WO2019131353A1 - 熱硬化性組成物及びペースト - Google Patents
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- C08G59/00—Polycondensates containing more than one epoxy group per molecule; Macromolecules obtained by polymerising compounds containing more than one epoxy group per molecule using curing agents or catalysts which react with the epoxy groups
- C08G59/18—Macromolecules obtained by polymerising compounds containing more than one epoxy group per molecule using curing agents or catalysts which react with the epoxy groups ; e.g. general methods of curing
- C08G59/40—Macromolecules obtained by polymerising compounds containing more than one epoxy group per molecule using curing agents or catalysts which react with the epoxy groups ; e.g. general methods of curing characterised by the curing agents used
Definitions
- the present invention relates to a thermosetting composition, in particular to a thermosetting composition comprising a resin material and a curing agent, and to a paste containing the thermosetting composition.
- the applicant of the present invention has disclosed a heat dissipating powder paint excellent in coating performance such as heat dissipation, adhesion, weather resistance, and / or paintability as a powder paint (Patent Document 1). .
- the performance required of the resin material used in such an environment is not merely the durability in a high temperature environment.
- resin materials are required.
- the resin material is required to have sufficient strength and durability against large mechanical loads such as repeated vibration and / or impact when used in, for example, vehicles and transport equipment.
- the resin electrode containing conductive particles may be adopted as a part of the chip-like electronic component.
- the above-mentioned resin electrode which can serve as a buffer for thermal or mechanical loads, is employed, high reliability can be achieved without overcoming some important technical problems. It is impossible to realize the provided chip-like electronic component.
- solder joint required for a metal electrode provided on a rigid substrate such as a glass fiber reinforced epoxy resin substrate and a chip-like electronic component joined via a solder It is an improvement of heat resistance under high temperature (typically, over 200 ° C.) environment.
- G0 grade specified for passive components applicable to all electrical components in the Automotive Electronics Council (AEC) -Q200 It is required to have a resistance to temperature cycles between -50 ° C. and 150 ° C., which is equivalent to the above, and a resistance to repeated mechanical vibrations in use.
- a resin containing insulating fine particles may be employed. Even in this case, highly reliable diodes can not be realized without overcoming some important technical problems. Examples of specific technical issues include that electrical insulation does not deteriorate in an environment of 120 ° C. or higher, 2 atmospheres pressure, and 100% humidity, or high-temperature heat resistance at the time of solder bonding similarly to the resin electrode, It is a temperature cycle tolerance equivalent to the above-mentioned G0 grade.
- a resin containing conductive fine particles, semiconductor fine particles, and / or insulating fine particles may be employed as a heat conductive adhesive. Also in these cases, as described above, various types of highly functional modules with high reliability can not be realized unless durability in a severe environment is ensured.
- a resin containing semiconductor fine particles and / or insulating fine particles may be employed.
- tools for example, in a cutting tool or grinding stone (hereinafter, also collectively referred to as "tool")
- a resin containing semiconductor fine particles and / or insulating fine particles may be employed.
- An example of a specific technical problem is the high bond strength and toughness improvement that can maintain bonding even at high temperatures when exposed to environments where severe friction and / or wear occur.
- it even if it contacts the hard material momentarily with strong force while rotating at high speed, it is generated in the radial direction and circumferential direction in the grinding wheel by the impact resistance which does not chip or break or strong centrifugal force of high speed rotation. Due to the strain, the resin material is also required to have flexibility such that the grindstone is deformed and does not lead to breakage in a repetitively loaded situation as the temperature rises.
- the present invention greatly contributes to the realization of a thermosetting composition containing a resin material and a curing agent, which has high reliability even in a severe environment, by solving at least one technical problem described above. It can.
- the present inventors harmonize the rigidity and the flexibility as a resin by containing a specific epoxy resin and a specific curing agent, It has been found that at least a part of the above-mentioned technical problems can be solved by realizing a thermosetting composition which also has adequate rigidity as well as adequate rigidity. Specifically, for example, in a state where it is exposed to a high temperature environment due to soldering or friction, or in a state where a large mechanical load is applied due to an external impact including a collision, a state where appropriate adhesive strength is required. To the contrary, the appropriate rigidity of the resin can function effectively.
- thermosetting composition has at least a part of the following characteristics (a) to (d) by further research.
- C Even if conductive fine particles, semiconductor fine particles or insulating fine particles are contained according to the intended use or purpose, the characteristics of the resin of the base material are not deteriorated or the deterioration does not easily occur.
- the invention can be applied to various coating methods or various transfer methods, and / or to an object to be coated It is possible to realize a paste state which adheres closely and can maintain the application shape or transfer pattern even by heat treatment at the time of curing of the thermosetting composition.
