JP7258982B2 - 熱硬化性樹脂材料、プリプレグ及び金属基板 - Google Patents

熱硬化性樹脂材料、プリプレグ及び金属基板 Download PDF

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Description

本発明は、熱硬化性樹脂材料、プリプレグ及び金属基板に関し、特に、耐熱性が良好な熱硬化性樹脂材料、プリプレグ及び金属基板に関する。
熱硬化性樹脂材料は、架橋可能な構造を有することにより、硬化した後に三次元ネットワーク構造を形成して、高耐熱性及び良好な寸法安定性を示すので、電子機器分野に広く応用されている。
通常、熱硬化性樹脂材料には、架橋可能な構造としてシアネート化合物を含む。シアネート化合物は、難燃性及び高ガラス転移温度という特性を有するが、耐熱性が悪く、誘電特性(例えば、比誘電率、誘電正接)が比較的に高い。具体的に、従来の技術において、熱硬化性樹脂材料から金属基板を製造した後に、金属基板の比誘電率は3.7を超え、誘電正接は0.004を超える。
このように、熱硬化性樹脂材料の成分を調整することにより、熱硬化性樹脂材料の耐熱性及び誘電特性を改善することは、この業界にとって解決しようとする重要な課題となる。
本発明が解決しようとする技術の課題は、従来技術の不足に対し、熱硬化性樹脂材料、プリプレグ及び金属基板を提供する。
上記の技術的問題を解決するために、本発明が採用する一つの技術的手段は、熱硬化性樹脂材料を提供することである。熱硬化性樹脂材料は、樹脂組成物及び無機フィラーを含み、樹脂組成物は、10~30重量%のポリフェニレンエーテル樹脂と、40~60重量%のシアネート樹脂と、20~40重量%のビスマレイミド樹脂とを含む。なかでも、無機フィラーは、表面改質を行うことにより、アクリル基及びビニール基の中の少なくとも1つを含む。
一つの実施形態において、熱硬化性樹脂材料の総重量を100重量%として、無機フィラーの添加量は、40~70重量%である。
一つの実施形態において、無機フィラーは、二酸化ケイ素、又は二酸化ケイ素と二酸化チタンとの組み合わせを含む。
一つの実施形態において、二酸化チタンは、ルチル型二酸化チタンである。
一つの実施形態において、ビスマレイミド樹脂の構造は、下式(I)で表される。
Figure 0007258982000001
その中、R1、R2、R3及びR4は独立に、炭素数1~5のアルキル基である。
一つの実施形態において、R1及びR3はメチル基であり、R2及びR4はエチル基である。
一つの実施形態において、シアネート樹脂は、平均個数が2つ以上であるシアネート基を含む。
上記の技術的課題を解決するために、本発明が採用する一つの技術的手段は、熱硬化性樹脂材料を提供することである。熱硬化性樹脂材料は、樹脂組成物、無機フィラー、及びシランカップリング剤を含む。シランカップリング剤は、メタクリルシラン及びアクリルシランの中の少なく1つを含む。樹脂組成物は、10~30重量%のポリフェニレンエーテル樹脂と、40~60重量%のシアネート樹脂と、20~40重量%のビスマレイミド樹脂とを含む。
上記の技術的課題を解決するために、本発明が採用するもう一つの技術的手段は、プリプレグを提供することである。プリプレグは、前記熱硬化性樹脂材料で形成される。
上記の技術的課題を解決するために、本発明が採用するもう一つの技術的手段は、金属基板を提供することである。金属基板は、基材層と、基材層に設けられた金属層とを備え、なかでも、基材層は、前記プリプレグで製造された。
一つの実施形態において、金属基板のガラス転移温度は、250~280℃である。
一つの実施形態において、金属基板の比誘電率は、3.35~3.80である。
一つの実施形態において、金属基板の誘電正接は、0.0044以下である。
一つの実施形態において、金属基板の剥離強度は、5.0~6.0lb/inである。
