩過させた際における篩上を110℃(乾燥)した後に、その質量を測定し残渣率(質量%)を求めた。
原料及びシランカップリング剤で処理したそれぞれの水酸化アルミニウム粉体について、粉末X線回折装置(リガク社製RINT-UltimaIII)を用いてX線回折パターンを測定した。
その結果、原料水酸化アルミニウム並びに後述の実施例及び比較例に係る水酸化アルミニウム粉末は、全てギブサイト型であることを確認した。
24gのシランカップリング剤E1(3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン)を、原料水酸化アルミニウム粉体A3.0kgに添加し、ヘンシェルミキサーで20分間攪拌してシランカップリング剤処理を行い(シランカップリング剤量:0.80質量%)、シランカップリング剤で処理された実施例1に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表1に示す。
36gのシランカップリング剤E1(3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン)を用いて、実施例1と同様にシランカップリング剤処理を行い(シランカップリング剤量:1.20質量%)、シランカップリング剤で処理された実施例2に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表1に示す。
42gのシランカップリング剤E1(3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン)を用いて実施例1と同様にシランカップリング剤処理を行い(シランカップリング剤量:1.40質量%)、シランカップリング剤で処理された実施例3に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表1に示す。
48gのシランカップリング剤E1(3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン)を用いて、実施例1と同様にシランカップリング剤処理を行い(シランカップリング剤量:1.60質量%)、シランカップリング剤で処理された比較例1に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表1に示す。
60gのシランカップリング剤E1(3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン)を用いて、実施例1と同様にシランカップリング剤処理を行い(シランカップリング剤量:2.00質量%)、シランカップリング剤で処理された比較例2に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表1に示す。
シランカップリング剤をE2(3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン)に変更し、24gのシランカップリング剤を用いて実施例1と同様にシランカップリング剤処理を行い(シランカップリング剤量:0.80質量%)、シランカップリング剤で処理された実施例4に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表1に示す。
シランカップリング剤をM(3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン)に変更し、24gのシランカップリング剤を用いて実施例1と同様にシランカップリング剤処理を行い(シランカップリング剤量:0.80質量%)、シランカップリング剤で処理された実施例5に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表1に示す。
シランカップリング剤をP(フェニルトリメトキシシラン)に変更し、24gのシランカップリング剤を用いて実施例1と同様にシランカップリング剤処理等を行い(シランカップリング剤量:0.80質量%)、シランカップリング剤で処理された実施例6に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表1に示す。
シランカップリング剤をV(ビニルトリメトキシシラン)に変更し、24gのシランカップリング剤を用いて実施例1と同様にシランカップリング剤処理を行い(シランカップリング剤量:0.80質量%)、シランカップリング剤で処理された実施例7に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表1に示す。
原料水酸化アルミニウム粉体Bを3.0kg用い、これに24gのシランカップリング剤Pを添加した以外は、実施例1と同様にシランカップリング剤処理を行い(シランカップリング剤量:0.80質量%)、シランカップリング剤で処理された比較例3に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表1に示す。
シランカップリング剤をVに変更した以外は、比較例3と同様とし、シランカップリング剤で処理された比較例4に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表1に示す。
原料水酸化アルミニウム粉体Cを3.0kg用い、これに7.5gのシランカップリング剤E1を添加した以外は、実施例1と同様にシランカップリング剤処理を行い(シランカップリング剤量:0.25質量%)、シランカップリング剤で処理された比較例5に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表1に示す。
使用するシランカップリング剤E1を、それぞれ、10.5g(比較例6)、12g(比較例7)、13.5g(比較例8)、18g(比較例9)、24g(比較例10)及び30g(比較例11)として(シランカップリング剤量:それぞれ、0.35、0.40、0.45、0.60、0.80及び1.00質量%)、それ以外は比較例5と同様にして、シランカップリング剤で処理された比較例6~11に係る各水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた各水酸化アルミニウム粉体の特性等を表1~2に示す。
原料水酸化アルミニウム粉体Cを3.0kg用い、これに18gのシランカップリング剤Pを添加した以外は、実施例1と同様にシランカップリング剤処理を行い(シランカップリング剤量:0.60質量%)、シランカップリング剤で処理された比較例12に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表2に示す。