- thermosetting composition provided with the above-mentioned characteristic can play a role as a material adopted for many articles including not only daily necessities and clothes but also electric and electronic fields and medical fields.
- the present invention was created based on the above-mentioned viewpoints.
- thermosetting composition of the present invention comprises one or more trifunctional trifunctional compounds in which two or more of backbone molecules having one or more aromatic rings are linked via a methylene chain having one or two carbon atoms. It contains the above epoxy resin (A), and a curing agent (B) which is at least one selected from the group of an imidazole curing agent, dicyandiamide (Dicy), and a cationic curing agent.
- the elastic modulus of the coating or flaky cured product having a thickness of 0.05 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less when cured has temperature stability.
- the resin material as the base material has appropriate rigidity and appropriate flexibility, and further, is excellent in thermal decomposition, so that it can be used under severe environment, for example, high temperature environment or temperature cycle. It is possible to have high reliability, such as realization of resistance to breakage or prevention of breakage, peeling or suppression of mechanical load due to vibration or impact.
- thermosetting composition containing a resin component
- layer includes the meaning of “film”.
- temperature stability of elastic modulus means that the storage and / or loss elastic modulus of the thermosetting composition containing a resin component is hardly affected by the peripheral temperature of the thermosetting composition. Means Furthermore, in a narrow sense, “temperature stability of elastic modulus” in the present application refers to glass by the reduction or breakage of intramolecular and intramolecular and intermolecular bonds in organic molecules accompanying temperature rise of the thermosetting composition itself.
- the “base material” refers to a composite structure formed by conductive, semiconductor, and / or insulating fine particles (fillers) and a resin, and is present among the fine particles in the composite structure. It means a resin component to be a substrate.
- thermosetting composition of the present invention it can have high reliability even in a harsh environment.
- thermosetting composition of this embodiment It is a graph which shows the temperature dependence of the storage / loss elastic modulus of the thermosetting composition of this embodiment.
- thermosetting composition which is embodiment of this invention is described in detail.
- thermosetting composition of the present embodiment has one or more trifunctional or more trifunctional or more functional groups in which two or more molecules of a skeleton having one or more aromatic rings are linked by a methylene chain having one or two carbon atoms.
- curing agent (B) which is at least one selected from the group of an imidazole based curing agent, dicyandiamide (Dicy), and a cationic curing agent.
- the elastic modulus of the coating or flaky cured product having a thickness of 0.05 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less when cured has temperature stability.
- the component (A) of the present embodiment is a thermosetting epoxy resin.
- the epoxy resin has two or more molecules having one or more aromatic rings from the viewpoint of expressing appropriate rigidity, and the methylene chain having one or two carbon atoms from the viewpoint of expressing appropriate flexibility. And molecules having one or more aromatic rings are attached.
- the component (A) of the present embodiment is trifunctional or more from the viewpoint of further forming a strong bond between molecules to enhance rigidity. Note that one or more aromatic rings are preferable from the viewpoint of enhancing the rigidity of the molecule.
- two or more molecules having an aromatic ring are preferable.
- three or more aromatic ring-containing molecules are more preferable.
- the epoxy resin is preferably a trifunctional or more functional epoxy from the viewpoint of forming a spatially dense network structure to increase the rigidity and have durability against repeated stress.
- the epoxy resin is particularly preferably trifunctional or tetrafunctional.
- thermosetting composition From the viewpoint of improving the shape retention of a film or layer formed as an object and improving the dimensional accuracy of various pattern shapes formed using the thermosetting composition. It is an aspect.
- the molecular weight of the epoxy resin is not particularly limited. However, a molecular weight of 400 or more and 800 or less is preferable from the viewpoint of enhancing the durability by forming a spatially dense network structure.
- a hydroxyphenyl type epoxy resin or a naphthalene type epoxy resin in which the epoxy resin molecule has appropriate rigidity is more preferable.
- an epoxy resin represented by the following chemical formula may have a suitable stiffness.
- Chemical formula 1 shows a hydroxyphenyl type epoxy resin
- chemical formula 2 (chemical formula 2) shows a naphthalene type epoxy resin.
- the component (B) of the present embodiment is at least one selected from the group of an imidazole-based curing agent, dicyandiamide (Dicy), and a cationic curing agent.
- These curing agents generate reactive species and cause a chain polymerization reaction to form a polymer network structure having a main skeleton in which the above-mentioned epoxy resin is continuously bonded.
