WO2002026626A1 - Silice sphérique non poreuse et procédé de production - Google Patents

Silice sphérique non poreuse et procédé de production Download PDF

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silica gel
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Yasuhiro Unehara
Masashi Nishida
Teruo Miyakawa
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Mitsubishi Rayon Co., Ltd.
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Definitions

  • Non-porous spherical silica and method for producing the same
  • the present invention relates to non-porous spherical silica and a method for producing the same. More specifically, non-porous materials with extremely low trim content suitable for fillers for IC encapsulating resin compositions, substrates, electronic materials and semiconductor manufacturing equipment, raw materials for high-purity silica glass, quartz glass, optical glass, etc.
  • the present invention relates to a method for producing a crystalline spherical silica.
  • the present invention relates to a non-porous spherical silica having excellent fluidity during resin mixing and excellent permeability into narrow gaps, and a method for producing the same, as an underfill filler for flip chips.
  • the thixotropy ratio is generally used to measure the viscosity at different rotational speeds using a rotational viscometer such as a B-type viscometer, and divide the numerical value at low rotational speed by the numerical value at high rotational speed.
  • a rotational viscometer such as a B-type viscometer
  • Epoxy resins and silicone resins are particularly useful as resins, and among them, non-porous spherical silica which exhibits a low thixotropy ratio when mixed with bisphenol A type liquid epoxy resin has been desired.
  • the maximum particle size is 45 / zm
  • the average particle size is 2 ⁇ 10 ⁇ 111
  • the specific surface area of the particles is Swl A fused spherical silica characterized by a ratio of SwlZSw2 to the theoretical specific surface area Sw2 of 1.0 to 2.5 and a smooth particle surface (JP-A-2000-7319);
  • the maximum particle size is 24 ⁇
  • the average particle size is 1.7 ⁇ 7 ⁇
  • the ratio of particles of 3 ⁇ m or less to the total particles XI is 100 / D50% by weight or more and has a particle size distribution of (18 + 100ZD50) or less.
  • Fine spherical silica characterized by the following (JP-A-2000-63030)
  • non-porous spherical silica is fused spherical silica, and even if the surface fine powder is melted, the particle surface is also dissolved.As a result, irregularities on the particle surface and silanol groups on the surface remain. I will. Therefore, the expected fluidity during resin mixing cannot be obtained.
  • the non-porous spherical silica of 2) is also substantially a fused spherical silica, and the fine powder adheres to the surface. Also, even if the fine powder is dissolved in the same manner as in the method 1), the expected fluidity cannot be obtained for the same reason as described above.
  • the non-porous spherical silicas 1) and 2) show a low thixotropy ratio at 5 to 10 rpm measured by a viscometer, but tend to increase in viscosity at low rotational speeds (thixotropic ratio increases).
  • the particles obtained by the method 1) dissolve the surface of the target particles when dissolving the fine powder on the surface with an alkaline or hydrofluoric acid, resulting in a rough surface, and as a result, the specific surface area is the theoretical value. Despite being close to, fluidity during resin mixing does not increase. In addition, since the target particles are dissolved at the same time as dissolving the fine powder on the surface, the yield is low and there is a problem in productivity.
  • sol-like particles are generated by the hydrolysis-condensation polymerization reaction of silicon alkoxide, and the particles are grown further.They are spherical silica gel formed from relatively large primary particles, and are sintered by heat treatment. Even after non-perforation, traces remain, and the fluidity does not increase despite the specific surface area being close to the theoretical value.
  • the sol-like solution obtained by hydrolyzing the silicon alkoxide is allowed to grow particles, and the obtained spherical silica gel is made nonporous with a flame.
  • the treatment temperature is 1500 ° C, which is below the melting point, As a result, only spherical silica obtained by the method 2) can be obtained.
  • the spherical silica particles obtained by the methods 2) and 3) shrink greatly when fired, causing irregularities on the surface, resulting in particles having poor surface smoothness.
  • a decrease in surface smoothness is not preferable because it causes a decrease in fluidity.
  • the raw materials used are expensive, and wastewater containing organic matter derived from the raw materials is generated. And '
  • the method 4) produces spherical silica particles with excellent sphericity and fluidity.However, since some of the particles are solidified during firing, the average particle size is the same as in methods 1), 2) and 3). The particles contained more than four times the diameter.
  • mechanical classification methods include a screen method and a gas flow classification method.
  • the particles with an average particle size of about 0.1 to 20 ⁇ ra are used until the maximum particle size becomes 4 times or less of the average particle size. It was extremely difficult to completely classify.
  • Non-porous spherical silica that has a particle size distribution with a maximum particle size of 4 times or less of the average particle size and does not support gaps and exhibits a low thixotropy ratio when mixed with resin And an industrially advantageous method for the production thereof. Disclosure of the invention
  • the present inventors conducted studies to improve the problems in the conventional method.As a result, the emulsion containing the alkali silicate aqueous solution as a disperse phase and a mineral acid aqueous solution were mixed to form spherical silica gel, and neutralized.
  • the reaction solution containing the spherical silica gel is heated to 50 ° C or higher without separating the generated spherical silica gel, cooled, and then subjected to solid-liquid separation, which is washed with mineral acid and pure water Spheroidal hydrous silica is obtained, which is crushed after or during drying and calcined, resulting in a low thixotropic ratio at the time of resin blending due to low coarse particle content and high purity non-porous material exhibiting dilatancy.
  • the present inventors have found that a crystalline spherical silica can be obtained, and have completed the present invention. That is, the first invention of the present invention provides a non-porous spherical silica having an average particle diameter satisfying the following items of 0.1 to 20 ⁇ :
  • a second invention of the present invention provides a method for producing a non-porous spherical force including the following steps (1) to (7):
  • Water-in-oil type (W / O type) emulsion prepared in (1) is mixed with a 15-50% by weight aqueous solution of mineral acid to form a spherical solution so that the concentration of mineral acid after the reaction becomes 10% by weight or more.
  • a coagulation process that produces a sily gel
  • the third invention of the present invention provides a method for producing the nonporous spherical silica of the second invention, which further comprises using sulfuric acid as a mineral acid, and further adding nitric acid, Z or hydrochloric acid before the washing step from the coagulation step. Method. ”
  • a fourth invention of the present invention provides a method for producing a non-porous spherical force including the following steps (1) to (6):
  • a water-in-oil type in which an aqueous solution of aluminum silicate with a total content of metals other than aluminum and silicon except for Si of 0.1 mass% or less is dispersed as fine particles.
  • the fifth invention of the present invention is directed to "including crushing silica gel particles having an average particle diameter of 0.1 to 100 ⁇ using a screen having openings of 10 times or less the maximum particle diameter and then firing. And a method for producing calcined silica particles.
  • the sixth invention of the present invention is directed to "including crushing and classifying silica gel particles having an average particle size of 0.1 to 100 ⁇ using a screen having openings smaller than the maximum particle size, followed by firing. Method of producing calcined silica particles.
  • the seventh invention of the present invention has a gist of "the method for producing the calcined silica particles of the fifth or sixth invention, wherein the screen is made of a resin.”
  • the eighth invention of the present invention has a gist of "a sealing resin composition containing the non-porous spherical silica of the first invention.”
  • the average particle size is 0.1 to 20 ⁇ m
  • the maximum particle size is 4 times or less of the average particle size
  • the resin compound show an extremely low thixotropic opening peak ratio
  • One of the semiconductor devices is a non-porous spherical silica that has excellent fluidity when mixed with resin and excellent penetration into narrow gaps, as one of the underfill fillers for flip chips, which are one of the semiconductor devices.
  • the maximum particle size In order to flow into a narrow gap, the maximum particle size needs to be as small as possible. However, the smaller the average particle size, the higher the viscosity when mixed with the resin and the worse the permeability, so it is necessary to increase the average particle size as much as possible and reduce the maximum particle size.
  • the filler is selected based on the maximum particle size according to the size of the gap, but the average particle size is preferably at least one-fourth of the maximum particle size from the viewpoint of lowering the viscosity. That is, the maximum particle size is preferably four times or less the average particle size. Furthermore, if the maximum particle size is less than three times the average particle size Preferably, there is.
  • the thixotropic ratio as referred to in the present invention is a viscosity value when a nonporous spherical silica and a bisphenol A type liquid epoxy resin are mixed at a mass ratio of 70 to 30, and the viscosity value at a rotational speed of the viscometer of 0.5 rpm is used. If the viscosity value at 77 rpm and the rotational speed at 2.5 rpm is 72, this means ⁇ / ⁇ 2.
  • the bisphenol ⁇ -type liquid epoxy resin used for viscosity measurement is a mixture of bisphenol A-type liquid epoxy resin and butyl glycidyl ether (a mixture having a mass ratio of 89:11) with an epoxy equivalent of 181-191. Those having a viscosity of 9 to 12 vois at 25 ° C are used. Industrially, Equicoat 815 manufactured by Yuka Seal Epoxy Co., Ltd. corresponds to this. Viscosity measurement is preferably performed at 50 ° C. E-type viscometer (Toki Sangyo RE80R type) is used as the viscometer. When used for underfill, it is preferable to show a low thixotropy ratio, and it is preferable for ⁇ 2 to be less than 1.0.
  • the non-porous spherical silica of the present invention has an average particle size of 5 to 20; 7 1 / ⁇ 2 indicates less than 1.0.
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2 is 0.8 or less.
  • 77 ⁇ ⁇ 2 is 0.5 or less, indicating an extremely low thixotropic ratio.
  • the lower limit of the thixotropic ratio is about 0.2.
  • the non-porous spherical silica having a very low thixotropy ratio and particularly useful for underfill with a narrow gap is provided.
  • the viscosity measurement temperature can be 20 to 80 ° C. Although it depends on the equipment used, it is easy to measure around 50 ° C.
  • the filler content is particularly preferably around 70% because the higher the filler content, the greater the effect of the filler physical properties on the viscosity.
  • the non-porous spherical silica of the present invention exhibits such an extremely low thixotropy ratio, but the specific surface area is small because the particle surface contains almost no fine powder of 0.5 ⁇ or less. It is conceivable that the total area of contact with the moon is small.
  • the non-porous spherical silicon force of the present invention is a particle having a specific surface area of 1.0 to 1.5 times the theoretical value as measured by the ⁇ ⁇ method and having a high sphericity and extremely good surface smoothness. It is believed that there is.
  • the relatively narrow particle size distribution may also be the reason for the low thixotope ratio.
  • the non-porous spherical silica of the present invention has a distribution with a low coarse particle content, with a maximum particle size of 4 times or less the average particle size.
  • the variation coefficient of the particles shown is preferably 15% or more. It is not merely a narrow distribution, but a distribution that contains particles that are smaller than the average particle size to some extent but has a small content on the coarse particle side that is larger than the average particle size. It is preferable from the viewpoint of permeability to water. In other words, it can be said that the distribution shows a low thixotropy ratio and a close-packed structure can be obtained.
  • the coefficient of variation is preferably in the range of 15 to 100% because too large a coefficient of variation means containing a large amount of fine powder. More preferably, the range is 25 to 60%.
