JP7463845B2 - フェノキシ樹脂およびその用途 - Google Patents
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Description
また、特許文献9には、所定の一般式で表されるビフェニル型エポキシ樹脂を含む封止用樹脂組成物が記載されている。
特許文献8に記載のビスフェノールA型エポキシ樹脂において、熱伝導性の点で改善の余地があった。なお、特許文献9には熱伝導性について記載されていない。
下記一般式(1)で表される繰り返し単位を含む、フェノキシ樹脂が提供される。
Q1~Q4はそれぞれ独立して、水素原子、炭素数1~6のアルキル基、または炭素数1~6のアルコキシ基を示す。
mは0または1である。*は結合手を示す。
X1およびX2は、水素原子または下記一般式(2)で表される基であり、X1およびX2の少なくとも一方は下記一般式(2)で表される基である。
R5~R7は、それぞれ独立に、炭素数1~3のアルコキシ基または炭素数1~3のアルキル基を示し、少なくとも1つは炭素数1~3のアルコキシ基である。))
前記フェノキシ樹脂と、
エポキシ樹脂と、
熱硬化性樹脂(前記フェノキシ樹脂および前記エポキシ樹脂を除く)と、
を含む熱硬化性樹脂組成物が提供される。
前記熱硬化性樹脂組成物の硬化物により半導体素子が封止された半導体装置が提供される。
下記一般式(a):
で表される2官能エポキシ化合物(a)と、一般式(b):
で表される2官能フェノール化合物(b)と、を反応させ、下記一般式(c)
で表される繰り返し単位を含むフェノキシ樹脂(c)を合成する工程と、
フェノキシ樹脂(c)と下記一般式(d)
で表されるイソシアネート化合物(d)と、を溶融混合して、前記一般式(1)で表される繰り返し単位を含むフェノキシ樹脂(A)を得る工程と、
を含む、フェノキシ樹脂の製造方法、が提供される。
本実施形態のフェノキシ樹脂(A)は、下記一般式(1)で表される繰り返し単位を含む。当該構造を備えることにより、フェノキシ樹脂(A)は熱伝導性に優れる。
Q1~Q4は、本発明の効果の観点から、水素原子または炭素数1~6のアルキル基が好ましく、水素原子または炭素数1~3のアルキル基がより好ましく、水素原子が特に好ましい。
mは0または1である。*は結合手を示す。
Zは、本発明の効果の観点から、炭素数2~8のアルキレン基が好ましく、炭素数2~5のアルキレン基がより好ましく、炭素数2~3のアルキレン基が特に好ましい。
R5~R7は、本発明の効果の観点から、少なくとも2つは炭素数1~3のアルコキシ基であることが好ましく、いずれも炭素数1~3のアルコキシ基であることがより好ましい。
X1およびX2がいずれも一般式(2)で表される基である繰り返し単位a、および
X1およびX2が一般式(2)で表される基と水素原子の組み合わせである繰り返し単位b、から選択される少なくとも1種を含むことができる。
また、本実施形態のフェノキシ樹脂(A)は、X1およびX2がいずれも水素原子である繰り返し単位cを含んでいてもよい。
本実施形態のフェノキシ樹脂(A)は、例えば下記一般式(1a)で表すことができる。
nは平均値で1以上50以下の数であり、好ましくは2以上30以下の数である。
X3、X4は、グリシジルエーテル基または下記一般式(5)で表される基を示す。
Mwを上記範囲とすることで、フェノキシ樹脂の熱伝導性および流動性をより向上させることができる。
東ソー(株)社製ゲルパーミエーションクロマトグラフィー装置HLC-8320GPC
カラム:東ソー(株)社製TSK-GEL GMH、G2000H、SuperHM-M
検出器:液体クロマトグラム用RI検出器
測定温度:40℃
溶媒:THF
試料濃度:2.0mg/ミリリットル
本実施形態の一般式(1)で表される繰り返し単位を有するフェノキシ樹脂(A)の製造方法は、以下の反応式に示される下記の工程(a)および工程(b)を含む。