本発明の有利な効果として、本発明に係る熱硬化性樹脂材料、プリプレグ及び金属基板は、「無機フィラーは、表面改質を行うことにより、アクリル基及びビニール基の中の少なくとも1つを含む」又は「熱硬化性樹脂材料は、シランカップリング剤を含み、シランカップリング剤は、メタクリルシラン及びアクリルシランの中の少なく1つを含む」といった技術特徴により、金属基板の耐熱性及び誘電特性を向上させる。
本発明に係る金属基板の側面模式図である。
本発明の特徴及び技術内容がより一層分かるように、以下の本発明に関する詳細な説明と添付図面を参照されたい。しかし、提供される添付図面は参考と説明のために提供するものに過ぎず、本発明の請求の範囲を制限するためのものではない。
以下、所定の具体的な実施態様によって「熱硬化性樹脂材料、プリプレグ及び金属基板」を説明し、当業者は、本明細書に開示された内容に基づいて本発明の利点と効果を理解することができる。本発明は、他の異なる具体的な実施態様によって実行または適用でき、本明細書における各細部についても、異なる観点と用途に基づいて、本発明の構想から逸脱しない限り、各種の修正と変更を行うことができる。また、事前に説明するように、本発明の添付図面は、簡単な模式的説明であり、実際のサイズに基づいて描かれたものではない。以下の実施形態に基づいて本発明に係る技術内容を更に詳細に説明するが、開示される内容によって本発明の保護範囲を制限することはない。また、本明細書において使用される「または」という用語は、実際の状況に応じて、関連して挙げられる項目におけるいずれか1つまたは複数の組み合わせを含むことがある。
従来の熱硬化性樹脂材料の耐熱性不良及び誘電特性が高い問題を解決するために、本発明は、熱硬化性樹脂材料を提供する。熱硬化性樹脂材料は、樹脂組成物、無機フィラー、難燃剤、硬化剤及び硬化開始剤を含み、無機フィラー、難燃剤、硬化剤及び硬化開始剤は、樹脂組成物に均一に分散されている。注目すべきことは、本発明において、無機フィラーは、表面改質を行うことにより、アクリル基及びビニール基の中の少なくとも1つを含むか、若しくは、無機フィラーとシランカップリング剤(メタクリルシラン及びアクリルシランの中の少なくとも1つである)とを混合することで無機フィラーに表面処理を行う。
[樹脂組成物]
本発明に係る樹脂組成物は、10~30重量%のポリフェニレンエーテル樹脂と、40~60重量%のシアネート樹脂と、20~40重量%のビスマレイミド樹脂とを含む。前記比率で前記成分を添加することにより、本発明に係る樹脂組成物は、良好な耐熱性及び誘電特性を有すると共に、所望のガラス転移温度及び剥離強度を満たすことができる。
本発明のポリフェニレンエーテル樹脂の重量平均分子量(weight-average molecular weight,Mw)は、100~6000g/molであり、好ましくは、300~5000g/molであり、より好ましくは、400~2500g/molである。ポリフェニレンエーテル樹脂の重量平均分子量が上記の範囲に含まれると、溶媒に対する溶解性が高いため、熱硬化性樹脂材料の製造に有利となる。
一つの実施形態において、ポリフェニレンエーテル樹脂は、少なくとも1つの改質基を有してもよい。改質基は、水酸基、アミノ基、ビニール基、スチレン基、メタクリレート基及びエポキシ基からなる群から選択されてもよい。ポリフェニレンエーテル樹脂での改質基は、不飽和結合を提供して、架橋反応の進行が有利となり、それによって、高ガラス転移温度(glass transition temperature,Tg)且つ耐熱性が良好な材料を形成することができる。本実施形態において、ポリフェニレンエーテル樹脂の分子構造における2つの末端にはそれぞれ、改質基を有すると共に、前記2つの改質基が同一である。一つの好ましい実施形態において、ポリフェニレンエーテル樹脂での改質基は、メタクリレート基又はスチレン基である。