  • the coefficient of variation (Cv) of a particle is an index representing the variation in particle size, and is expressed by the formula (I) as the ratio of the standard deviation ⁇ to the average particle size d [m].
  • alkali metals such as Na, K, and Li
  • alkaline earth metals such as Ca and Mg
  • ionic impurities such as C1 cause corrosion of aluminum wiring.
  • spherical silica does not substantially contain these impurities.
  • radioactive elements are severely restricted in order to suppress the occurrence of soft errors. If the amount of radioactive element exceeds 2 ppb in silica for sealing materials, it is not preferable because it causes a soft error, and in this method, alkali metal and alkaline earth metal are practically less than lppra and the content of radioactive impurities is less than 2 ppb. Can be suppressed.
  • the radioactive elements indicate U and Th.
  • the total content of U and Th is preferably 2 ppb or less. Further, it is preferable that the total content of U and Th is lppb or less.
  • the content of these impurities can be directly measured by an appropriate analytical means, in the present invention, the silicic acid is heated and dissolved in an aqueous solution of hydrogen fluoride, and the silica content is converted to SiF 4 by gas chromatography. The residue was analyzed by ICP-MS to determine the impurity concentration. As the ICP-MS, Model PM S-2000 manufactured by Yokogawa Electric Corporation was used.
  • the maximum particle size is four times or less the average particle size, which is a particle size distribution measured by a laser diffraction / scattering method (LS-130 manufactured by Coulter).
  • the average particle size means the median diameter.
  • the specific surface area SA is used as a measure of the smoothness of the particle surface of the non-porous spherical silica.
  • the specific surface area SA of a true sphere having a diameter of d (im) and no pores can be represented by the formula (II) when its true specific gravity is D.
  • Formula (II): SA (m 2 / g) 6Z (d XD)
  • the specific surface area SA (m 2 / g) of a spherical sphere of silica having a diameter of ( ⁇ ( ⁇ ) and a true specific gravity of 2.2) is expressed by the following formula (III).
  • the theoretical value of the specific surface area of a silica sphere having a diameter of ⁇ is about 0.27 m 2 Zg.
  • Spherical silica which is used as a sealing filler, is usually subjected to nonporous treatment by sintering, so it is necessary to evaluate the smoothness based on the deviation of the measured value of the specific surface area from the theoretical value. it can.
  • spherical silica prepared by the flame fusion method there are many microspheres or irregular surfaces formed by recondensation of Si vapor evaporated by a high-temperature flame, and a diameter of 10 // m
  • the specific surface area of the molten particles exceeds lm 2 Zg, usually about 2 m 2 Zg.
  • a sealing material using such particles as a filler still has insufficient fluidity during molding.
  • the specific surface area of the non-porous spherical silica of the present invention is 1.5 times or less the theoretical value, and it can be seen from the electron micrographs that the surface smoothness is excellent.
  • the specific surface area was measured with a Nikkiso Betasorb 4200.
  • the content of particles having a sphericity of 0.9 or more is 90% or more.
  • Sphericity is the ratio of the smallest diameter (d 2) to the largest diameter (d l) of a single silica particle, and is expressed by equation (IV).
  • the sphericity value is calculated by randomly selecting 20 particles in an electron micrograph of silica particles, measuring the maximum diameter and the minimum diameter of each particle, and calculating the average value.
  • the method for producing nonporous spherical silica of the present invention includes the following two steps.
  • Step-1 ⁇ Preparation of spherical silica gel and extraction and removal of impurities>
  • An emulsion containing an aqueous solution of alkali metal silicate as a disperse phase is contacted with an aqueous solution of a mineral acid to cause a reaction, to produce a porous spherical silica gel.
  • step-1 After or at the time of drying, the spherical gel obtained in step-1 is crushed, A step of imparting the physical properties defined in the present invention by firing.
  • step-1 A step of imparting the physical properties defined in the present invention by firing.
  • An emulsion containing an aqueous alkali silicate solution as a dispersed phase is prepared.
  • An aqueous solution of alkali silicate, a liquid for forming a continuous phase and an emulsifier are mixed and emulsified using an emulsifier or the like to prepare a wzo-type emulsion containing an aqueous solution of alkali silicate as a dispersed phase.
  • the particle size can be controlled by changing the number of revolutions of the emulsifier during emulsification. Increasing the number of revolutions of the emulsifier decreases the particle size, while decreasing the number of revolutions increases the particle size. Further, by diluting the aqueous solution of alkali silicate with water, the particle size can be made finer. Conversely, the particle diameter can be increased by increasing the viscosity by concentration.
  • the alkali silicate used includes sodium silicate, potassium silicate and lithium silicate, but sodium silicate is generally used.
  • Silica concentration of the alkali silicate aqueous solution (as Si0 2) is preferably in the range of 1 to 40 wt%, rather more preferably ranges from 5 to 35%.
  • Commercially available JIS No. 3 alkali silicate is easy.
  • the aluminum silicate aqueous solution used as the raw material has an aluminum silicate aqueous solution with the total content of metals other than aluminum metal and Si other than 0.1% by mass (hereinafter also referred to as high-purity water glass).
  • high-purity water glass By using, an extremely high-purity non-porous spherical silicon force can be produced.
  • An alkali silicate aqueous solution with a total content of metals other than alkali metals and Si other than 0.1% by mass or less should be prepared by dissolving high-purity natural silica or synthetic silicic acid in an aqueous solution of Alkyri. Can be.
  • Synthetic silica is not particularly limited, but high-purity silica made from silica silicate is preferred in terms of production cost.
  • the aqueous alkali solution is advantageous when the aqueous sodium hydroxide solution is used for the subsequent extraction of impurities.
  • the dissolution time can be reduced by heating. It is also effective to apply pressure using an autoclave or the like.
  • the total content of metals other than alkali metals and Si is preferably 0.01% or less.
  • the content of the radioactive element is preferably as small as possible, and the sum of U and Th is preferably 10 Oppb or less.
  • the liquid for forming the continuous phase a liquid that does not react with and is immiscible with the aqueous alkali silicate solution and the aqueous mineral acid solution is used.
  • the type thereof is not particularly limited, but it is preferable to use an oil having a boiling point of 100 ° C or more and a specific gravity of 1.0 or less from the viewpoint of demulsification treatment.
  • the mass ratio of the alkali silicate aqueous solution to the oil is 8: 2 to 2: 8.
  • it is 8: 2 to 6: 4.
  • the oil as the liquid for forming the continuous phase includes, for example, aliphatic hydrocarbons such as n-octane, gasoline, kerosene, and isoparaffinic hydrocarbon oil; alicyclic hydrocarbons such as cyclononane and cyclodecane; toluene; Aromatic hydrocarbons such as xylene, ethylbenzene, and tetralin can be used. Isoparaffinic saturated hydrocarbons are preferred from the viewpoint of emulsion stability.
  • the emulsifier is not particularly limited as long as it has a function of stabilizing the W / O emulsion, and a surfactant having a strong lipophilic property such as a polyvalent metal salt of a fatty acid or a poorly water-soluble cellulose ether is used. Can be. From the viewpoint of post-treatment, it is preferable to use a nonionic surfactant. Specific examples include sorbitan monolaurate, sonolebitan monopalmitate, sonolebitan monostearate, sorbitan monoesterate, and other sorbitan fatty acid esters, polyoxyethylene sorbitan monolate, and polyoxyethylene sorbitan monolate.
  • Polyoxyethylene sorbitan fatty acid esters such as palmitate, polyoxyethylene, polyoxyethylene monolaurate, polyoxyethylene monopalmitate, polyoxyethylene monostearate, polyoxyethylene fatty acid esters such as polyoxyethylene monoolate, stearic acid Glycerin fatty acid esters such as monoglyceride and oleic acid monoglyceride can be exemplified.
  • An appropriate amount of the emulsifier added is in the range of 0.05 to 5% by mass based on the alkali silicate aqueous solution to be emulsified. Also, considering the treatment in each step, 0.5 to 1% by mass preferable.
  • the emulsion containing the aqueous alkali silicate solution prepared above as a dispersed phase and the aqueous mineral acid solution are mixed with stirring.
  • Spherical porous silica gel is formed by the neutralization reaction between the mineral acid and the alkali silicate.
  • concentration of the mineral acid during the reaction may be extremely lowered, and Preferably, the emulsion containing the aqueous solution is added to the aqueous mineral acid solution.
  • the desired spherical particles can be obtained with a molar ratio of mineral acid / alkali component (Na 20 minutes in water glass) of 2 or more at the time of the reaction, but the molar ratio is preferably 5 or less in consideration of productivity. .
  • Sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, and the like can be used as the mineral acid, but sulfuric acid, which has a strong dehydration effect and is inexpensive in terms of cost, is most preferable.
  • the aqueous alkali silicate solution preferably contacts 15% by mass or more of mineral acid. More preferably, it is contacted with sulfuric acid of 20% by mass or more. When an emulsion containing an aqueous alkali silicate solution is brought into contact with an aqueous solution of a mineral acid of less than 15% by mass, spherical particles having a small coarse particle content and a particle size distribution, which are the objects of the present invention, cannot be obtained.
  • the upper limit of the concentration of the aqueous mineral acid solution is preferably 50% by mass. Considering sphericity and monodispersity, the mineral acid concentration is preferably 15 to 35% by mass.
  • the free mineral acid concentration of the aqueous phase reaction solution is preferably 10% by mass or more.
  • the free mineral acid concentration is the concentration of a mineral acid that does not substantially form a salt with metal ions or the like.
  • the temperature of the reaction solution is raised without separation.
  • the emulsion-like reaction solution can be subjected to demulsification treatment in which the reaction solution is separated into layers into an oil phase and an aqueous solution of sulfuric acid in which silica gel particles are dispersed, as well as extraction and removal of impurities.
  • the temperature must be 50 ° C or higher.
  • it is carried out in the range of 50 to 120 ° C, more preferably in the range of 80 to 100 ° C, and the treatment time may be appropriately selected from 1 minute to 5 hours. Usually, it can be processed in about 30 minutes to 1 hour.
  • the content of impurities including radioactive elements in the silica particles is extremely low without performing a solid-liquid separation operation during the coagulation / extraction treatment, and the silica particles have a mineral content of 0.01% by mass or more. by washing with acid and pure water, it can be Si0 2 min 99.99% or more.
  • the chelating agent is not particularly limited, but a chelating agent that exerts its effect under acidic conditions is preferable. Further, by adding nitric acid and Z or hydrochloric acid before and after the reaction, precipitation of impurities such as Th after cooling can be prevented. The effect of suppressing reprecipitation is obtained when the amount of nitric acid added is 0.1 to 5% of the total amount of added acid. Preferably, the range is 0.5 to 3%. When the high-purity water glass is used as a raw material, the added calo of the chelating agent is unnecessary.
  • Water is still retained in the spherical hydrous silica particles from which impurities have been extracted and removed in step-1.
  • This water is divided into attached water and bound water.
  • attached water can be easily removed by heating at a temperature around 100 ° C, but it is difficult to completely remove bound water even at a temperature of 400 ° C or more.
  • a drying treatment is performed to remove adhering water
  • a baking treatment is performed to remove bound water and to densify the silica particles.