- the curing agent since it is easy to form a spatially uniform network structure, and the curing agent itself is an interpolating bond in the polymer network structure of the epoxy resin, the curing agent itself is a factor of deterioration of rigidity and flexibility. It does not take. As a result, the rigidity and flexibility of the above-mentioned epoxy resin can be expressed with high accuracy.
- the activation start temperature of the curing agent is 110 ° C. or higher is a preferable embodiment from the viewpoint that the mechanical properties of the curing agent portion are unlikely to be deteriorated in a high temperature environment caused by soldering or friction.
- the molecular weight of the curing agent is not particularly limited. However, it is preferable that the molecular weight of the curing agent is less than 250, from the viewpoint of maintaining the appropriate rigidity and flexibility of the entire thermosetting composition with high accuracy.
- the lower limit of the molecular weight of the curing agent is not particularly limited. However, in consideration of an example of a curing agent which can be actually obtained in the market and can exhibit the effects of the present embodiment, it can be said that the molecular weight is 50 or more.
- thermosetting composition of the present embodiment the elastic modulus of the coating film or flaky (or layered) cured product having a thickness of 0.05 ⁇ m to 300 ⁇ m when cured is affected by the temperature. Unacceptable, in other words, temperature stable.
- FIG. 1 is a graph showing the temperature dependency of the storage / loss modulus of the thermosetting composition of the present embodiment.
- the solid line is the temperature dependency of the storage / loss modulus of the thermosetting composition of the present embodiment.
- the broken line is the temperature dependency of the storage / loss modulus of the conventional general resin composition as a comparative example.
- Tg in a figure means "glass transition temperature.”
- the “temperature change rate of elastic modulus” that can be an index of “temperature stability of elastic modulus” in the present embodiment is represented by the following equation.
- the temperature change rate ( ⁇ ) of the elastic modulus in the present embodiment is similar to that of a general resin composition. It can be seen that it is very small compared to the temperature dependency ( ⁇ ). Therefore, the reason that the temperature stability of the elastic modulus in the thermosetting composition of the present embodiment as shown in FIG. 1 is realized is the epoxy resin (A) in the thermosetting composition of the present embodiment and It can be said that it is in an extraordinar combination with the curing agent (B).
- thermosetting composition of the present embodiment can be obtained.
- the various tools or various devices provided can achieve the maintenance of strength in a high temperature environment and / or high durability to temperature cycles at large temperature differences.
- the film thickness when cured becomes less than 0.05 ⁇ m, it is usually difficult to form a film having a uniform thickness and a homogeneous material structure as viewed microscopically.
- a resin material is used as a component member of a chip-like electronic component in the field of electric and electronic fields, it is difficult to express high mechanical strength or high durability as various tools or various devices as a whole. It becomes.
- a film thickness exceeding 300 ⁇ m is adopted, the cured state of such a resin material tends to be nonuniform, so a film or flake formed when the thermosetting composition of the present embodiment is cured. It becomes difficult to develop the appropriate rigidity and / or flexibility of the solid cured product (hereinafter, also generically referred to as "cured coating film”) itself.
- the elastic modulus of the cured coating film of the present embodiment is not particularly limited as long as the effect of the present embodiment is lost.
- the storage elastic modulus in the cured coating film is 10 8 Pa or more and 10 10 Pa or less in the temperature range of ⁇ 55 ° C. or more and 300 ° C. or less.
- the loss elastic modulus in the cured coating film is 10 6 Pa or more and 10 9 Pa or less by continuously heating at 175 ° C. for 15 minutes is another preferable one from the above-mentioned point of view. It is an aspect.
- the temperature change rate ⁇ of the elastic modulus of the coating film is not particularly limited. However, by continuously heating at 175 ° C for 15 minutes, the temperature change rate of the storage elastic modulus in the cured coating film is -5.0 ⁇ 10 7 Pa / ° C or more in the temperature range of -55 ° C to 300 ° C. It is preferable from the viewpoint of being able to more accurately realize the durability under a temperature cycle load due to a large temperature difference or the resistance to vibration or a large impact load in a high temperature environment. It is an aspect.
- the temperature change rate of the loss elastic modulus in the cured coating film is -5.0 ⁇ in the temperature range of -55 ° C. or more and 300 ° C. or less by continuously heating at 175 ° C. for 15 minutes. From 10 6 Pa / ° C. or higher is another preferred embodiment from the above-mentioned viewpoint.
- the average linear expansion coefficient of the cured coating film in the temperature range of 50 ° C. to 70 ° C. is 1 by continuously heating at 175 ° C. for 15 minutes
- the average linear expansion coefficient in a temperature range of not less than ° C and not more than 160 ° C is not less than 0.5 and not more than 1.5.