尚、ポリフェニレンエーテル樹脂は、複数種類のポリフェニレンエーテル樹脂を含んでもよい。例えば、本発明のポリフェニレンエーテル樹脂は、第1のポリフェニレンエーテル樹脂及び第2のポリフェニレンエーテル樹脂を含んでもよい。第1のポリフェニレンエーテル樹脂及び第2のポリフェニレンエーテル樹脂のそれぞれの分子末端に少なくとも1つの改質基を有し、改質基は、水酸基、アミノ基、ビニール基、スチレン基、メタクリレート基及びエポキシ基などの基からなる群から選択されると共に、第1のポリフェニレンエーテル樹脂の改質基は、第2のポリフェニレンエーテル樹脂の改質基と異なっている。
本発明のシアネート樹脂の重量平均分子量は、100~70000g/molであり、好ましくは、100~5000g/molであり、より好ましくは、100~3000g/molである。シアネート樹脂の25℃での粘度は、425~475mPa・sである。シアネート樹脂の分子量や粘度が上記の範囲に含まれると、樹脂組成物の架橋性が効果的に向上し、樹脂組成物全体の粘度及び加工性に悪影響を与えないので、熱硬化性樹脂材料の応用に有利となる。
一つの実施形態において、シアネート樹脂は、1種又は複数種類のシアネート基を有する化合物又はポリマーを含んでもよい。一つの好ましい実施形態において、シアネート樹脂は、平均個数が2つ以上であるシアネート基を含む。一つのより好ましい実施形態において、シアネート樹脂は対称構造であり、即ち、シアネート樹脂は、化学式:「NCO-R-OCN」で表される。例えば、ビスフェノールA型シアネートが挙げられるが、本発明はこれに制限されるものではない。
本発明のビスマレイミド樹脂の重量平均分子量は、100~1000g/molであり、好ましくは、100~800g/molであり、より好ましくは、200~500g/molである。ビスマレイミド樹脂の添加により、熱硬化性樹脂材料のガラス転移温度及び加工性を向上させることができる。
一つの実施形態において、ビスマレイミド樹脂は、ビスフェノールAを主構造をとし、マレイミドでキャップすると共に、ビスフェノールAの主構造に炭素数1~5のアルキル基をグラフトするものである。具体的に、ビスマレイミドの構造は、下式(I)で表される。
Figure 0007258982000002
その中、(I)R1、R2、R3及びR4は独立に、炭素数1~5のアルキル基である。好ましくは、R1、R2、R3及びR4は独立に、炭素数1~3のアルキル基である。一つの好ましい実施形態において、R1及びR3はメチル基であり、R2及びR4はエチル基である。ただし、本発明はこれに制限されるものではない。
[無機フィラー]
熱硬化性樹脂材料の総重量を100重量%として、無機フィラーの添加量は、40~70重量%である。無機フィラーの添加により、樹脂組成物の粘度を低減させ、樹脂組成物の機械強度を向上させ、且つ熱硬化性樹脂材料の誘電特性及び誘電正接を低減させることができる。
本発明において、無機フィラーは、予め表面改質を行うことにより、無機フィラーの表面にアクリル基及びビニール基の中の少なくとも1つを含んでもよいか、若しくは、無機フィラーとシランカップリング剤(シランカップリング剤は、メタクリルシラン及びアクリルシランの中の少なく1つを含む)とを混合することで、無機フィラーに表面処理を行うことによって、無機フィラーの表面にシラン処理層を付着させることができる。
一つの実施形態において、無機フィラーは少なくとも二酸化ケイ素を含み、更に二酸化チタンを選択的に含んでもよい。即ち、無機フィラーは、二酸化ケイ素を含んでもよく、二酸化ケイ素及び二酸化チタンを同時に含んでもよい。一つの好ましい実施形態において、無機フィラーは二酸化ケイ素及び二酸化チタンを同時に含むと共に、二酸化チタンとして、ルチル型(Rutile)二酸化チタンを使用する。
[難燃剤]