  • the drying and baking processes when the material was dried in a stationary state during baking, and baking was performed in that state, sintering occurred between some of the particles, causing an increase in the particle size. Crushing during or after drying and sintering can suppress inter-particle sintering.Even after sintering, the particle size distribution is such that the maximum particle size is less than 4 times the average particle size. A small particle size distribution can be maintained.
  • Fluid dryers are more effective because they are crushed while drying. Remove adhering water Drying conditions for removal should be in the range of 50 to 500 ° C, and practically 100 to 300 ° C.
  • the processing time may be appropriately selected within the range of 1 minute to 40 hours, depending on the drying temperature. Usually, it can be dried in 10 to 30 hours.
  • the particles can be fired without sintering, even if the sily force is not kept in a fluid state during the drying and firing processes. In firing silica gel particles having an average particle size of 0.1 to 100 ⁇ m, crushing after drying is effective to prevent sintering between particles.
  • a screen having openings of 10 times or less the maximum particle size is used. It is preferable to use a screen having an aperture of 1 to 5 times. It is more preferable to use a screen having 1-3 times the aperture.
  • the method of crushing using a screen is not particularly limited, but a method using a vibrating screen or an ultrasonic screen or feeding a raw material into a horizontal cylindrical screen and rotating a blade attached inside the screen at a high speed is used. And a method of continuous crushing (for example, turbo screener manufactured by Turbo Kogyo Co., Ltd.).
  • the material of the screen is preferably free from contamination by metal. To satisfy this, a resin screen is preferable.
  • the type of resin is not particularly limited, but polyethylene, polypropylene, nylon, carbon, acryl, polyester, polyimide, fluororesin, and the like can be used.
  • polyethylene, polypropylene, nylon, carbon, acryl, polyester, polyimide, fluororesin, and the like can be used.
  • it is effective to use a resin whose chargeability is suppressed. It is also possible to work under high humidity. It is also possible to add some water.
  • a screen having openings smaller than the maximum particle size of the raw silica before crushing crushing and classification can be performed simultaneously. From the particle size distribution of the raw material silica, a screen having openings equal to or greater than the particle size corresponding to 10% on the screen is industrially useful.
  • Silica gel particles used as a raw material in the crushing method of the present invention can be used as silica gel particles produced by a method other than the above-described method of emulsifying and coagulating silica silicate.
  • the method for producing silica gel particles is not particularly limited, but a sol-gel method or the like is used.
  • any raw material in a solution or sol form can be used.
  • the sol-gel method uses these materials to grow seed particles. And a method of suspending or emulsifying the raw material and coagulating it.
  • Silica gel particles are silica particles having a specific surface area of 200 m 2 / g or more, and the present invention is particularly effective for calcining silica gel having a specific surface area of 200 m 2 / g or more.
  • the method of emulsifying and solidifying silica silicate is most cost-effective and most preferred.
  • the firing method after crushing is not particularly limited, but firing can be performed at an arbitrary temperature of 600 to 1500 ° C. in a container such as quartz.
  • a fluidized-bed kiln a rotary kiln, a flame kiln, or the like can be used.
  • very weak agglomeration may be observed after sintering.
  • monodispersed baked silica particles without sintering and agglomeration can be obtained by squaring using a screen.
  • silanol groups Si-OH
  • This silanol group can be removed by baking the silica obtained in step_1 at a temperature of 1000 ° C. or more.
  • the firing temperature is preferably 1100 ° C. or higher, since higher density results in more dense particles and better fluidity during resin blending.
  • baking at 1150 ° C or more is preferable.
  • the firing time may be appropriately selected in the range of 1 minute to 20 hours depending on the firing temperature. Usually, it can be reduced to a predetermined specific surface area in 2 to 10 hours.
  • the atmosphere for the firing treatment may be oxygen, carbon dioxide, or the like, or if necessary, an inert gas such as nitrogen or argon. Practically, it is good to use air.
  • a baking furnace for treating the silica particles in a stationary state can be used.
  • an apparatus for performing a sintering process while keeping the silica particles in a fluidized state such as a fluidized sintering furnace, a rotary kiln, and a flame sintering furnace, can also be used.
  • As a heating source electric heat or combustion gas can be used.
  • the water content of the silica gel before firing is not particularly specified, but in order to prevent caking between particles during firing, fire the silica gel with the lowest possible moisture content. Preferably.
  • the calcined silica particles of the present invention are silica particles having an average particle size of 0.1 to 100 // m and a specific surface area of less than 200 m 2 Zg. In particular, it is effective for producing silica particles having an average particle size of 0.1 to 20 m, and is also effective for producing silica particles having a specific surface area near the theoretical value.
  • the specific surface area of the silica gel particles before sintering is not particularly specified, but usually has a specific surface area of 400 m 2 / g or more by the sol-gel method, and sinters it to 200 m 2 / g or less, preferably a theoretical value for the particle size. 10 times or less, more preferably 3 times or less.
  • the non-porous spherical silica prepared by the present invention has a low coarse particle content and has a very low rice occupancy when mixed with a resin. Therefore, it is suitable as a filler for a liquid encapsulant that flows into particularly narrow gaps. Can be used.
  • the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples.
  • 20 kg, 7.5 kg, and 0.18 kg of water glass, Isosol 400 and Rheodol SP-O10 were weighed, respectively. After mixing each raw material and roughly stirring with a stirrer, the mixture was emulsified at 2980 rpm using an emulsifier, and 415 g of an emulsified liquid was collected.
  • the silica gel particles in the aqueous phase were filtered and washed by a conventional method.
  • the washing was performed by replacing the reaction solution with a 0.01% sulfuric acid aqueous solution, and then using pure water until the pH of the washing solution became 4 or more.
  • Dehydration was performed using Nutchi II to obtain spherical silica gel. 2> Drying / crushing / firing process of spherical gel
  • the obtained spherical silica gel was dried at a temperature of 120 ° C. for 20 hours to obtain 100 g of silica particles.
  • the dried silica particles were pulverized with a 33-im polyester mesh screen, filled in a 1-liter beaker made by Ishiei, and calcined at 1150 ° C for 6 hours.
  • silica particles obtained by calcination showed that alkali metals such as Na, K, and Li; alkaline earth metals such as Ca and Mg; and transition metals such as Cr, Fe, and Cu.
  • concentration of each element was less than 1 ppm, and the sum of U and Th radioactive elements was less than 0.1 lppb.
  • Tables 1 and 2 show various measurements and observation results of the obtained silica particles.
  • the average particle size of the obtained particles was 1.3 ⁇ m, the maximum particle size was 3 ⁇ m, and the true specific gravity was 2.19.
  • the specific surface area measured by the BET method was 2.7 m 2 Zg, which was 1.3 times the theoretical value. Further, at a content of at sphericity than electron micrographs 0.9 or more particles is 90% or more spherical silica force particles, surface smoothness even better der 7 This 0
  • the JIS 3 water glass was diluted with pure water, in addition to adjusting the Si0 2 minutes 27%, Example In the same manner as in 1, spherical silica was obtained. Tables 1 and 2 show various measurements and observation results of the obtained silica particles.
  • Spherical silica was obtained in the same manner as in Example 3 except that the number of revolutions of the emulsifier was changed to 1800 rpm. Tables 1 and 2 show various measurements and observation results of the obtained silica particles.
  • the silica particles obtained after drying in Example 3 were pulverized with a turbo screener T S250 X200 manufactured by Turbo Kogyo Co., Ltd. through a polyethylene screen having a mesh size of 33 / zm.
  • the particles that passed through the screen were calcined in a quartz beaker at 1150 ° C for 6 hours to obtain calcined silica particles.
  • Tables 3 and 4 show various measurements and observation results of the obtained silica particles.
  • silica particles obtained after drying in Example 3 were crushed by a turboposter TS 250 ⁇ 200 manufactured by Turbo Kogyo Co., Ltd. through a polyethylene screen having a mesh size of 24 / m.
  • the particles that passed through the screen were calcined in a quartz beaker at 1150 ° C for 6 hours to obtain calcined silica particles.
  • Tables 3 and 4 show various measurements and observation results of the obtained silica particles.
  • the silica particles obtained after drying in Example 4 were used as a turbo screener TS manufactured by Turbo Kogyo Co., Ltd. According to 250 ⁇ 200, the mixture was passed through a polyethylene screen of 24 ⁇ or 33 jum and crushed and classified. In addition, in the particle size distribution of the sample before crushing and classification, the particle size corresponding to 10% on the screen was 19 m. The particles that passed through each screen were fired in a quartz beaker at 1150 ° C for 6 hours to obtain fired silica particles. Table 5 shows various measurements and observation results of the obtained particles.
  • silica particles obtained in Example 6 after drying were crushed without cracking in a quartz beaker 1150. By calcining with C, calcined silica particles were obtained.
  • the concentrations of the respective elements Na, K, Al, Ti, Fe, and Zr are each 0.1 Lppm or less, and U And Th were both less than 0.1 lppb.
  • the impurity content of the silica particles in Comparative Example 1 was Na: 0.4 ppm, K: 0.1 ppm or less, A 1: 1. Oppm, Ti: 0.1 ppm, Fe: 24 ppm, Zr: It was below 0.1 ppm. In Comparative Example 3, Fe was 5 ppm, and contamination by stainless steel was observed.
  • Tables 1 and 2 show the physical properties of the silicic acid particles obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2.
  • Tables 3 and 4 show the physical properties of the silica particles obtained in Examples 6 and 7 and Comparative Example 2.
  • the particle size was measured using LS-130 manufactured by Coulter. The average particle size is the median value, and the maximum particle size is The particle size showing 100.00% under the clean condition.
  • 50 g of sample was slurried with 150 g of pure water, passed through a stainless steel screen, and the residue on the screen was dried and measured. 20 Aim and 50 ⁇
  • the gap permeability is 5 bands, the gap size is 20 ⁇ , and a mold with a gap of 18 mm is heated to a temperature of 75 ° C.
  • Measurement sample used was uniformly mixed Epikoto 8 1 5 and silica particles made Aburakashi Ruepokishi Ltd. silica blending ratio 6 5 mass 0/0 (26 g mixed Epikoto 8 1 5 silica particles and 14g of) .
  • the resin blending viscosity is 70% by weight of silica blending ratio between Epikote 815 manufactured by Yuka Shell Epoxy and silica and silica. /. (28 g of silica and 12 g of epicoto 815 were mixed) and measured at 50 ° C.
  • a viscometer a RE 8 OR type (E type viscometer) manufactured by Toki Sangyo was used.
  • Examples 1 to 7 all showed that the maximum particle size was 3 times or less the average particle size. In Examples 6 and 7, even on the 32 ⁇ screen, the content was 0.001% by weight or less, and no inter-particle solidification was observed. In addition, thixotropy of 77 1Z 772 all showed 1.1 or less. In particular, in Examples 1 to 3 having an average particle size of 5 im or less,? 71Z2 showed 0.8 or less. Further, Examples 1 and 2 having an average particle size of 3 m or less showed 0.5 or less.
  • Comparative Example 1 prepared by the flame melting method, 1/772 was 1.3.