- the linear expansion coefficient is also a physical property in which a sharp change occurs around the glass transition point (Tg) in a conventional general resin material.
- thermosetting composition of the present embodiment may optionally include an insulating filler (C), a semiconductor filler (D), and / or a conductive filler (E).
- C insulating filler
- D semiconductor filler
- E conductive filler
- thermosetting composition of the present embodiment can be used in an environment where the temperature difference between the lowest temperature and the highest temperature is 200 ° C. or more in the temperature range of ⁇ 55 ° C. or more and 300 ° C. or less. .
- the kind in particular of (C) component of this embodiment is not limited.
- Typical examples of the insulating filler are silica, alumina, zirconia, boron nitride, aluminum nitride, titanium oxide, ferrite, barium titanate, titanium oxynitride, aluminum hydroxide, calcium fluoride, mica and the like.
- (D) component of this embodiment is not limited.
- representative semiconductor fillers are silicon carbide, silicon, gallium nitride, indium nitride, zinc oxide, tin dioxide, indium oxide, bismuth telluride, diamond and the like.
- the type of the component (E) of the present embodiment is not particularly limited.
- representative conductive fillers are the following (a) to (d).
- the following (b-1) to (b-6) substances (b-1) metals (b-2) resins (b-3) in which an alloy containing a seed or two or more metals is coated by plating or the like
- Inorganic substances such as glass or ceramic
- Carbon nanotubes (b-5) Carbon-based substances such as fullerene (b-6)
- Organic fibrous substances such as cellulose (c) In
- thermosetting composition of the present embodiment As a paste-like substance formed by mixing the thermosetting composition of the present embodiment with one or more kinds of the above-described fillers and a liquid substance such as a known solvent or liquid resin. What is used is another preferred embodiment because a paste having the above-mentioned various characteristics of the thermosetting composition of the present embodiment will be used.
- the thermosetting composition of the present embodiment and a particulate solid material such as an oxide, a nitride, a carbide, a carbon-based inorganic material, or a particulate metal, and the above-mentioned liquid What mixed the substance can be used as the paste-like substance of the present embodiment.
- the paste-like substance further contains, for example, a silane coupling agent, benzotriazole, and / or various metal chelate substances as an adhesion imparting agent, in order to improve the adhesion between the substrate and metal and resin. May be contained.
- the paste-like substance further contains an ion catcher agent in order to improve storage stability.
- the paste-like substance further contains various minute inorganic fine particles in order to improve the coatability by controlling the viscoelastic property.
- the paste-like substance further contains an appropriate amount of a leveling agent such as a surface active agent in order to improve the surface smoothness.
- the coating method or transfer means with respect to base materials is not limited.
- known coating methods such as screen printing method, roller transfer method, dip method, immersion method, or spray coating method, or known transfer means can be used.
- the thermosetting composition of this embodiment can be further mixed with a liquid epoxy resin, and it can be used as a solid powdery epoxy resin.
- using as a binder resin which mixed the thermosetting composition of this embodiment and inorganic particles, such as a silica is also another suitable one aspect.
- Example Below, an Example and a comparative example are shown and the above-mentioned embodiment is more concretely described. However, these examples are disclosed only for the purpose of illustration of the above-described embodiments, and are not intended to limit the above-described embodiments. In addition, each numerical value of each component (each raw material) in each Example and a comparative example means a "mass part.”
- each example (1 to 10) and comparative example (1 to 9) is manufactured as follows.
- each other Example and each comparative example may be manufactured by the same method except for the point especially described below.
- a thermosetting resin composition is manufactured by mixing an epoxy resin (A), a curing agent (B), and a solvent using a kneader mixer.
- the epoxy resin (A) is a trifunctional hydroxyphenyl epoxy resin (a having a number average molecular weight of about 460) in which three molecules of a skeleton having one aromatic ring are linked by a methylene chain having 1 carbon atom ).
- the curing agent (B) is an imidazole curing agent (a) having an activation onset temperature of about 130 ° C. and a number average molecular weight of about 190.
- the solvent is ethyl carbitol.
- Example 1 carbon as a conductive filler (surface area of 1200 square meters per 1 g or more) and whisker-like silver particles (a) in which potassium titanate is coated with silver in a thermosetting resin composition (a Flake silver particles (b) consisting of silver having an average fiber diameter of about 0.3 ⁇ m, an average fiber length of about 30 ⁇ m, and an aspect ratio of about 60, and an average particle diameter of about 4 ⁇ m and an aspect ratio of 20 or more Stir and mix using a kneader mixer according to the number of blending parts shown in Example 1 of 1.