樹脂組成物の総重量100重量部に対して、難燃剤の添加量は、5~15重量部である。難燃剤の添加により、熱硬化性樹脂材料の難燃性を向上させることができる。例えば、難燃剤は、リン系難燃剤又は臭素系難燃剤であってもよい。また、リン系難燃剤として、リン酸エステル系(sulphosuccinic acid ester)、ホスファゼン系(phosphazene)、ポリリン酸アンモニウム系、ポリリン酸メラミン系(melamine polyphosphate)、シアヌル酸メラミン(melamine cyanurate)又はそれらの組み合わせであってもよいが、本発明はこれに制限されるものではない。例えば、臭素系難燃剤として、エチレンビス(テトラブロモフタルイミド)(ethylene bistetrabromophthalimide)、テトラデカブロモジフェノキシベンゼン(tetradecabromodiphenoxy benzene)、デカブロモジフェノキシオキシド(decabromo diphenoxy oxide)又はそれらの組み合わせであってもよいが、本発明はこれに制限されるものではない。
[硬化剤及び硬化開始剤]
樹脂組成物の総重量100重量部に対して、硬化剤の添加量は、0.05~1.5重量部であり、硬化開始剤の添加量は、0.05~1.5重量部である。硬化剤及び硬化開始剤の添加により、熱硬化性樹脂材料の硬化を促進させることができる。
硬化剤として、イミダゾール系化合物であってもよく、例えば、トリフェニルイミダゾール(triphenylimidazole)、2-エチル-4-メチルイミダゾール(2-ethyl-4-methylimidazole,2E4MZ)、1-ベンジル-2-フェニルイミダゾール(1-Benzyl-2-phenylimidazole,1B2PZ)、1-シアノエチル-2-フェニルイミダゾール(1-cyanoethyl-2-phenylimidazole,2PZ-CN)及び2,3-ジヒドロ-1H-ピロロ[1,2-a]ベンズイミダゾール(2,3-dihydro-1H-pyrrole[1,2-a]benzimidazole,TBZ)が挙げられるが、本発明はこれに制限されるものではない。
硬化開始剤として、過酸化物であってもよく、例えば、tert-ブチルクミルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド(Dicumyl Peroxide,DCP)、過酸化ベンゾイル(benzoyl Peroxide,BPO)、2,5-ジメチル-2,5-ビス(tert-ブチルパーオキシ)ヘキサン(2,5-dimethyl-2,5-di(tert-butylperoxy)hexane)、2,5-ジメチル-2,5-ビス(tert-ブチルパーオキシ)ヘキシン(2,5-dimethyl-2,5-di(tert-butylperoxy)hexyne)、1,1-ビス(tert-ブチルジオキシ)-3,3,5-トリメチルシクロヘキサン(1,1-di(tert-butylperoxy)-3,3,5-trimethylcyclohexane)、ジ(t-ブチルパーオキシイソプロピル)ベンゼン(di(tert-butylperoxyisopropyl)benzene)が挙げられるが、本発明はこれに制限されるものではない。
本発明において、プリプレグを提供する。プリプレグの製造方法は、前記熱硬化性樹脂材料を製造することと、熱硬化性樹脂材料を用いて含浸液を作成することと、繊維布に含浸液を含浸させることと、含浸された繊維布を取り出して乾燥成形によりプリプレグを得ることと、を含む。例えば、繊維布は、ガラス繊維、炭素繊維、ケルバーファイバー(Kelvar(登録商標) Fiber)、ポリエステル繊維、石英繊維又はそれらの組み合わせで製造されてもよいが、本発明はこれに制限されるものではない。
図1に示すように、本発明において、基材層10と基材層10に設けられた金属層20とを備える、金属基板1を提供する。基材層10は、前記プリプレグから加工処理で製造される。金属層20は、金属箔を基材層10に設置し、ホットプレスを行って形成されたものである。具体的に説明すると、ホットプレスでのホットプレス温度は、180~260℃であり、圧力は、15~55kg/cm2であり、ホットプレス時間は、2~4時間である。しかしながら、上述した例はあくまでも一つの実施形態に過ぎなく、本発明はこれに制限されるものではない。