  • Comparative Example 2 which was fired without crushing by screen, had a maximum particle size of 74 m and 3.2% on a 32 ⁇ m screen, indicating coarse particles due to inter-particle consolidation. The coarse particles were extremely strongly sintered between the particles, and could not be crushed.
  • the permeability at 20 zm and 50 ⁇ gap did not permeate within 30 minutes because the maximum particle size was 20 m or more.
  • the measurement sample After heating a mold with a width of 5 thighs, a gap size of 20 ⁇ m or 50 ⁇ m, and a length of 18 to a temperature of 75 ° C, the measurement sample is dropped on one side, and one end is formed by capillary action. Measure the permeation time and display in hours (minutes).
  • the measurement sample used was a uniform mixture of Epikoto 815 manufactured by Yuka Shell Epoxy Co., Ltd. and silica at a silica mixing ratio of 65 mass 0 / o (mixing 26 g of silica and 14 g of epikote 815).
  • the 20 ⁇ m gap penetration test in Examples 4 and 5 was not performed because the maximum particle size was 20 ⁇ m or more.
  • a high-purity spherical silica particle having an extremely low impurity content such as an alkali metal and radioactive elements such as uranium and a coarse particle content is obtained from an aqueous alkali silicate solution as a raw material.
  • the non-porous spherical silica obtained by the method of the present invention exhibits a low thixotropic ratio at the time of compounding the resin. It can be suitably used as a filler for materials.

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Description

明 細 書
非孔性球状シリカ及びその製造方法
技術分野
本発明は非孔性球状シリカ及びその製造方法に関する。 さらに詳しくは、 I C 封止用樹脂組成物の充填材、 基板、 電子材料や半導体製造装置、 高純度シリカガ ラス及び石英ガラス、 光学ガラスの原料用途等に適するトリゥム含有量が極めて 低位にある非孔性球状シリカを製造する方法に関する。 特に、 フリップチップの アンダーフィル用フイラ一として、 樹脂混合時の流動性、 狭い隙間への浸透性に 極めて優れた非孔性球状シリカ及びその製造方法に関する。
背景技術
近年、 電子産業の急速な発展につれて電子材料用や半導体製造用などに高純度 のシリカが使用されるようになったが、 製品の高度化につれてシリカに対する要 望として高純度化はもちろんのこと、 その他の性能として粒子トップサイズの制 限、 樹脂混合時の流動性等が強く求められるようになった。 特にフリップチップ タィプの半導体デバイスではァンダーフィル用フイラ一として粗粒含量が少なく、 樹脂混合時の流動性に優れた非孔性球状シリ力が要求されるようになった。 特に アンダーフィル用フイラ一では樹脂混合時の粘度が重要視され、 低粘度かつ低レヽ チキソトロピー比を示すものが必要とされるようになった。 ここで、 一般的にチ キソトロピー比とは B型粘度計などの回転粘度計を用いて、 回転数を変えて粘度 を測定し、 '高速回転のときの数値で低速回転のときの数値を割った値をいう。 樹 脂では特にエポキシ樹脂、 シリコーン樹脂が有用であるが、 その中でも特にビス フエノール A型液状エポキシ樹脂と混合した際に低いチキソトロピー比を示す非 孔性球状シリ力が望まれていた。
従来、 粗粒含量が少なく、 樹脂混合時の流動性に優れ、 低いチキソトロピー比 を示す非孔性球状シリカとして、
1 ) 最大粒子径が 45 /z m、 平均粒子径が2〜10 ^ 111、 当該粒子の比表面積 Swlと 当該粒子の理論比表面積 Sw2との比、 SwlZSw2が 1.0〜2.5であり、 且つ当該粒子 表面は平滑であることを特徴とする溶融球状シリカ (特開 2000— 73 1 9公 報) 、 及び
2) 最大粒径が 24μπι、 平均粒子径が 1·7〜7μπι、 3 μ m以下の粒子が全体粒子 に占める割合 XIが 100/D50重量%以上、 (18+100ZD50) 以下の粒度分布を有す る微細球状シリカであって、 かつ、 常温で液状のエポキシ樹脂又はシリコーン樹 月旨に、 前記微細球状シリカを最大 80重量%配合した混合物の 50°Cにおける粘度が 20Pa · s以下であることを特徴とする微細球状シリカ (特開 2000— 6363 0公報)
などが提案されている。
しかし、 1) の非孔性球状シリカは原料が溶融球状シリカであり、 表面微粉を 溶角军させても、 粒子表面も溶解させるため、 結果として粒子表面の凹凸、 表面の シラノール基が残ってしまう。 そのため、 樹脂混合時に期待する流動性は得られ ない。 2) の非孔性球状シリカも実質的には溶融球状シリカを用いており、 表面 に微粉が付着している。 また、 1) の手法同様に微粉を溶解させたとしても前記 ' と同様の理由により、 期待する流動性は得られない。 1) 、 2) の非孔性球状シ リカは粘度計測定 5〜10rpmでは低いチキソトロピー比を示すが、 低回転数では粘 度が上昇する傾向がある (チキソトロピー比が大きくなる) 。
これはアンダーフィル材のような静置状態で毛細管現象のみで浸透させる用途 には好ましくなく、 さらに低いチキソトロピー比を示すフィラーがアンダーフィ ル用フイラ一として望まれていた。
—方、 非孔性球状シリ力の製法としては、
1)高純度シリ力の破砕体を火炎中で溶融し、 アル力リまたは弗酸で表面の微粉を 溶解させる方法 (たとえば、 特開 2000— 731 9公報) 、
2)シリコンアルコキシドを加水分解して得られたゾル状溶液を粒子成長させる方 法 (たとえば、 特公平 2— 288号公報) 、
3)シリコンアルコキシドを加水分解して得られたゾル状溶液を粒子成長させ、 得 られた球状シリカゲルを火炎で焼成する方法 (たとえば、 特開平 2— 29671 1号公報) 、 4)アル力リ珪酸塩水溶液を分散相として細粒状に分散させた油中水滴型 (W/O 型) エマルシヨンと、 鉱酸水溶液を分散相として細粒状に分散させた油中水滴型
(WZO型) エマルシヨンとを混合して球状シリカゲルを生成させ、 得られた球 状シリカゲルを鉱酸で処理して得た球状含水シリ力を乾燥後、 焼成することを特 徴とする高純度球状シリカの製造方法 (特開平 0 7— 0 6 9 6 1 7号公報) 、 及 び
5)分級により粗粒を除去した平均粒径 2〜7 IX mの溶融球状シリカと金属シリコン から製造された平均粒子径が 0· 3〜1· 0 mの球状シリカを混合する方法 (特開 2 0 0 0— 6 3 6 3 0公報)
などが提案されている。
球状シリ力の製造方法としての前記、 従来の方法はそれぞれ次の問題点を有し ている。
1)の方法で得られる粒子は、 表面の微粉をアル力リまたは弗酸で溶解させる際、 目的粒子の表面も溶解させてしまうため、 表面が荒れた状態となり、 結果として 比表面積が理論値に近いにもかかわらず、 樹脂混合時の流動性が上がらない。 ま た、 表面の微粉を溶解させると同時に目的の粒子も溶解するため、 歩留まりが悪 く生産性にも問題がある。
2)の方法では、 シリコンアルコキシドの加水分解縮重合反応によりゾル状粒子 を生成させ、 さらに粒子成長させるが、 比較的大きな 1次粒子から形成された球 状シリカゲルであり、 熱処理で焼結させ、 非孔ィヒした後もその痕跡が残り、 比表 面積が理論値に近いにもかかわらず、 流動性が上がらない。
3)の方法ではシリコンアルコキシドを加水分解して得られたゾル状溶液を粒子 成長させ、 得られた球状シリカゲノレを火炎で非孔化させるが、 処理温度が 1500°C と融点以下であるため、 結果として 2)の方法で得られた球状シリカと同等のもの しか得られない。
さらに 2)及び 3)の方法で得られた球状シリ力粒子は、 焼成すると大幅に収縮し て表面の凹凸を生じ、 表面平滑性に劣る粒子となる。 表面平滑性の低下は流動性 の低下を招くので、 好ましくない。 また、 2)および 3)の方法は、 使用される原料 が高価であるとともに、 原料由来の有機物を含む排水が発生し、 その処理を必要 とする。 '
4)の方法では真球性、 流動性ともに優れた球状シリカ粒子が得られるが、 焼成 時に一部の粒子間で固結するため、 1)、 2)、3)の方法と同様に平均粒径に対し、 4 倍を越える粒子が含まれていた。
5)の方法では溶融球状シリカをブレンドしているため、 粒子表面の微粉が樹脂 混合時に流動性を阻害し、 所望の流動特性が得られない。 さらに、 これら従来の 方法ではレ、ずれの手法も粗粒含量の少ない粒径分布とするためには、 機械的な分 級操作を行う必要があつた。
また、 機械的な分級方法はスクリーンを用いる方法、 気流分級法などがあるが、 平均粒径が 0. 1〜20 μ ra付近の粒子を最大粒径が平均粒径の 4倍以下となるまで完 全に分級することは極めて困難であった。