- a thermosetting resin composition a Flake silver particles (b) consisting of silver having an average fiber diameter of about 0.3 ⁇ m, an average fiber length of about 30 ⁇ m, and an aspect ratio of about 60, and an average particle diameter of about 4 ⁇ m and an aspect ratio of 20 or more
- thermosetting composition of Example 1 was obtained by disperse
- thermosetting resin composition (containing no filler) produced through the above-described steps is cured on a polyimide film or ceramic plate using a bar coater to a thickness of about 150 microns (about 7 mm in width and about 7 mm in width). It was applied so that the length was about 15 mm: for measurement of elastic modulus, 2 mm square: for measurement of linear expansion coefficient), and heat cured at 175 ° C. for 15 minutes in a drying oven to obtain a flaky cured product .
- Table 1-1 shows each component of the mixed materials of Examples 1 to 7 and each evaluation result. Further, Table 1-2 shows each component of the mixed materials of Examples 8 to 11 and each evaluation result.
- Example 2 and Example 3 having a number average molecular weight of about 620, as an epoxy resin (A), in which four molecules of a skeleton having one aromatic ring are linked by a methylene chain having 2 carbon atoms.
- each component of Example 4 and Example 5 has an activity onset temperature as a curing agent (B) of about (190 ° C.) and a number average molecular weight of about 84 dicyandiamide (DICY), and an activity onset temperature
- B curing agent
- DIX dicyandiamide
- the components are the same as the components of Example 1 except that a cationic curing agent having a number average molecular weight of about 430 and a temperature of about 170 ° C. is used.
- thermosetting resin composition is manufactured by mixing an epoxy resin (A), a hardening
- the epoxy resin (A) is a molecule of a skeleton having one aromatic ring, a trifunctional hydroxyphenyl epoxy resin (a having a number average molecular weight of about 460, three bonded by a methylene chain having 1 carbon atom) ).
- the curing agent (B) is an imidazole curing agent (a) having an activation onset temperature of about 130 ° C. and a number average molecular weight of about 190.
- the solvent is butyl carbitol acetate.
- Example 6 in the thermosetting resin composition, silica particles (made by Admatex Co., Ltd. (model number: SO-C2)) as insulating fillers, titanium oxynitride particles (Mitsubishi Materials Co., Ltd.) Kneader mixer according to the number of compounding parts shown in Table 1 (Table No .: TitanBlack 13M-C), and talc (magnesium silicate) particles (Nippon Talc Co., Ltd. (Model No .: Talc P-6)) Stir and mix using.
- silica particles made by Admatex Co., Ltd. (model number: SO-C2)
- titanium oxynitride particles Mitsubishi Materials Co., Ltd. Kneader mixer according to the number of compounding parts shown in Table 1 (Table No .: TitanBlack 13M-C)
- talc magnesium silicate particles
- thermosetting composition of Example 6 was obtained by disperse
- thermosetting resin composition is manufactured by mixing an epoxy resin (A), a hardening
- the epoxy resin (A) is a trifunctional hydroxyphenyl epoxy resin (a having a number average molecular weight of about 460) in which three molecules of a skeleton having one aromatic ring are linked by a methylene chain having 1 carbon atom ).
- the curing agent (B) is an imidazole curing agent (a) having an activation onset temperature of about 130 ° C. and a number average molecular weight of about 190.
- the solvent is xylene.
- Example 7 in the thermosetting resin composition, silicon carbide particles (manufactured by Shinano Electric Smelting Co., Ltd. (model number: Shinanorandom # 1000)) as a semiconductor filler are further added to the practice of Table 1. Stir and mix using a kneader mixer according to the number of parts shown in Example 7.
- epoxy resin (A) a trifunctional hydroxy group having a number average molecular weight of about 460, in which three molecules of a skeleton having one aromatic ring are linked by a methylene chain having 1 carbon atom.
- the components are the same as the components of Example 6 except that they were used simultaneously in each mixing ratio.
- thermosetting composition of Example 7 was obtained by disperse
- Table 2 shows each component of the mixed materials of Comparative Examples 1 to 9 and each evaluation result.
- the component of Comparative Example 1 does not have an aromatic ring as the epoxy resin (A) and has a number average molecular weight of about 250 and a bifunctional alicyclic epoxy resin having a cyclic aliphatic skeleton in the molecule (
- the components are the same as the components of Example 1 except that d) is used.
- the component of Comparative Example 2 is a tetrafunctional hydroxyphenyl epoxy resin (e) having a number average molecular weight of about 640, in which four molecules of a skeleton having one aromatic ring are linked by a methylene chain of 3 carbon atoms. Except the point used as (A), it is the same as the component of Example 1.