工程(b):得られたフェノキシ樹脂(c)と一般式(d)で表されるイソシアネート化合物(d)と、を溶融混合して反応させて一般式(1)で表される繰り返し単位を有するフェノキシ樹脂(A)(変性フェノキシ樹脂(A))を合成する。
上記の反応は、無溶媒下または反応溶媒の存在下に、反応触媒を用いて行うことができる。
当該工程は、具体的には、一般式(a)で表される2官能エポキシ化合物(a)と、一般式(b)で表される2官能フェノール化合物(b)と、反応触媒と、必要に応じて反応溶媒とを添加し、攪拌下に溶融混合して、一般式(c)で表される繰り返し単位を有するフェノキシ樹脂(c)を合成することができる。溶融混合する際の加熱温度は90~150℃程度、混合時間は30分間~5時間程度、反応圧力は常圧で行われる。
反応溶媒を用いることで初期の粘度を低減させることができ、モノマーの反応性が向上する。
当該工程は、具体的には、フェノキシ樹脂(c)を含む反応溶液に、一般式(d)で表されるイソシアネート化合物(d)を添加し、これらを溶融混合して反応させて一般式(1)で表される繰り返し単位を有するフェノキシ樹脂(A)を合成する。
混合時間は1時間~10時間程度である。加熱温度および反応圧力は工程(a)と同様ある。
X1およびX2がいずれも一般式(2)で表される基である繰り返し単位a、および
X1およびX2が一般式(2)で表される基と水素原子の組み合わせである繰り返し単位b、
から選択される少なくとも1種を含むことができる。
また、本実施形態のフェノキシ樹脂(A)は、X1およびX2がいずれも水素原子である繰り返し単位cを含んでいてもよい。
本実施形態のフェノキシ樹脂(A)において、X3およびX4はグリシジルエーテル基または一般式(5)で表される基を示し、少なくとも一部は一般式(5)で表される基である。
以上の合成方法により本実施形態の一般式(1)のフェノキシ樹脂(A)を得ることができる。
本明細書中、フェノキシ樹脂は、イオン性不純物や、低分子量成分等の不純物を含み、溶剤は含まないものと定義することができる。
前記イオン性不純物としては、加水分解性クロルを含むことができる。
加水分解性クロル濃度は、例えば、以下のように測定することができる。
本実施形態のフェノキシ樹脂に含まれる低分子量成分は、重量平均分子量Mwが1,000以下の成分である。
さらに、フェノキシ樹脂の融点や溶融粘度は、フェノキシ樹脂(A)の分子量および低分子量成分の量により調整することができる。
本実施形態の熱硬化性樹脂組成物は、上述のフェノキシ樹脂(A)またはフェノキシ樹脂組成物と、エポキシ樹脂と、熱硬化性樹脂(前記フェノキシ樹脂および前記エポキシ樹脂を除く)と、を含む。
上記熱硬化性樹脂組成物は、フェノキシ樹脂(A)およびエポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂を含んでもよい。
上記硬化剤としては、熱硬化性樹脂の種類に応じて選択され、これと反応するものであれば特に限定されない。
上記硬化剤としては、フェノール樹脂系硬化剤、アミン系硬化剤、酸無水物系硬化剤、メルカプタン系硬化剤等を挙げることができる。これらを単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
上記硬化促進剤の種類や配合量は特に限定されないが、反応速度や反応温度、保管性などの観点から、適切なものを選択することができる。
上記硬化促進剤としては、例えば、イミダゾール類、有機リン化合物、3級アミン類、フェノール化合物、有機酸等が挙げられる。これらを単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。この中でも、耐熱性を高める観点から、イミダゾール類などの窒素原子含有化合物を用いることが好ましい。
なお、「被覆」とは、無機粒子の表面全体をフェノキシ樹脂(A)で覆う場合だけでなく、その表面の一部に付着している状態も含む。
上記熱硬化性樹脂組成物は、シランカップリング剤を含んでもよい。