すなわち、 最大粒径が平均粒径の 4倍以下で、 かつ、 低いチキソトロピー比を 示す非孔性球状シリ力は得られていなかつた。
本発明の目的は液状封止材に占めるフィラーの充填率が 40〜90質量%の範囲で 配合しても封止材の流動性を低下させることが少なく、 かつ、 狭い隙間に流し込 む様な液状封止材用充填材として、 隙間に支えることのない、 最大粒子径が平均 粒径の 4倍以下となる粒度分布を有し、 樹脂混合時に低いチキソトロピー比を示 す非孔性球状シリカおよびその製造に関して工業的に有利な方法を提供すること にある。 発明の開示
本発明者らは、 従来法における問題点を改善するために検討を行った結果、 ァ ルカリ珪酸塩水溶液を分散相として含むエマルシヨンと鉱酸水溶液とを混合して 球状シリカゲルを生成させ、 中和反応が終了した後、 生成した球状シリカゲルを 分離することなく、 球状シリカゲルを含む反応液を 50°C以上に加熱し、 冷却した 後、 固液分離を行い、 これを鉱酸及び純水で洗浄して球状含水シリカを得、 これ を乾燥した後もしくは乾燥時に解砕し、 焼成することによつて粗粒含量の少ない、 樹脂配合時のチキソトロピー比が極めて低く、 ダイラタンシーを示す高純度な非 孔性球状シリカが得られることを見出し、 本発明を完成した。 すなわち、 本発明の第 1の発明は 「以下の項目を満足する平均粒径が 0. 1〜20 μ πιの非孔性球状シリカ :
(a)最大粒径が平均粒径の 4倍以下
(b)非孔性球状シリカとビスフヱノール A型液状エポキシ樹脂を質量比 70 : 30で 混合した際の粘度測定において、 粘度計の回転数 0. 5rpmの粘度値を?7 1、 2. 5rpm の粘度値を τ? 2とした場合、 η ΐ/ τ7 2< 1. 0ο 」 を要旨とする。
本発明の第 2の発明は 「以下の(1)〜 (7)の工程を含む非孔性球状シリ力の製造 方法:
(1)アルカリ珪酸塩水溶液を分散相として細粒状に分散させた油中水滴型 (WZ ο型) エマルシヨンを調製する乳化工程、
(2) (1)で調製した油中水滴型 (W/O型) エマルシヨンを 15〜50質量%の鉱酸 水溶液と混合し、 反応後の鉱酸濃度が 10質量%以上となるように球状シリ力ゲル を生成させる凝固工程、
(3) (2)で生成した球状シリカゲルを含む反応液を 50°C以上に加熱し、 不純物を 抽出する抽出工程、
(4) (3)で不純物を抽出した球状シリ力ゲルを洗浄する洗浄工程、
(5) (4)で洗浄した球状シリ力ゲルを乾燥させる乾燥工程、
(6) (5)の乾燥時もしくは乾燥後に解砕する解碎工程、 及び
(7) (6)で解碎した球状シリ力ゲルを焼成する焼成工程。
」 を要旨とする。
本発明の第 3の発明は 「鉱酸として硫酸を使用し、 凝固工程から洗浄工程前に 硝酸及び Z又は塩酸を添加することをさらに含む前記第 2の発明の非孔性球状シ リカの製造方法。 」 を要旨とする。
本 明の第 4の発明は 「以下の(1)〜(6)の工程を含む非孔性球状シリ力の製造 方法:
(1)アル力リ金属及び Siを除く他の金属含有量の合計が 0. 1質量%以下のアル力リ 珪酸塩水溶液を分散相として細粒状に分散させた、 油中水滴型 (wzo型) エマ ルシヨンを調製する乳化工程、
(2) (1)で調製した油中水滴型 (WZO型) エマルシヨンを鉱酸水溶液と混合し、 球状シリ力ゲルを生成させる凝固工程、
(3) (2)で生成した球状シリカゲルを洗浄する洗浄工程、
(4) (3)で洗浄した球状シリ力ゲルを乾燥させる乾燥工程、
(5) (4)の乾燥時もしくは乾燥後に解砕する解碎工程、 及び
(6) (5)で解枠した球状シリカゲルを焼成する焼成工程。
J を要旨とする。
本発明の第 5の発明は 「平均粒径が 0. 1〜100 μ πιのシリカゲル粒子を最大粒径 の 10倍以下の目開きを有するスクリーンを用いて解砕した後、 焼成することを含 む焼成シリカ粒子の製造方法。 」 を要旨とする。
本発明の第 6の発明は 「平均粒径が 0. 1〜100 μ πιのシリカゲル粒子を最大粒径以 下の目開きを有するスクリーンを用いて解碎 ·分級した後、 焼成することを含む 焼成シリカ粒子の製造方法。 」 を要旨とする。
本発明の第 7の発明は 「スクリーンが樹脂製である前記第 5または第 6の発明 の焼成シリカ粒子の製造方法。 」 を要旨とする。
本発明の第 8の発明は 「前記第 1の発明の非孔性球状シリカを含有する封止用 樹脂組成物。 」 を要旨とする。 発明を実施するための最良の形態
本発明に係わる非孔性球状シリ力では平均粒径が 0. 1〜20 μ m、 最大粒径が平均 粒径の 4倍以下であり、 樹脂配合時に極めて低いチキソト口ピー比を示すことか ら、 半導体デバイスの 1つであるフリップチップのアンダーフィル用フイラ一と して、 樹脂混合時の流動性、 狭い隙間への浸透性に極めて優れた非孔性球状シリ 力である。
狭い隙間に流し込むため最大粒径は出来るだけ小さくする必要がある。 し力 し、 平均粒径が小さいほど樹脂に混ぜた際の粘度は大きくなり、 浸透性が悪くなるた め、 平均粒径を出来るだけ大きくし、 最大粒径を小さくする必要がある。 隙間の 大きさに合わせ、 最大粒径をもとにフィラーを選定するが、 低粘度化の観点から 平均粒径は最大粒径の 4分の 1以上であることが好ましい。 即ち、 最大粒径が平均 粒径の 4倍以下であることが好ましい。 さらには最大粒径が平均粒径の 3倍以下で あることが好ましい。 また、 毛細管現象で浸透させるアンダーフィルでは、 チキ ソトロピー比が低いほど浸透性が良いと考えられる。 本発明でいうチキソトロピ 一比とは、 非孔性球状シリカとビスフエノール A型液状ェポキシ樹脂を質量比 70 30で混合した際の粘度測定において、 粘度計の回転数 0. 5rpmの時の粘度値を 77 1、 回転数 2. 5rpmの時の粘度値を 7 2とした場合、 η ΐ/ η 2を意味する。 粘度測 定に使用されるビスフエノール Α型液状ェポキシ樹脂としては、 ビスフエノール A型液状エポキシ樹脂とプチルグリシジルエーテルの混合物 (質量比 89: 11の混 合物) であり、 エポキシ当量が 181〜191、 25°Cの粘度が 9〜12ボイズのものが使 用される。 工業的には油化シヱルエポキシ株式会社製のェピコート 8 1 5が該当 する。 粘度測定は 50°Cでの測定が好ましい。 粘度計は E型粘度計 (東機産業製 R E 8 0 R型) が使用される。 アンダーフィル用として使用する際、 低いチキソト 口ピー比を示す方が好ましく、 η ΐΖ η 2は 1. 0未満を示すことが好ましい。
本発明の非孔性球状シリカは、 平均粒径 5〜20; u mでは?7 1 / η 2は 1. 0未満を 示す。 平均粒径 0. 1〜5 μ mでは η ΐ Ζ η 2は 0. 8以下を示す。 さらに、 平均粒径が 0. 1〜3 /z mでは 77 ΐ Ζ η 2は 0. 5以下を示し、 極めて低いチキソトロピー比を示す。 チキソトロピー比の下限としては 0. 2程度である。 このように極めてチキソト口 ピー比が低く、 狭い隙間のアンダーフィル用には特に有用な非孔性球状シリカが 提供される。 なお、 粘度の測定温度は 20〜80°Cであり得る。 使用する機器によつ て異なるが、 50°C付近が測定しやすい。 フィラー配合量は、 フィラー配合量が比 較的高いほどフィラー物性が粘度へ及ぼす影響も大きくなるため、 特に 70%付近 が好ましい。
本発明の非孔性球状シリカがこのように極めて低いチキソト口ピー比を示す理 由は明らかではないが、 粒子表面に 0. 5 μ ιη以下の微粉を殆ど含まないため、 比表 面積が小さく、 樹月旨との総接触面積が小さいことが考えられる。 本発明の非孔性 球状シリ力は比表面積が Β Ε Τ法による測定値で理論値の 1. 0〜1. 5倍にあり、 真 球度が高く、 極めて表面平滑性が良好な粒子であると考えられる。 また、 粒度分 布が比較的狭いことも低いチキソト口ピー比を示す理由と思われる。
本発明の非孔性球状シリ力は最大粒径が平均粒径の 4倍以下という、 粗粒含量 の少ない分布を有する。 樹脂配合時の粘度を下げるためには、 粒度分布の広さを 示す粒子の変動係数は 15%以上が好ましい。 単に分布が狭いということではなく、 平均粒径より小さな粒子群をある程度含みながらも、 平均粒径より大きな粗粒側 の含有量が少ない分布であることが樹脂配合時の低粘度化、 狭い隙間への浸透性 の点で好ましい。 すなわち、 低いチキソトロピー比を示し、 最密充填構造も得ら れる分布であるといえる。 本発明の非孔性球状シリカに関し、 変動係数は大きす ぎると微粉を多く含むことを意味するため、 15〜100%の範囲が好ましい。 さら には 25〜60%の範囲が好ましい。 粒子の変動係数 (Cv) とは粒径のバラッキを表 す指標であり、 標準偏差 σと平均粒径 d 〔 m〕 との比で式 (I)で表される。
式(I) : C v = 1 0 0 X a / d
半導体に使用される材料は一般に窩純度が要求される。 特に N a、 K、 L iな どのアルカリ金属、 C a、 M gなどのアルカリ土類金属および C 1などのイオン 性不純物は、 アルミニウム配線を腐食する原因となるので、 本発明の非孔性球状 シリカでは、 これらの不純物を実質的に含有しないことが好ましい。 また、 ソフ トエラー発生を抑制するため、 放射性元素が厳しく制限されている。 封止材用シ リカでは放射性元素が 2ppbを越えると、 ソフトエラー発生の原因となり好ましく なく、 本製法では実質的にアルカリ金属、 アルカリ土類金属を lppra以下、 放射性 不純物の含有量を 2ppb以下に抑制することができる。 ここでの放射性元素とは U および T hを示す。 即ち、 Uおよび T hの含有量の合計が 2ppb以下であることが 好ましい。 さらには Uおよび T hの含有量の合計が lppb以下であることが好まし い。 これらの不純物の含有率は、 適宜の分析手段により直接測定することができ るが、 本発明ではシリ力を弗化水素水溶液で加熱溶解し、 シリカ分を S i F 4と して気ィヒさせ、 残分を I C P— M Sで分析することにより不純物濃度の特定を行 つた。 I C P— M Sは横河電機製 Model PM S— 2 0 0 0を用いた。
本発明において規定する粒径分布は最大粒径が平均粒径の 4倍以下であるが、 これはレーザー回折散乱方式 (Coulter社製 LS - 130) により測定された粒径分布 である。 また、 平均粒径はメディアン径を意味する。
非孔性球状シリカの粒子表面の平滑度の尺度として、 比表面積 S Aを用いる。 一般に、 直径が d ( i m)であり、 細孔を有しない真球体の比表面積 S Aは、 その 真比重が Dであるとき、 式 (II)によって表すことができる。 式(II) : S A (m2/g) =6Z (d XD)