- the component of Comparative Example 3 is a bifunctional glycidyl ether resin (f) having a number average molecular weight of about 900, in which a molecule of a skeleton having one aromatic ring is bound by a methylene chain having 1 carbon atom.
- the components are the same as the components of Example 1 except that they are used as
- Each component of Comparative Examples 4 to 7 is an acid anhydride curing agent having an activity onset temperature of about 190 ° C. and a number average molecular weight of about 190, an amine onset curing temperature of about 120 ° C. and a number average molecular weight of about 370.
- the component of Comparative Example 8 is a trifunctional hydroxyphenyl epoxy resin (a) having a number average molecular weight of about 460 in which three molecules of a skeleton having one aromatic ring are linked by a methylene chain of 1 carbon, and a mass average molecular weight are similar to the components of Example 1 except that a bisphenol A type epoxy resin (g) of about 50,000 is employed as the epoxy resin (A).
- the component of Comparative Example 9 is a multifunctional novolac epoxy resin (h) in which many molecules of a skeleton having one aromatic ring are bonded by a methylene chain of 1 carbon, and a bisphenol A type having a weight average molecular weight of about 5500
- the epoxy resin (i) is employed as the epoxy resin (A).
- thermosetting composition of this embodiment various physical properties and performance evaluation of the thermosetting composition of this embodiment, and the result are demonstrated.
- Storage Modulus / Loss Modulus The inventors of the present invention have shown the storage modulus (Pa) and the loss modulus of the thermosetting composition (excluding the filler) shown in each example and each comparative example of the present embodiment.
- the rate dependence was evaluated in the temperature range of ⁇ 55 ° C. to 300 ° C.
- a dynamic viscoelasticity measuring apparatus manufactured by Seiko Instruments Inc., model: DMS 6100
- the evaluation results of the storage elastic modulus and the maximum value, the minimum value of the loss elastic modulus, and the maximum value of the average rate of change are shown in Tables 1 and 2.
- the storage elastic modulus of the thermosetting composition in each example is 10 8 Pa or more and 10 10 or more in the temperature range of ⁇ 55 ° C. or more and 300 ° C. or less. It was confirmed to be within the range below Pa. Moreover, it was confirmed that the loss elastic modulus in each Example is in the range of 10 6 Pa or more and 10 9 Pa or less. Furthermore, it was found that the temperature change rate of the storage elastic modulus was -5.0 ⁇ 10 7 Pa / ° C. or higher, and the temperature change rate of the loss elastic modulus was -5.0 ⁇ 10 6 Pa / ° C. or higher.
- the resin material as described above, it is an advantageous physical property that is less dependent on temperature, that is, less susceptible to temperature change, in the wide temperature range of ⁇ 55 ° C. to 300 ° C .; It has been confirmed that by employing the resin composition, mechanical properties can be exhibited with a high degree of accuracy, in which high rigidity and flexibility are well balanced.
- the term “elastic modulus” means storage elastic modulus and / or loss elastic modulus.
- the storage elastic modulus and the loss elastic modulus are preferred embodiments that can be adopted even if only one of them is within the above-mentioned numerical range, but the storage elastic modulus and the loss elastic modulus described above It is a more preferable aspect from the viewpoint that both mechanical properties in which high rigidity and flexibility are well balanced can be exhibited with high accuracy when both are within the above-mentioned respective numerical ranges.
- each elastic modulus described above and their temperature change rate it is a preferred embodiment that can be adopted even if only one of them is within each numerical range described above, but each elastic modulus described above And that all of their temperature change rates are within the above-mentioned numerical range, it is a further preferable aspect from the viewpoint that the mechanical properties with high balance of high rigidity and flexibility can be exhibited with high accuracy. Become.
- thermomechanical analyzer for the temperature dependency of the linear expansion coefficient of the thermosetting composition (but not including the filler) shown in each Example and each Comparative Example of the present embodiment.
- TMA manufactured by Hitachi High-Tech Science Co., Ltd., TMA-7100
- TMA-7100 in a temperature range of 25 ° C. to 250 ° C., under the conditions of a temperature elevation rate of 2 ° C. and a load of 4.9 mnewton.
- thermosetting composition containing a filler formed on an alumina substrate, as shown in each example and each comparative example of the present embodiment.
- the adhesive strength of was evaluated.
- thermosetting composition containing various fillers manufactured through the above-described steps is applied to a 0.3 mm thick, 50 mm square alumina substrate using a bar coater. Then, a coating having a thickness of 20 microns, a width of 20 mm, and a length of 30 mm was formed.
- a silicon chip of about 0.5 mm in thickness and 10 mm square with nickel plating was further placed on the coating film, and a sample was prepared by heat curing at 175 ° C. for 15 minutes. did.