本実施形態の半導体装置は、熱硬化性樹脂組成物の硬化物により半導体素子等が封止されたものである。フェノキシ樹脂(A)は半導体素子や基板等の表面に強固に密着し、さらにフィラーや樹脂成分とのなじみに優れ熱伝導性にも優れることから、半導体素子や基板等の熱を好適に放熱することができる。
図1は本実施形態に係る半導体装置100の一例を示す断面図である。ここで、基材30は、例えば、リードフレームである。
なお、半導体素子20は、基材30が備えるダイパッド32の上にダイアタッチ材10を介して固定されてもよい。
ここで、基材30は、例えば、インターポーザである。基材30において、半導体素子20が固定される面と反対の面には、例えば、複数の半田ボール52が形成される。
本実施形態の熱伝導性樹脂シートは、キャリア基材と、キャリア基材上に設けられた、本実施形態の熱硬化性樹脂組成物からなる樹脂層と、を備えるものである。本実施形態のフェノキシ樹脂(A)はキャリア基材の表面に強固に密着し、さらに樹脂成分やフィラーとのなじみに優れるとともに熱伝導性にも優れることから、キャリア基材等の熱を好適に放熱することができる。
本実施形態の熱硬化性樹脂組成物を熱伝導性樹脂シートの樹脂層として用いる場合、熱硬化性樹脂組成物の製造方法として、例えば、次のような方法がある。
本実施形態の樹脂基板は、上記熱硬化性樹脂組成物の硬化物で構成された絶縁層を備えるものである。この樹脂基板は、例えば、LED、パワーモジュールなどの電子部品を搭載するためのプリント基板の材料として用いることができる。
本実施形態の一例として、金属ベース基板60について図3に基づいて説明する。
図3は、金属ベース基板60の構成の一例を示す断面図である。
金属層90の厚みの下限は、例えば、0.01mm以上であり、好ましくは0.035mm以上であれば、高電流を要する用途に適用できる。
金属基板70の厚さは、本発明の目的が損なわれない限り、適宜設定できる。
(エポキシ化合物)
・YX4000:下記化学式で表されるテトラメチルビフェニル型エポキシ樹脂(2官能エポキシ化合物、メソゲン構造あり、三菱ケミカル社製、YX4000)
・HQHBA:下記化学式で表されるエステル基含有ビスフェノール(HQHBA、2官能フェノール化合物、メソゲン構造あり、上野製薬社製)
<フェノキシ樹脂(c-1)の合成>
エポキシ化合物(YX4000)69.2重量部、フェノール化合物(HQHBA)24.9重量部、およびトリフェニルホスフィン(TPP)0.1重量部を反応器に投下し、150℃で1時間溶融混合して反応させた。GPCで目的の分子量となることを確認し、下記化学式で表されるフェノキシ樹脂(c-1)(繰り返し単位数nの平均値は4.4)を得られたことを確認した。
・東ソー(株)社製ゲルパーミエーションクロマトグラフィー装置HLC-8320GPC
・カラム:東ソー(株)社製TSK-GEL GMH、G2000H、SuperHM-M
・検出器:液体クロマトグラム用RI検出器
・測定温度:40℃
・溶媒:THF
・試料濃度:2.0mg/ミリリットル
フェノキシ樹脂(c-1)を含む溶融混合物に、3-イソシアナトプロピルトリエトキシシランを5.8重量部加え、さらに7時間反応を継続した。反応後、得られた溶融樹脂を室温まで冷却した。冷却後、粉砕して褐色固体の下記化学式で表される変性フェノキシ樹脂(A)(化学式中の繰り返し単位数nの平均値は8.3)を100重量部得た。
得られた変性フェノキシ樹脂(A-1)分子量はポリスチレン屈折率換算で4500mol/g、エポキシ当量は534g/eqであった。
δ[ppm](400MHz,DMSO-d6):
8.1(1H,d,8.8Hz,Ar-H),7.2(7H,m,Ar-H),5.4(1H,m,CH2-CH(OH)-CH2),4.2-3.5(7H,m,O-CH2-CH,O-CH2-CH,Si-OCH2,OCH2CHCH2),2.8(1H,m,OCH2CH),2.7(1H,m,OCH2CH),2.3(12H,s,CH3),1.7(0.1H,m,SiCH2CH2CH2),1.4(0.1,m,SiCH2CH2),1.1(0.6H,m,SiOCH2CH3),0.5(0.1H,m,SiCH2)