式(II)から、 直径が (Α (μπι)であり、 真比重が 2.2であるシリカの真球体の比表 面積 SA(m2/g)は、 次式 (III)で表されることから、 例えば、 直径 ΙΟμπιである シリカ球体の比表面積の理論値は、 およそ 0.27m2Zgとなる。
式(III) : S Α = 2· 73/ d
封止用充填材として用いられる球状シリカは、 通常、 焼成により非孔化処理が 施されているので、 その比表面積の測定値の理論値からのズレの大きさで平滑性 を評価することができる。 例えば、 火炎溶融法によつて調製された球状シリカの 表面には、 高温の火炎により蒸発した S i蒸気の再凝結によって形成された微小 球または凹凸面が多く存在し、 直径 10//mの溶融粒子の比表面積は lm2Zgを越 え、 通常は約 2m2Zgである。 このような粒子を充填剤として使用した封止材は、 成形時の流動性がなお不十分である。
本発明の非孔性球状シリカの比表面積は、 理論値の 1.5倍以下であり、 電子顕 微鏡写真からも表面平滑性に優れることが判る。 比表面積は日機装製ベータソー ブ 4200で測定した。
本発明における非孔性球状シリ力は真球度が 0.9以上である粒子の含有率が 90 %以上である。 真球度は一つのシリカ粒子における最大直径 (d l) に対する最 小直径 (d 2) の比であり、 式(IV)により表される。
式(IV) 真球度 =d 2/d l
真球度の値は、 シリカ粒子の電子顕微鏡写真において、 ランダムに 20個の粒子 を選んで、 それぞれの最大直径と最小直径を測定し、 平均値を算出する。
本発明の非孔性球状シリカの製造方法は、 次の 2つの工程を含んでいる。
工程- 1 : <球状シリカゲルの調製及び不純物抽出除去工程 >
アル力リ珪酸塩水溶液を分散相として含むエマルシヨンと鉱酸水溶液とを接触 させて反応させ、 多孔質の球状シリカゲルを生成させ、 中和反応が終了した後、 固液分離することなく、 50°C以上に加熱することにより、 不純物を抽出除去して、 高純度で多孔質の球状シリ力ゲルを得る工程。
工程- 2 : <球状シリカゲルの焼成工程 >
工程- 1で得られた球状シリ力ゲルを乾燥した後もしくは乾燥時に、 解砕し、 焼成することにより、 本発明で規定した物性を賦与する工程。 以下、 前記各工程 について順次説明する。
1〉球状シリカゲルの調製 (工程 - 1 )
1-1) エマルシヨンの調製
アルカリ珪酸塩水溶液を分散相として含むエマルシヨンを調製する。 すなわち、 アル力リ珪酸塩水溶液と混和しない液体を連続相とし、 この中にアル力リ珪酸塩 水溶液を分散相として細粒状に分散させた、 油中水滴型 (w/o型) エマルショ ンを生成させる。
アル力リ珪酸塩水溶液と連続相形成用液体及び乳化剤を混合し、 乳化機などを 用いて乳化させ、 アルカリ珪酸塩水溶液を分散相として含む wzo型のエマルシ ョンを調製する。 乳化時の乳化機回転数を変化させることにより、 粒径を制御す ることができる。 乳化機の回転数を大きくすると粒径は小さくなり、 回転数を小 さくすると粒径は大きくなる。 また、 アル力リ珪酸塩水溶液を水で希釈すること により、 粒径をより微細にすることができる。 逆に濃縮により、 粘度を増加させ ることにより、 粒径を大きくすることができる。
使用されるアルカリ珪酸塩は、 珪酸ナトリゥム ·珪酸カリウム '珪酸リチウム などを包含するが、 珪酸ナトリウムが一般的に用いられる。 アルカリ珪酸塩水溶 液のシリカ濃度 (Si02として) は 1〜40質量%の範囲が好ましく、 さらに好まし くは 5〜35%の範囲である。 市販されている J I S 3号の珪酸アルカリが极いや すい。
原料に使用する珪酸アル力リ水溶液はアル力リ金属、 Siを除く他の金属含有量 の合計が 0. 1質量%以下のアル力リ珪酸塩水溶液 (以下、 高純度水ガラスとも言 う) を用いることで極めて高純度な非孔性球状シリ力を製造することができる。 アルカリ金属、 Siを除く他の金属含有量の合計が 0. 1質量%以下のアルカリ珪酸 塩水溶液は高純度の天然珪石または合成シリ力をアル力リ水溶液で溶解させるこ とにより、 調製することができる。 合成シリカは特に限定しないが、 珪酸アル力 リを原料とした高純度シリカが製造コストの面で好ましい。 アルカリ水溶液は水 酸化ナトリゥム水溶液が後の不純物抽出の際に有利である。 高純度の珪石または 合成シリ力をアル力リ水溶液に溶解させる際は加熱により溶解時間が短縮できる。 また、 オートクレープ等で加圧することも有効である。 なお、 電子材料等の原料 として使用する場合はアルカリ金属、 Siを除く他の金属含有量の合計が 0. 01%以 下であることが好ましい。 また、 放射性元素の含有量も少ないほど好ましく、 U 及び T hの合計が lOppb以下であることが好ましい。
連続相形成用液体としては、 アル力リ珪酸塩水溶液およぴ鉱酸水溶液と反応せ ず、 かつ、 混和しない液体を用いる。 その種類は、 特に限定しないが、 解乳化処 理の面からは、 沸点が 100°C以上であり、 比重が 1. 0以下であるオイルを使用する ことが好ましい。 アルカリ珪酸塩水溶液とオイルの質量比は 8 : 2〜 2 : 8であ る。 好ましくは 8 : 2〜 6 : 4である。
上記の連続相形成用液体としてのオイルは、 たとえば、 n-オクタン、 ガソリン、 灯油、 イソパラフィン系炭化水素油などの脂肪族炭化水素類、 シクロノナン、 シ クロデカンなどの脂環族炭化水素類、 トルエン、 キシレン、 ェチルベンゼン、 テ トラリンなどの芳香族炭化水素類などを用いることができる。 乳化安定性の観点 からイソパラフィン系飽和炭化水素類が好ましい。
乳化剤としては、 W/O型エマルションの安定化機能を有するものであれば特 に限定はなく、 脂肪酸の多価金属塩 ·水難溶性のセルローズエーテルなどの親油 性の強い界面活性剤を用いることができる。 後処理の点からは、 非イオン性界面 活性剤を用いることが好ましい。 具体例として、 ソルビタンモノラウレート、 ソ ノレビタンモノパルミテー ト、 ソノレビタンモノステアレー ト、 ソルビタンモノォレ ー トなどのソルビタン脂肪酸エステノレ類、 ポリオキシエチレンソルビタンモノラ ゥレー ト、 ポリオキシエチレンソルビタンモノパルミテー ト、 ポリオキシェチレ どのポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル類、 ポリオキシエチレンモノ ラウレート、 ポリオキシエチレンモノパルミテート、 ポリオキシエチレンモノス テアレート、 ポリオキシエチレンモノォレートなどのポリオキシエチレン脂肪酸 エステル類、 ステアリン酸モノグリセリ ド、 ォレイン酸モノグリセリ ドなどのグ リセリン脂肪酸エステル類などを挙げることができる。
乳化剤の添カ卩量は、 乳化対象であるアルカリ珪酸塩水溶液に対して、 0. 05〜5 質量%の範囲が適量である。 また、 各工程での処理を考慮すると 0. 5〜1質量%が 好ましい。
1-2) 球状シリカゲルの凝固 ·不純物抽出 ·洗浄処理
上記で調製されたアルカリ珪酸塩水溶液を分散相として含むエマルションと鉱 酸水溶液とを攪拌下で混合する。 鉱酸とアルカリ珪酸塩との中和反応によって球 状の多孔質シリカゲルが生成する。 混合方法の順序についての限定はしないが、 鉱酸水溶液をアル力リ珪酸塩水溶液を含むエマルションへ加える場合は、 反応時 の極端な鉱酸濃度の低下を招く恐れがあり、 アル力リ珪酸塩水溶液を含むエマル ションを鉱酸水溶液へ加えることが好ましレ、。 反応時の鉱酸/アル力リ分 (水ガ ラス中の Na 20分) のモル比は 2以上で所望の球状粒子が得られるが、 生産性を 考慮すると該モル比は 5以下が好ましい。
鉱酸は硫酸、 硝酸、 塩酸等を用いることができるが、 脱水作用が強く、 コスト の面でも安価な硫酸が最も好ましい。 アルカリ珪酸塩水溶液は 15質量%以上の鉱 酸と接触することが好ましい。 より好ましくは 20質量%以上の硫酸と接触するこ とがよい。 アルカリ珪酸塩水溶液を含むエマルションを 15質量%未満の鉱酸水溶 液と接触させた場合、 本発明が目的とする粗粒含量の少なレ、粒径分布を有する球 状粒子は得られない。 鉱酸水溶液の濃度の上限としては 50質量%が好ましい。 真 球度、 単分散度を考慮すると、 鉱酸濃度は 15〜35質量%が好ましい。 また、 アル 力リ珪酸塩水溶液との反応が完全に終了した後、 水相の反応液のフリー鉱酸濃度 は 10質量%以上であることが好ましい。 フリー鉱酸濃度とは実質的に金属ィオン 等と塩を形成していない鉱酸の濃度である。
攪拌方法によつて異なるが、 アル力リ珪酸塩水溶液を含むエマルシヨンと鉱酸 水溶液との中和反応は 5〜120分間でほぼ終了する。 中和反応の終了は反応液の温 度が下降傾向を示した時点で終了したものとする。
中和反応終了後、 反応液を分離することなくそのまま昇温する。 この昇温によ り、 エマルション状の反応液はオイル相とシリカゲル粒子分散系硫酸水溶液相に 層別に分離する解乳化処理とともに不純物の抽出除去も併せて行うことができる。 温度は 50°C以上が必要である。 好ましくは 50〜120°C、 さらに好ましくは 80〜100 °Cの範囲で行い、 処理時間は 1分〜 5時間で適宜選定すればよい。 通常 30分〜 1時 間程度で処理することができる。 前記高純度水ガラスを原料として使用した場合 は加熱による抽出を行わなくとも、 高純度な球状シリカゲルを得ることができる。 特開平 7- 69617号記載の方法では、 中和反応の後に反応液へ鉱酸水溶液を加え て昇温するという解乳化処理をし、 オイル相とシリカゲル粒子分散系鉱酸水溶液 相の層別に分離している。 さらに、 このシリカゲル粒子分散系鉱酸水溶液相から シリカゲル粒子を固液分離し、 不純物元素の含有率を目的とする値まで下げるた めに鉱酸による酸処理をするという多くの操作を必要とした。
しかし、 本発明では凝固 ·抽出処理の途中で固液分離の操作をすることなく、 シリカ粒子中の放射性元素を含む不純物の含有率は極めて低くなり、 シリカ粒子 を 0. 01質量%以上の鉱酸及び純水で洗浄することにより、 Si02分 99. 99%以上に することができる。
不純物の抽出においては反応前または反応後にキレートを添加することも有効 である。 キレート剤は特に限定しないが、 酸性下で効力を発揮するキレート剤が 好ましい。 また、 反応前後において硝酸及び Z又は塩酸を添加することにより冷 却後における Th等の不純物の析出を防止することができる。 硝酸の添加量は全添 加酸量に対して 0. 1〜5%で再析出抑制効果が得られる。 好ましくは 0. 5〜3%の範 囲が良い。 前記高純度水ガラスを原料として使用した場合、 キレート剤の添カロは 不要である。
2 >球状含水シリカ粒子の乾燥 ·焼成処理工程 (工程- 2)