- the inventors of the present invention evaluated the presence or absence of peeling or cracks on the bonding portion or the coating when the above-described sample is heated at a maximum temperature of 300 ° C. and 270 ° C. for 15 seconds in a drying furnace and returned to normal temperature. The evaluation was similarly performed on at least 10 or more samples.
- the display method of the evaluation result is as follows. :: no crack, peeling or destruction ⁇ : The number of samples in which cracking, peeling, or breakage was observed was 10% or less. X: The number of samples in which cracking, peeling, or breakage was observed exceeded 10%.
- thermosetting composition containing various fillers manufactured through the above-described steps is thick.
- a sample having a film thickness of 20 microns, a width of 20 mm and a length of 30 mm was produced on an alumina substrate of 0.3 mm and 50 mm square.
- the above-mentioned sample is placed in a thermal shock tester, and the repeated temperature history between the low temperature side ( ⁇ 55 ° C. ⁇ 30 minutes) and the high temperature side (155 ° C. ⁇ 30 minutes) is 3000 cycles, and the low temperature side ( ⁇ 55 ° C.) 1000 cycles of repeated temperature history between ⁇ 30 minutes) and high temperature side (175 ° C ⁇ 30 minutes), and further, low temperature side ( ⁇ 20 ° C ⁇ 60 minutes) and high temperature side (260 ° C ⁇ 60 minutes) Between 500 cycles of temperature history was given.
- the evaluation was performed similarly for at least 10 or more samples.
- the display method of the evaluation result is as follows.
- die shear strength The present inventors also evaluated the temperature dependency of die shear strength (bonding strength to shear load) at the interface between the thermosetting composition of the above-described embodiment and nickel plating.
- a bar coater For the thermosetting composition containing various fillers manufactured through the above-mentioned steps, using a bar coater, a 0.3 mm thick, 50 mm square alumina substrate with a film thickness of 20 microns, 20 mm wide, 30 A mm-long coating was formed using screen printing.
- a silicon chip of about 0.5 mm in thickness and 10 mm square was further plated with nickel on the coating, and thermally cured by heating at 175 ° C. for 15 minutes for bonding Samples were prepared.
- the sample is maintained at temperatures of 160 ° C., 200 ° C., and 260 ° C. while controlling the temperature of the sample on a hot plate, and a general die shear tester (manufactured by Daga Precision Industries, model: Series 4000 PA2A) is used.
- the fracture strength at shear failure was measured using this method.
- the evaluation was performed similarly for at least 5 or more samples.
- the display method of the evaluation result is as follows. ⁇ : Die shear strength is 4 N / mm 2 or more ⁇ : Die shear strength is 2 N / mm 2 or more, less than 4 N / mm 2 ⁇ : Die shear strength is less than 2 N / mm 2
- thermosetting composition shown in each example is less likely to lower die shear strength in a high temperature region than the thermosetting composition shown in the comparative example. It became. More specifically, it was confirmed that the thermosetting composition shown in each example can have a die shear strength of 4 N / mm 2 or more in the above-mentioned high temperature region. Therefore, it was confirmed that sufficient bonding strength can be realized particularly in a high temperature region by adopting the thermosetting composition of the present embodiment represented by the thermosetting composition shown in each example.
- Bending Strength Test A sample was prepared by forming a coating having a thickness of 20 ⁇ m on a 0.4 mm thick FR-4 glass epoxy substrate (for bending test). In the three-point bending test, bending the substrate by 6 mm was repeated 10 times in the three-point bending test to evaluate the presence or absence of peeling, cracking or breakage. The evaluation was performed similarly for at least 5 or more samples.
- the display method of the evaluation result is as follows. : no crack, peeling or destruction ⁇ : The number of samples in which cracking, peeling, or breakage was observed was 10% or less. X: The number of samples in which cracking, peeling, or breakage was observed exceeded 10%.
- thermosetting composition or the filler-containing thermosetting composition of the present embodiment a thermosetting composition having high reliability even in a severe environment can be realized. Specifically, the following effects (a) to (d) can be exhibited.
- the storage / loss elastic modulus of the coated film (or flaky cured product) is in a temperature range of -55 ° C to 300 ° C. It is in a relatively narrow elastic modulus range and has a small rate of change, that is, the elastic modulus is hardly affected by temperature, in other words, excellent in temperature stability.
- the average linear expansion coefficient of the coating film (or flaky cured product) does not change significantly with temperature, that is, the temperature stability is excellent.