<フェノキシ樹脂(c-2)の合成>
エポキシ化合物(4,4'-ビフェニルジグリシジルエーテル)81.1重量部、フェノール化合物(ハイドロキノン)14.5重量部、トリフェニルホスフィン(東京化成社製)0.1重量部を反応器に投下し、150℃で1時間溶融混合して反応させた。GPCで目的の分子量となることを確認し、下記化学式で表されるフェノキシ樹脂(c-2)(繰り返し単位数nの平均値は3.8)を得られたことを確認した。
フェノキシ樹脂(c-2)を含む溶融混合物に、3-イソシアナトプロピルトリエトキシシランを4.3重量部加え、さらに7時間反応を継続した。反応後、得られた溶融樹脂を室温まで冷却した。冷却後、粉砕して白色固体の下記化学式で表される変性フェノキシ樹脂(A-2)(化学式中の繰り返し単位数nの平均値は13.2)を100重量部得た。
得られた変性フェノキシ樹脂(A-2)の分子量はポリスチレン屈折率換算で5600mol/g、エポキシ当量は562g/eqであった。
7.5(8H,m,Ar-H),7.0(8H,m,Ar-H),6.9(4H,m,Ar-H),5.4(3H,m,CH2-CH(OH)-CH2),5.4-3.7(27H,m,CH2-CH-O-CH2,CH2-CH-O,Si-OCH2),2.8-2.6(4H,m,CH2OCHCH2),1.7(0.1H,m,CH2CH2CH2Si),1.4(0.1H,m,CH2CH2Si),1.1(0.6H,m,SiOCH2CH3),0.5(0.1H,m,SiCH2)
・エポキシ樹脂:ビフェニル型エポキシ樹脂(YX-4000K、三菱化学社製)
・フェノール硬化剤1:以下構造のノボラック型フェノール樹脂、重量平均分子量500(ポリスチレン換算))
・フィラー1(未処理):アルミナフィラー(DAB-30FC、デンカ株式会社製、平均粒径13μm)
・アミン系カップリング剤:CF-4083(N-フェニル-γ-アミノプロピルトリメトキシシラン、東レ・ダウコーニング社製)
・硬化触媒:PP―360(ケイ・アイ化成社製)
・硬化遅延剤:2,3-ジヒドロキシナフタレン(エア・ウォーター株式会社製)
・離型剤:合成ワックス(WE-4、クラリアントケミカルズ株式会社製)
・着色剤:カーボンブラック(カーボン#5、三菱ケミカル社製)
・低応力剤:シリコーン(FZ-3730、東レ・ダウコーニング社製)
・シリカ微粉:DAW-02、デンカ社製、平均粒径2.7μm)
<処理フィラーAの調製>
フィラー1(アルミナフィラー)を68.9重量部、エタノールを31重量部、実施例1で得られた変性フェノキシ樹脂(A-1)を0.05重量部はかり取り、12時間攪拌し分散させた。撹拌後、溶媒を留去し、120℃/3時間で加熱乾燥を行い、処理フィラーAを得た。
表1に記載された各種原料を所定重量はかりとり、温度 80℃で20分間溶融混練した後、室温に戻し、得られた固形物を粉砕して複合材パウダー(熱硬化性樹脂組成物)を作製した。得られた複合材パウダーを用いて以下の方法で物性を測定した。結果を表1に示す。
実施例および比較例の複合材パウダーを用いてスパイラルフロー試験を行った。
試験は、低圧トランスファー成形機(コータキ精機(株)製「KTS-15」)を用いて、EMMI-1-66に準じたスパイラルフロー測定用の金型に、金型温度175℃、注入圧力6.9MPa、硬化時間120秒の条件で複合材パウダーを注入し、流動長を測定することにより行った。数値が大きいほど、流動性が良好であることを示す。
175℃に設定されたホットプレート上に、粉体状の複合材パウダーを置いた。複合材パウダーが溶融した後、ヘラで練りながら、硬化するまでの時間(ヘラで練ることができなくなるまでの時間)を測定した。この硬化時間がある程度短いことは、成形性に優れることを意味する。結果を表1に示す。