工程- 1において不純物を抽出除去した球状含水シリカ粒子中には、 なお水分が 保持されている。 この水分は、 付着水と結合水とに分けられる。 通常、 付着水は 100°C前後の温度で加熱すれば容易に除けるが、 結合水は 400°C以上の温度でも完 全に除去することは困難である。 付着水を除去するために乾燥処理を行い、 そし て、 結合水を除去し、 かつ、 シリカ粒子を緻密化させるために焼成処理を行う。 乾燥及び焼成の工程において、 乾燥時に静置状態で乾燥し、 その状態で焼成し た場合、 一部の粒子間で焼結が生じ、 粒径を増大させる原因となっていた。 乾燥 時もしくは乾燥後に解砕し、 焼成することで粒子間の焼結を抑制することができ、 焼成後においても粒径分布は最大粒子径が平均粒径の 4倍以下である粗粒含量の 少ない粒径分布が維持できる。
流動乾燥機は乾燥しながら、 解碎されるため、 さらに有効である。 付着水を除 去するための乾燥処理条件は、 温度 50〜500°C、 実用的には 100〜300°Cの範囲と するのがよい。 処理時間は、 乾燥温度に応じて、 1分間〜 40時間の範囲で適宜選 定すればよレ、。 通常、 10〜30時間で乾燥できる。 また、 乾燥後に解砕を行うこと により、 乾燥及び焼成処理の際にシリ力を流動状態に保たなくても、 粒子同士が 焼結することなく焼成できる。 平均粒径 0. 1〜 100 μ mのシリカゲル粒子を焼成す るにあたり、 乾燥後の解碎が粒子間焼結を防止するために有効である。
焼成前の解砕には最大粒径の 1 0倍以下の目開きを有するスクリーンが用いら れる。 好ましくは 1〜5倍の目開きを有するスクリーンを使用することがよい。 さらに好ましくは 1〜3倍の目開きを有するスクリーンを使用することがよい。 スクリーンを使用した解砕の仕方は特に限定しないが、 振動スクリーンや超音波 スクリーンを用いる方法や水平円筒状のスクリーンの内部に原料をフィードし、 スクリーン内部に取り付けられたブレードを高速回転させることにより、 連続的 に解砕させる方法 (例えば、 ターボ工業製ターボスクリーナー) などが挙げられ る。 スクリーンの材質は金属による汚染が無いものが好ましい。 これを満足する ために樹脂製のスクリーンが好ましい。 樹脂の種類は特に限定しないが、 ポリエ チレン、 ポリプロピレン、 ナイロン、 カーボン、 アクリル、 ポリエステル、 ポリ イミド、 フッ素系樹脂等が使用できる。 解砕時の静電気を抑制するために、 帯電 性を抑制した樹脂が有効である。 また、 高湿下で作業することも可能である。 ま た、 若干の水分を添加することも可能である。
また、 解碎前原料シリカの最大粒径以下の目開きを有するスクリーンを用いる ことにより、 解砕と分級を同時に行うことも出来る。 原料シリカの粒径分布から スクリーン上が 10%に相当する粒径と同じ目開き、 もしくはそれ以上の目開きを 有するスクリーンが工業的に有用である。
本発明の解碎法の原料となるシリカゲル粒子は前記の珪酸アル力リをエマルシ ヨン化させ凝固させる方法以外で製造されるシリカゲル粒子でも使用できる。 シ リカゲル粒子の製造方法は特に限定しないが、 ゾルゲル法等が用いられる。 ゾル ゲル法による焼成シリカ粒子の製造方法は、 原料としてシリコンアルコキシド、 珪酸アル力リ、 シリカゾル等の原料段階では、 溶液状またはゾル状であればいず れの原料でも使用できる。 ゾルゲル法ではこれらの原料を用い、 種粒子を成長さ せる粒子成長法、 原料を懸濁またはエマルシヨン化させ凝固させる方法等が挙げ られる。 原料段階で溶液状またはゾル状であれば問題なく、 製造過程で凝固させ ゲルの状態を経る手法であればいかなる手法でも適用できる。 シリカゲル粒子と は比表面積 200m 2/g以上を有するシリカ粒子であり、 本発明は特に 200m 2 /g以上 の比表面積を有するシリカゲルの焼成に有効である。 工業的には珪酸アル力リを エマルシヨン化させ、 凝固させる方法がコスト的に有利であり、 最も好ましい。 解碎後の焼成方法は特に限定しないが、 石英等の容器中において、 600〜1500 °Cの任意の温度で焼成できる。 また、 その他の方法として、 流動焼成炉、 ロータ リーキルン、 火炎焼成炉などを用いることもできる。 場合によって、 焼成後に極 弱い凝集が見られることもあるが、 苒度スクリーンを用いて角军碎することにより、 粒子間焼結および凝集のない単分散状の焼成シリカ粒子が得られる。
工程 - 1のような湿式法で得られたシリ力粒子の表面には多数のシラノール基 (Si-OH) が存在し、 これが大気中の水分と結合して前記結合水となる。 このシ ラノール基は、 工程 _1で得られたシリカを 1000°C以上の温度で焼成処理すること により、 除去することができる。 この処理によって、 粒子間で焼結の無い、 比表 面積の小さな緻密な球状シリカを得ることができる。 焼成温度は高いほうがより 緻密な粒子が得られ、 樹脂配合時の流動性が良くなるため、 好ましくは 1100°C以 上がよい。 さらに表面のシラノールを極限まで低減させるためには 1150°C以上の 焼成が好ましい。
焼成時間は焼成温度に応じて、 1分間〜 20時間の範囲で適宜選定すればよい。 通常、 2〜10時間で所定の比表面積まで下げることができる。 焼成処理を行う際 の雰囲気としては、 酸素や炭酸ガスなどでも良いし、 必要によっては窒素やアル ゴンなどの不活性ガスを用いることもできる。 実用的には空気とするのがよい。 焼成処理を行う際に用いる装置としては、 シリカ粒子を静置した状態で処理する 焼成炉を用いることができる。 なお、 シリカ粒子を流動状態に保ちながら焼成処 理する装置、 たとえば、 流動焼成炉 ·ロータリーキルン ·火炎焼成炉などを用い ることもできる。 加熱源としては、 電熱または燃焼ガスなどを用いることができ る。 焼成前のシリカゲルの水分含有量は特に規定しないが、 焼成時の粒子間固結 が生じないようにするために、 出来る限り含水率を低減したシリカゲルを焼成す ることが好ましい。
本発明の焼成シリカ粒子は、 平均粒径 0. l〜100 // m、 比表面積が 200m 2 Z g未 満のシリカ粒子である。 特に粒径が平均 0. l〜20 mのシリカ粒子の製造に有効で あり、 また、 比表面積が理論値付近のシリカ粒子を製造する際に有効である。 焼 成前におけるシリカゲル粒子の比表面積は特に規定しないが、 通常ゾルゲル法で は比表面積 400m 2 / g以上を有し、 それを焼結して 200m 2 / g以下、 好ましく は粒径に対する理論値の 1 0倍以下、 さらに好ましくは 3倍以下とするものであ る。
本発明では焼成前に解砕することにより、 焼成時に粒子間焼結が生じないこと を見出した。 即ち、 平均粒径に対する最大粒径が 4倍以下である球状シリカゲル を生成させた後、 焼成前に解碎することで、 平均粒径に対する最大粒径が 4倍以 下である非孔4球状シリ力の製造を可能とした。 ゾルゲル法では焼成前の粒子径 を制御することが比較的容易であるが、 比表面積を 200m 2 Z g以下まで焼成す る際に一部で粒子間焼結が発生し、 粗粒含量の少ない粒子の製造が出来なかつた。 特に理論値の 3倍以下まで比表面積を低減させた場合、 粒子間の焼結が顕著であ つた。 し力 し、 前述の手法により、 ゾルゲル反応で平均粒径に対し、 最大粒径が 4倍以下のシリ力ゲル粒子を製造すれば、 焼成時の粒子間固結を生じさせること なく、 そのまま平均粒径に対し、 最大粒径が 4倍以下の焼成シリカ粒子が製造で さる。
本発明で調製した非孔性球状シリカは粗粒含量が少なく、 かつ、 樹脂に混合し た際、 極めて米占度が低いため、 特に狭い隙間に流し込む液状封止材用充填材とし て好適に用いることができる。 以下、 実施例と比較例を示し、 本発明を具体的に説明する。
<実施例 1〉
1 >球状シリカゲル粒子の調製
1-1) エマルションの調製
水ガラスとして J I S 3号水ガラスを水で希釈し、 Si02分を 15%に調整した もの、 連続相形成用液体としてイソパラフィン系炭化水素油 ( 「ァイソゾール 4 0 0」 、 日本石油化学工業製) 、 乳化剤としてソルビタンモノォレート ( 「レオ ドール S P— 0 1 0」 、 花王製) を使用した。 水ガラス、 アイソゾール 4 0 0、 レオドール S P— O 1 0をそれぞれ 20kg、 7. 5kg, 0. 18kg秤量した。 各原料を混 合し、 攪拌機で粗攪拌した後、 乳化機を用いて 2980rmpの回転数で乳化させ、 乳 化液 415gを採取した。
1-2) 球状シリカゲルの凝固 ·不純物抽出 ·洗浄処理,
28%硫酸水溶液を 575g調製し、 室温で攪拌しながら、 これに前述の乳化液を添 加した。 添加終了後、 室温下でさらに 40分間攪拌を続けた。 次いで攪拌下で 62% 工業用硝酸 40gを添加し、 さらに 20分間攪拌した後、 攪拌下で 100°Cに加熱し、 30 分間保持した。 この処理によって、 乳濁状の反応液はオイル相 (上層) とシリカ ゲル粒子が分散した水相 (下層) とに分離した。
オイノレ相を除き、 水相中のシリカゲル粒子を常法により濾過 ·洗浄した。 洗浄 は 0. 01%硫酸水溶液で反応液を置換洗浄した後、 純水を用い、 洗液の pHが 4以上 になるまで繰り返した。 ヌッチヱを用いて、 脱水し、 球状シリカゲルを得た。 2 >球状シリ力ゲルの乾燥 ·解碎 ·焼成工程
得られた球状シリカゲルを温度 120°Cで 20時間乾燥し、 100gのシリ力粒子を得 た。 この乾燥シリカ粒子をポリエステル製目開き 33 i mスクリーンで解砕し、 石 英製ビーカー (1リットル) に充填し、 1150°Cで 6時間焼成した。
焼成して得られたシリカ粒子について分析したところ、 N a、 K、 L iなどの アルカリ金属、 C a、 M gなどのアルカリ土類金属及ぴ C r、 F e、 C uなどの 遷移金属の各元素の濃度は lppm以下であり、 また、 Uおよび T hの放射性元素の 合計は 0. lppb以下であった。 得られたシリカ粒子についての各種の測定並びに観 察結果を表 1及び 2に示す。 得られたシリ力粒子の平均粒径は 1. 3 μ m、 最大粒 径は 3 μ mであり、 真比重は 2. 19であった。 B E T法で測定した比表面積は 2. 7 m 2Zgで理論値の 1. 3倍であった。 また、 電子顕微鏡写真より真球度が 0. 9以上で ある粒子の含有率が 90%以上である球状シリ力粒子で、 表面の平滑性も良好であ 7こ 0
<実施例 2〉
J I S 3号水ガラスを純水で希釈し、 Si02分を 27%に調整した他は、 実施例 1と同様にして、 球状シリカを得た。 得られたシリカ粒子についての各種の測定 並びに観察結果を表 1及び 2に示す。
ぐ実施例 3 >