本発明に係る熱硬化性樹脂材料が良好な耐熱性及び誘電特性を有することを証明するために、表1-1及び表1-2に記載された含有比率で樹脂組成物を調製し、無機フィラー、難燃剤、硬化剤及び硬化開始剤を樹脂組成物に均一に分散することによって、熱硬化性樹脂材料を製造した。次に、前記ステップに沿って熱硬化性樹脂材料で基材層10を形成すると共に、基材層10に金属層20を設置することにより、金属基板1を製造した。
表1-1に示すように、ポリフェニレンエーテル樹脂1は、2つの末端にある改質基がスチレン基であるポリフェニレンエーテル樹脂であり、ポリフェニレンエーテル樹脂2は、2つの末端にある改質基がメタクリレート基であるポリフェニレンエーテル樹脂である。シアネート樹脂は、フェノール型シアネートである。ビスマレイミド樹脂1の構造式は、下式(II)で表され、ビスマレイミド樹脂2の構造式は、下式(III)で表され、ビスマレイミド樹脂3の構造式は、下式(IV)で表される。
Figure 0007258982000003
Figure 0007258982000004
Figure 0007258982000005
Figure 0007258982000006
Figure 0007258982000007
表1-2によると、本発明に係る熱硬化性樹脂材料は、良好な耐熱性、低い比誘電率と誘電正接を有すると共に、ある程度のガラス転移温度及び剥離強度を維持することができる。具体的に説明すると、金属基板のガラス転移温度は、250~280℃であり、金属基板の比誘電率は、3.35~3.80であり、金属基板の誘電正接は、0.0044以下であり、金属基板の剥離強度は、5.0~6.0lb/inである。
更に説明すると、実験例1~3及び6において、無機フィラーとシランカップリング剤とを混合することで、無機フィラーに表面処理を行い、それによって、無機フィラーの表面にシラン層を付着させることができる。実験例4及び5において、表面改質を行った無機フィラーを使用するため、無機フィラーの表面にアクリル基又はビニール基を有する。即ち、本発明に係る表面処理又は表面改質を行った無機フィラーにより、熱硬化性樹脂材料で製造された金属基板に耐熱性及び良好な誘電特性を両立させることができる。
実験例1と実験例7、8とを比較すると、ビスマレイミド樹脂2又はビスマレイミド樹脂3を添加することに比べて、ビスマレイミド樹脂1を添加した本発明は、金属基板のガラス転移温度を向上させ、金属基板の誘電正接を低減させると共に、金属基板の剥離強度を向上させることができる。
実験例3と実験例9とを比較すると、アナターゼ型二酸化チタンを使用することに比べて、ルチル型二酸化チタンを使用した本発明は、金属基板のガラス転移温度を向上させ、金属基板の誘電正接を低減させると共に、金属基板の剥離強度を向上させることができる。
実験例1、6と実験例10、11とを比較すると、ビニール基シラン又はエポキシ基シランで無機フィラーに表面処理を行うことより、アクリルシラン又はメタクリルシランで無機フィラーに表面処理を行った本発明は、金属基板のガラス転移温度を向上させ、誘電正接を低減させることができる。
[実施形態による有利な効果]
本発明の有利な効果として、本発明に係る熱硬化性樹脂材料、プリプレグ及び金属基板は、「前記無機フィラーは、表面改質を行うことにより、アクリル基及びビニール基の中の少なくとも1つを含む」又は「熱硬化性樹脂材料は、シランカップリング剤を含み、前記シランカップリング剤は、メタクリルシラン及びアクリルシランの中の少なく1つを含む」といった技術特徴により、金属基板の耐熱性及び誘電特性を向上させることができる。
更に説明すると、本発明に係る熱硬化性樹脂材料、プリプレグ及び金属基板は、「前記二酸化チタンは、ルチル型二酸化チタンである」といった技術特徴により、金属基板のガラス転移温度を向上させ、誘電正接を低減させると共に剥離強度を向上させることができる。
更に説明すると、本発明に係る熱硬化性樹脂材料、プリプレグ及び金属基板は、「前記ビスマレイミド樹脂の構造は、下式(I)で表される」といった技術特徴により、金属基板のガラス転移温度を向上させ、誘電正接を低減させると共に、剥離強度を向上させることができる。