実施例および比較例の複合材パウダーを180℃/2MPa/15分間で圧縮成形した後、オーブンにて180℃/3時間加熱処理を行い、硬化物を作製した。得られた硬化物を直径10mm×厚さ1mmに加工し、熱拡散率測定サンプルとして用いた。
ULVAC社製のXeフラッシュアナライザーTD-1RTVを用いて、非定常法により板状の熱拡散率測定サンプルの厚み方向の熱拡散係数(α)の測定を行った。測定は、大気雰囲気下、25℃の条件下で行った。
熱拡散率測定サンプルについて、得られた熱拡散係数(α)、比熱(Cp)、比重(SP)の測定値から、下記式に基づいて熱伝導率を算出した。結果を表1に示す。
熱伝導率[W/m・K]=α[m2/s]×Cp[J/kg・K]×Sp[g/cm3]
変性フェノキシ樹脂(A-1)の量を0.1重量部とした以外は実施例3と同様にして処理フィラーBおよび熱硬化性樹脂組成物の調製し、物性を測定した。
変性フェノキシ樹脂(A-1)の量を0.2重量部とした以外は実施例3と同様にして処理フィラーCおよび熱硬化性樹脂組成物の調製し、物性を測定した。
変性フェノキシ樹脂(A-1)の量を0.25重量部とした以外は実施例3と同様にして処理フィラーDおよび熱硬化性樹脂組成物の調製し、物性を測定した。
変性フェノキシ樹脂(A-1)0.05重量部に変えて、変性フェノキシ樹脂(A-2)0.2重量部用いた以外は実施例3と同様にして処理フィラーFおよび熱硬化性樹脂組成物の調製し、物性を測定した。
また、実施例の熱硬化性樹脂組成物は、流動性に優れるとともに硬化時間が比較的短く生産性が改善されていた。言い換えれば、実施例の熱硬化性樹脂組成物はこれらの特性のバランスに優れていた。
10 ダイアタッチ材
20 半導体素子
22 電極パッド
30 基材
32 ダイパッド
34 アウターリード
40 ボンディングワイヤ
50 封止部材
52 半田ボール
60 金属ベース基板
70 金属基板
80 絶縁層
90 金属層
Claims (10)
- 下記一般式(1)で表される繰り返し単位を含む、フェノキシ樹脂。
Q1~Q4はそれぞれ独立して、水素原子、炭素数1~6のアルキル基、または炭素数1~6のアルコキシ基を示す。
mは0または1である。*は結合手を示す。
X1およびX2は、水素原子または下記一般式(2)で表される基であり、X1およびX2の少なくとも一方は下記一般式(2)で表される基である。
R5~R7は、それぞれ独立に、炭素数1~3のアルコキシ基または炭素数1~3のアルキル基を示し、少なくとも1つは炭素数1~3のアルコキシ基である。)) - 重量平均分子量が2,000以上30,000以下である、請求項1に記載のフェノキシ樹脂。
- エポキシ当量が300g/eq以上6,000g/eq以下である、請求項1~3のいずれかに記載のフェノキシ樹脂。
- 請求項1~4のいずれかに記載のフェノキシ樹脂と、
エポキシ樹脂と、
熱硬化性樹脂(前記フェノキシ樹脂および前記エポキシ樹脂を除く)と、
を含む熱硬化性樹脂組成物。 - さらに無機粒子を含む、請求項5に記載の熱硬化性樹脂組成物。
- 顆粒またはタブレット形状である、請求項5または6に記載の熱硬化性樹脂組成物。
- 請求項5~7のいずれかに記載の熱硬化性樹脂組成物の硬化物により半導体素子が封止された半導体装置。
- 下記一般式(a):
で表される2官能エポキシ化合物(a)と、下記一般式(b):
で表される2官能フェノール化合物(b)と、を反応させ、下記一般式(c)
で表される繰り返し単位を含むフェノキシ樹脂(c)を合成する工程と、
フェノキシ樹脂(c)と下記一般式(d)
で表されるイソシアネート化合物(d)と、を溶融混合して、下記一般式(1)で表される繰り返し単位を含むフェノキシ樹脂(A)を得る工程と、
を含む、フェノキシ樹脂の製造方法。
X1およびX2は、水素原子または下記一般式(2)で表される基であり、X1およびX2の少なくとも一方は下記一般式(2)で表される基である。
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