J I S 3号水ガラスを濃縮し、 25°Cでの粘度を 350cpに調整した。 その他の条 件は実施例 1と同様にして、 球状シリカを得た。 得られたシリカ粒子についての 各種の測定並びに観察結果を表 1及び 2に示す。
<実施例 4>
乳化機の回転数を 1800rpmとした他は、 実施例 3と同様にして、 球状シリカを 得た。 得られたシリカ粒子についての各種の測定並びに観察結果を表 1及び 2に 示す。
<実施例 5>
J I S 3号水ガラスの代わりにアルカリ金属、 Siを除く他の金属含有量の合計 が 0.1質量%以下のアル力リ珪酸塩水溶液を用いた。 その他は実施例 4と同様にし て、 球状シリカを得た。 得られたシリカ粒子についての各種の測定並びに観察結 果を表 1及び 2に示す。
<実施例 6>
実施例 3で乾燥後得られたシリカ粒子をターボ工業製ターボスクリーナー T S 250 X 200により、 ポリエチレン製目開き 33 /zmのスクリーンを通過させ、 解砕した。 スクリーンを通過した粒子は石英製ビーカーにて 1150°Cで 6時間焼成 し、 焼成シリカ粒子を得た。 得られたシリカ粒子についての各種の測定並びに観 察結果を表 3及び 4に示す。
ぐ実施例 7 >
実施例 3で乾燥後得られたシリカ粒子をターボ工業製ターポスタリーナー T S 250 X 200により、 ポリエチレン製目開き 24/ mのスクリーンを通過させ、 解碎した。 スクリーンを通過した粒子は石英製ビーカーにて 1150°Cで 6時間焼成 し、 焼成シリカ粒子を得た。 得られたシリカ粒子についての各種の測定並びに観 察結果を表 3及び 4に示す。
<実施例 8>
実施例 4で乾燥後得られたシリカ粒子をターボ工業製ターボスクリーナー T S 2 5 0 X 2 00により、 ポリエチレン製の 24 μιη又は 33 jumのスクリーンを通過 させ、 解碎'分級した。 なお、 解砕 ·分級前におけるサンプルの粒径分布でスク リーン上が 10%に相当する粒径は 19 mであった。 それぞれのスクリーンを通過 した粒子は石英製ビーカーにて 1150°Cで 6時間焼成し、 焼成シリカ粒子を得た。 得られたシリ力粒子についての各種の測定並びに観察結果を表 5に示す。
<比較例 1 >
シリカエース AFG— S (三菱レイヨン製) をボールミルで粉碎し、 平均粒径 6 m程度に粒度調整した。 二重管バーナーを用い、 溶融球状シリカを調製した。 溶融化条件は LPG: 3.3Nm3/h、 酸素: 17.6Nm Zhr、 シリカ供給量 lOkgZhrで 行った。 得られた溶融球状シリカを分級し、 微粒及び粗粒を除去した。 分級後の シリ力粒子についての各種の測定並びに観察結果を表 1、 2に示す。 平均粒径、 粒径分布は実施例 3と同等であつたが比表面積が 2.3m2/ gと、 実施例 3に比 較し大きい。 平均粒径、 最大粒径が実施例 3と同等であるにもかかわらず、 粘度 が実施例 3よりも大きく、 粒子の比表面積が大きレヽことが粘度を増大させている。 <比較例 2>
実施例 6で乾燥後に得られたシリカ粒子を解砕せずに石英製ビーカーにて 1150 。Cで焼成し、 焼成シリカ粒子を得た。
<比較例 3>
シリ力ゲル粒子の解枠にステンレス製の目開き 32μπιのスクリーンを用いた以 外は実施例 6と同様にして焼成シリ力粒子を得た。
実施例 1〜7で得られたシリ力粒子についての不純物含有率に関しては N a、 K、 A l、 T i、 F eおよび Z rの各元素の濃度はそれぞれ 0. lppm以下であり、 Uおよび Thはいずれも 0. lppb以下であった。 また、 比較例 1のシリカ粒子の不 純物含有率は N a : 0.4ppm、 K : 0. lppm以下、 A 1 : 1. Oppm、 T i : 0. lppm, F e : 24ppm、 Z r : 0. lppm以下であった。 また、 比較例 3は F eが 5ppmを示し、 ステンレスによるコンタミネーシヨンが認められた。
実施例 1〜5、 比較例 1及び 2で得られたシリ力粒子の物性を表 1及び 2に示す。 実施例 6、 7及び比較例 2で得られたシリカ粒子の物性を表 3及び 4に示す。 粒径は Coulter社製 LS- 130を用いて測定した。 平均粒径はメディアン値、 最大粒径はス クリーン下が 100. 00%を示した粒径を表す。 スクリーン上は 50gのサン ルを 150gの純水でスラリー化し、 ステンレス製スクリーンを通過させた後、 スク リーン上残分を乾燥させ、 測定した。 20 Ai m及ぴ 50 μ ιπ隙間浸透性は幅 5匪、 隙間 寸法 20 μ πα、 長さ 18mmの隙間を有する金型を 75°Cの温度に加熱した後、 一方に測 定試料を垂らし、 毛細管現象により片端にまで浸透した時間を測定して、 時間 (分) で表示する。 測定試料は油化シ ルエポキシ株式会社製ェピコート 8 1 5 とシリカ粒子をシリカ配合率 6 5質量0 /0 (26gのシリカ粒子と 14gのェピコート 8 1 5を混合) で均一混合したものを用いた。 樹脂配合粘度は油化シェルエポキシ 株式会社製ェピコート 8 1 5とシリカをシリカ配合率 7 0質量。/。 (28gのシリカ と 12gのェピコ一ト 8 1 5を混合) で混合した際の粘度であり、 50°Cで測定した。 粘度計は東機産業製 R E 8 O R型 (E型粘度計) を使用した。
実施例 1〜7は全て最大粒径が平均粒径の 3倍以下を示した。 実施例 6及び 7は 32 μ πιスクリーン上も 0. 001wt%以下であり、 粒子間固結は認められなかった。 ま た、 チキソトロピー性を示す 77 1Z 77 2は全て 1. 1以下を示した。 特に平均粒径が 5 i m以下の実施例 1〜3では ?7 1Z 2が 0. 8以下を示した。 さらに、 平均粒径が 3 m 以下の実施例 1、 2では 0. 5以下を示した。
一方、 火炎溶融法により調製した比較例 1は 1/ 77 2が 1. 3であった。 スクリー ンによる解碎を行わず、 焼成した比較例 2は最大粒径が 74 m、 32 μ mスクリー ン上が 3· 2%と粒子間固結による粗粒が認められた。 粗粒は極めて強く粒子間焼 結しており、 解砕不可能な状態であった。 また、 20 z m及び 50 πι隙間浸透性は 最大粒径が 20 m以上であるため、 30分間以内では浸透しなかった。
表 1
Figure imgf000022_0001
表 2
Figure imgf000022_0002
*油化シェルエポキシ株式会社製ェピコート 815混合時の粘度 (シリカ :ェポキ シ樹脂 =70: 30質量比、 50°C)
个 个幅 5腿、 隙間寸法 20 μ m又は 50 μ m、 長さ 18誦の隙間を有する金型を 75°Cの 温度に加熱した後、 一方に測定試料を垂らし、 毛細管現象により片端にまで浸透 した時間を測定して、 時間 (分) で表示する。 測定試料は油化シェルエポキシ株 式会社製ェピコ一ト 8 1 5とシリカをシリカ配合率 6 5質量0 /o (26gのシリカと 14gのェピコート 8 1 5を混合) で均一混合したものを用いた。 実施例 4及ぴ 5 の 20 μ m隙間浸透性試験は最大粒径が 20 β m以上であるため実施せず。
氺 氺
?? 1: 0. 5rpmの粘度、 2: 2· 5rpmの粘度 表 3
Figure imgf000023_0001
表 4
Figure imgf000023_0002
表 5
Figure imgf000023_0003
産業上の利用可能性
本発明の方法によれば、 アルカリ珪酸塩水溶液を原料として、 アルカリ金属及 ぴウランなどの放射性元素等の不純物含有率が極めて低い高純度で、 かつ、 粗粒 含量の少ない高純度球状シリカ粒子を得ることができる。
本発明の方法で得られた非孔性球状シリカは、 樹脂配合時に低いチキソトロピ 一比を示すため、 従来技術による場合に比較して、 電子部品の中で特に狭い隙間 に流し込むような液状封止材用充填材として好適に用いることができる。

Claims

請求の範囲
1 . 以下の項目を満足する平均粒径が 0· 1〜20 μ mの非孔性球状シリ力: (a) 最大粒径が平均粒径の 4倍以下
(b) 非孔性球状シリカとビスフエノール A型液状エポキシ樹脂を質量比で 70: 30混合した際の粘度測定において、 粘度計の回転数 0. 5rpmの粘度値を η 1、 2. 5rpmの粘度値を η 2とした場合、 lZ ?7 2< 1. 0。
2 . 以下の(1)〜(7)の工程を含む非孔性球状シリ力の製造方法:
(1)アル力リ珪酸塩水溶液を分散相として細粒状に分散させた油中水滴型 (W/ o型) エマルシヨンを調製する乳化工程、
(2) (1)で調製した油中水滴型 (WZO型) エマルシヨンを 15〜50質量%の鉱酸 水溶液と混合し、 反応後の鉱酸濃度が 10質量%以上となるように球状シリカゲル を生成させる凝固工程、
(3) (2)で生成した球状シリカゲルを含む反応液を 50°C以上に加熱し、 不純物を 抽出する抽出工程、
(4) (3)で不純物を抽出した球状シリ力ゲルを洗浄する洗浄工程、
(5) (4)で洗浄した球状シリ力ゲルを乾燥させる乾燥工程、
(6) (5)の乾燥時もしくは乾燥後に解砕する解碎工程、 及び
(7) (6)で角牟砕した球状シリ力ゲルを焼成する焼成工程。
3 . 鉱酸として硫酸を使用し、 凝固工程から洗浄工程前に硝酸及び Z又は塩 酸を添加することをさらに含む、 請求項 2記載の非孔性球状シリ力の製造方法。
4 . 以下の(1)〜(6)の工程を含む非孔性球状シリ力の製造方法:
(1)アルカリ金属及ぴ Siを除く他の金属含有量の合計が 0. 1質量%以下のァルカリ 珪酸塩水溶液を分散相として細粒状に分散させた油中水滴型 (W/O型) ェマル シヨンを調製する乳化工程、
(2) (1)で調製した油中水滴型 (W/O型) エマルシヨンを鉱酸水溶液と混合し、 球状シリカゲルを生成させる凝固工程、 .
(3) (2)で生成した球状シリ力ゲルを洗浄する洗浄工程、
(4) (3)で洗浄した球状シリ力ゲルを乾燥させる乾燥工程、 (5) (4)の乾燥時もしくは乾燥後に解枠する解碎工程、 及ぴ
(6) (5)で解砕した球状シリ力ゲルを焼成する焼成工程。
5 . 平均粒径が 0. 1〜100 μ mのシリ力ゲル粒子を最大粒径の 10倍以下の目開き を有するスクリーンを用いて解碎した後、 焼成することを含む焼成シリカ粒子の 製造方法。
6 . 平均粒径が 0. 1〜100 μ πιのシリカゲル粒子を最大粒径以下の目開きを有 するスクリーンを用いて解砕 ·分級した後、 焼成することを含む、 焼成シリカ粒 子の製造方法。
7 . スクリーンが樹脂製である請求項 5または 6記載の焼成シリカ粒子の製造 方法。
8 . 請求項 1に記載の非孔性球状シリ力を含有する封止用樹脂組成物。
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