Figure 0007258982000008
以上に開示された内容は、ただ本発明の好ましい実行可能な実施態様であり、本発明の請求の範囲はこれに制限されない。そのため、本発明の明細書及び図面内容を利用して成される全ての等価な技術変更は、いずれも本発明の請求の範囲に含まれる。
1…金属基板
10…基材層
20…金属層

Claims (12)

  1. 樹脂組成物及び改質された無機フィラーを含み、
    前記樹脂組成物は、
    10~30重量%のポリフェニレンエーテル樹脂と、
    40~60重量%のシアネート樹脂と、
    20~40重量%のビスマレイミド樹脂とを含み、
    前記改質された無機フィラーは、表面改質を行うことにより、アクリル基、メタクリレート基及びビニール基の中の少なくとも1つを含み、
    前記ビスマレイミド樹脂の構造は、下式(I)で表され、
    Figure 0007258982000009
    その中、R1、R2、R3及びR4は独立に、炭素数1~5のアルキル基であり、
    前記改質された無機フィラーは、二酸化ケイ素、又は二酸化ケイ素とルチル型二酸化チタンである二酸化チタンとの組み合わせを含み、
    前記ポリフェニレンエーテル樹脂は、少なくとも1つの改質基を有し、前記改質基は、ビニール基、スチレン基及びメタクリレート基からなる群から選択され、
    前記シアネート樹脂は、平均個数が2つ以上であるシアネート基を含む、ことを特徴とする熱硬化性樹脂材料。
  2. 前記熱硬化性樹脂材料の総重量を100重量%として、前記改質された無機フィラーの添加量は、40~70重量%である、請求項1に記載の熱硬化性樹脂材料。
  3. 1及びR3はメチル基であり、R2及びR4はエチル基である、請求項1に記載の熱硬化性樹脂材料。
  4. 樹脂組成物、未改質の無機フィラー、及びシランカップリング剤を含み、
    前記シランカップリング剤は、メタクリルシラン及びアクリルシランの中の少なく1つを含み、
    前記樹脂組成物は、
    10~30重量%のポリフェニレンエーテル樹脂と、
    40~60重量%のシアネート樹脂と、
    20~40重量%のビスマレイミド樹脂とを含み、
    前記ビスマレイミド樹脂の構造は、下式(I)で表され、
    Figure 0007258982000010
    その中、R1、R2、R3及びR4は独立に、炭素数1~5のアルキル基であり、
    前記未改質の無機フィラーは、二酸化ケイ素、又は二酸化ケイ素とルチル型二酸化チタンである二酸化チタンとの組み合わせを含み、
    前記ポリフェニレンエーテル樹脂は、少なくとも1つの改質基を有し、前記改質基は、ビニール基、スチレン基及びメタクリレート基からなる群から選択され、
    前記シアネート樹脂は、平均個数が2つ以上であるシアネート基を含む、ことを特徴とする熱硬化性樹脂材料。
  5. 前記熱硬化性樹脂材料の総重量を100重量%として、前記未改質の無機フィラーの添加量は、40~70重量%である、請求項4に記載の熱硬化性樹脂材料。
  6. 1及びR3はメチル基であり、R2及びR4はエチル基である、請求項4に記載の熱硬化性樹脂材料。
  7. 補強材料に請求項1~6のいずれか一項に記載の熱硬化性樹脂材料を含浸させて形成された、ことを特徴とするプリプレグ。
  8. 基材層と、前記基材層に設けられた金属層とを備え、
    前記基材層は、請求項7に記載のプリプレグで製造された、ことを特徴とする金属基板。
  9. ガラス転移温度は、250~280℃である、請求項8に記載の金属基板。
  10. 比誘電率は、3.35~3.80である、請求項8に記載の金属基板。
  11. 誘電正接は、0.0044以下である、請求項8に記載の金属基板。
  12. 剥離強度は、5.0~6.0lb/inである、請求項8に記載の金属基板。
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