シランカップリング剤をそれぞれM(比較例13)、V(比較例14)及びA(3-アミノプロピルトリメトキシシラン、比較例15)に変更した以外は、比較例12と同様とし(シランカップリング剤量:0.60質量%)、シランカップリング剤で処理された比較例13~15に係る各水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた各水酸化アルミニウム粉体の特性等を表2に示す。
原料水酸化アルミニウム粉体として市販品Fをそのまま用いたもの(シランカップリング剤処理は無し、比較例16)、及びこの市販品Fを3.0kg用い、これに15gのシランカップリング剤E1を添加した以外は実施例1と同様にシランカップリング剤処理を行ったもの(シランカップリング剤量:0.50質量%、比較例17)を、それぞれ得た。
得られた各水酸化アルミニウム粉体の特性等を表2に示す。
原料水酸化アルミニウム粉体Dを3.0kg用い、これに24gのシランカップリング剤E1を添加した以外は、実施例1と同様にシランカップリング剤処理を行い(シランカップリング剤量:0.80質量%)、シランカップリング剤で処理された比較例18に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表2に示す。
シランカップリング剤をE2に変更した以外は、比較例18と同様とし、シランカップリング剤で処理された比較例19に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表2に示す。
原料水酸化アルミニウム粉体Eを3.0kg用い、これに30gのシランカップリング剤E1を添加した以外は、実施例1と同様にシランカップリング剤処理を行い(シランカップリング剤量:1.00質量%)、シランカップリング剤で処理された比較例20に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表2に示す。
シランカップリング剤をE2に変更した以外は、比較例20と同様とし、シランカップリング剤で処理された比較例21に係る水酸化アルミニウム粉体を得た。
得られた水酸化アルミニウム粉体の特性等を表2に示す。
また、原料水酸化アルミニウム粉体としてサンプルEを用いた比較例20及び21についても、平均粒子径(Dp50)は然程大きくないが、当該サンプルBのBET比表面積値が大きく(DBETは小さい)、それ故に原料のDp50/DBETが大きく、それによって、シランカップリング処理後においてもDp50/DBETが大きくなって粉体表面の凹凸をシランで十分に埋めることができていないと思われることから、耐熱性に劣る結果となった。なお、この比較例20及び21においては、原料であるサンプルEの全ソーダ分が多く、ベーマイト化がさらに進んでいると思われ、それ故に、耐熱性において極めて劣る結果となったと考えられる。
そして、このような市販品Fをシランカップリング剤で処理した比較例17においては、意外なことには、耐熱性が逆に悪化していることが分かった。これは、球形に近く表面に凹凸が少ない市販品Fをシランカップリング剤で処理することにより、シランどうしの液架橋によって粉体が凝集する傾向があると共に、図1に示したように、240℃付近に顕著なピークが見られたことから加熱時にはベーマイト化が進んでしまうことが原因であると考えられる(図1の比較例16と比較例17とを参照)。
Claims (4)
- 表面が、グリシドキシ基、アクリロキシ基、メタクリロキシ基、フェニル基及びビニル基からなる群から選択された1種以上の官能基を有するシランカップリング剤で処理されたギブサイト型の水酸化アルミニウム粉体であり、以下の(1)~(7)を満たすことを特徴とする水酸化アルミニウム粉体。
(1)空気雰囲気下において10℃/minで昇温する熱重量分析において、温度110℃から250℃までの重量減少率が1.2質量%以下であること。
(2)メチルエチルケトンに分散させた溶液を、目開き45μmの篩に篩過した際の篩上残渣率が5質量%以下であること。
(3)平均粒子径(Dp50)が2.0~3.5μmであること。
(4)BET比表面積から求められるBET相当径(DBET)と、平均粒子径(Dp50)との比であるDp50/DBETが2.6~4.5であること。
(5)BET比表面積(m2/g)当たりのシランカップリング剤処理量(質量%)(シランカップリング剤処理量/BET比表面積)が0.1~0.5質量%/m2/gであること。
(6)二酸化ケイ素(SiO 2 )に換算したケイ素含有量が、0.10質量%以上0.30質量%以下であること。
(7)全ソーダ(T-Na 2 O)含有量が0.03質量%以下であると共に、表面に付着して洗浄除去可能なフリーのソーダ(f-Na 2 O)含有量が0.005質量%以下であること。 - 平均粒子径(Dp50)が1.5~5.0μmであり、BET比表面積が2.0~5.0m 2 /gであり、さらには、BET比表面積から求められるBET相当径(D BET )と平均粒子径(Dp50)との比であるDp50/D BET が3.0~5.0であることを満たす水酸化アルミニウム原料の表面が、前記シランカップリング剤で処理されていることを特徴とする請求項1に記載の水酸化アルミニウム粉体。
- フタル酸ジオクチル(DOP)吸油量が、30mL/100g以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の水酸化アルミニウム粉体。
- 請求項1~3のいずれかに記載された水酸化アルミニウム粉体を製造する方法であって、
バイヤー法で得られ、全ソーダ(T-Na2O)含有量が0.03質量%以下であると共に、表面に付着して洗浄除去可能なフリーのソーダ(f-Na2O)含有量が0.005質量%以下であり、また、平均粒子径(Dp50)が1.5~5.0μmであり、BET比表面積が2.0~5.0m2/gであり、さらには、BET比表面積から求められるBET相当径(DBET)と平均粒子径(Dp50)との比であるDp50/DBETが3.0~5.0であることを満たす水酸化アルミニウム原料に対して、シランカップリング剤を、当該原料のBET比表面積当たり0.10~0.40質量%/m2/gで添加して処理することを特徴する水酸化アルミニウム粉体の製造方法。
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