- C Even if conductive fine particles, semiconductor fine particles or insulating fine particles are contained depending on the use or purpose, the mechanical properties of the resin of the base material are not deteriorated, and it is -55 ° C to 300 ° C. In the temperature range, it has excellent high temperature heat resistance, temperature cycle resistance, high temperature adhesive strength, and / or is resistant to deterioration due to temperature, and is excellent in resistance to vibration or bending load.
- the invention can be applied to various coating methods or various transfer methods, and / or to an object to be coated It is possible to realize a paste state which adheres closely and can maintain the application shape or transfer pattern even by heat treatment at the time of curing of the thermosetting composition.
- the chip-like electronic component of the above-described embodiment can be utilized as many products or parts thereof including not only daily goods and clothing but also the electric and electronic fields and the medical field.
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Abstract
本発明の1つの熱硬化性組成物は、1つ以上の芳香環を持つ骨格の分子を、炭素数が1又は2のメチレン鎖により2つ以上結合した1種又は2種以上の3官能以上のエポキシ樹脂(A)と、イミダゾール系硬化剤、ジシアンジアミド(Dicy)、及びカチオン系硬化剤の群から選択される少なくとも1種である硬化剤(B)と、を含有し、硬化されたときの厚さが0.05μm以上300μm以下である薄片状硬化物の弾性率が温度安定性を有する。
Description
本発明は、熱硬化性組成物、特に樹脂材料と硬化剤とを含む熱硬化性組成物、及び該熱硬化性組成物を含有するペーストに関する。
これまで、各種産業の発展に大きく貢献し、日用品や衣類のみならず、電気・電子分野及び医療分野も含めた数多くの製品に採用されてきた樹脂に対する、更なる高機能化等の付加価値への要求は、その多様性と役割の重要性から、今後も益々強まることが予想される。例えば、電気・電子分野においては、電気機器に対する小型化、高効率化、及び高出力化の要求に伴って、該電気機器が達成すべき技術的課題は、益々高度化している。近年においては、軽量性と成形性に優れた樹脂材料は、代表的には電子制御部品の主要な構成部材として使用されるようになった。そのため、日用品又は衣類とは異なる熱的、機械的に苛酷な環境の中においても、導電性、絶縁性、誘電性、熱伝導性、及び/又は熱放射性等の機能を発現するとともに、高い耐久性と信頼性が、該樹脂材料には求められることとなる。
なお、本願出願人は、これまでに放熱性、密着性、耐候性などの塗膜性能、及び/又は粉体塗料としての塗装性に優れた放熱性粉体塗料を開示する(特許文献1)。
電気・電子分野における上述の技術的課題の一例として、自動車等の車両、航空機等を含む輸送機器に採用される電子制御部材、又は二次電池の高性能化に伴って該二次電池に採用される電子部品の増加による、高耐熱化及び高機械的耐久化への対策は、喫緊の課題である。
従来から、例えば自動車のエンジン周辺で用いられる電子制御部品においては、内燃機関から発生する熱による高温環境下での使用に耐える耐熱性向上に対する要求は存在していた。しかしながら、現代の技術進歩を考えると、近い将来、プラグインハイブリッド車又は電気自動車が普及することにより、益々使用電流量が増大し、電池が大容量化することは十分に予想されるところである。
また、炭化ケイ素(SiC)に代表される高温半導体デバイスに目を向けると、このようなデバイスが使用されることにより、周辺の電子制御部品が曝される熱的環境はより苛酷なものとなる。従って、そのような環境下において使用される樹脂材料に求められる性能は、単に高温環境における耐久性だけでない。例えば、寒冷地等において曝される低温状態と、該デバイス等が備える電子部品が発する熱による高温状態との両方に対する耐久性、及びそのような大きな温度差の中で生じる熱サイクルに対する高い耐久性が、樹脂材料には求められる。さらに、例えば、車両や輸送機器で使用される場合は、繰り返しの振動及び/又は衝撃等の大きな機械的な負荷に対して十分な強度及び耐久性が樹脂材料に要求されることは言うまでもない。
上述のチップ状電子部品の高温環境への耐性、又は機械的負荷に対する耐性を向上させるために、該チップ状電子部品の一部として導電性微粒子を含んだ樹脂電極が採用される場合がある。しかしながら、温度的又は機械的な負荷に対する緩衝材としての役割を果たし得る上述の樹脂電極が採用された場合であっても、幾つかの重要な技術的課題を克服しなければ、高い信頼性を備えたチップ状電子部品を実現することはできない。
より具体的な技術課題の例は、ガラス繊維強化エポキシ樹脂基板等のリジット基板上に設けられた金属電極と、はんだを介して接合されているチップ状電子部品とに求められる、はんだ接合時の高温(代表的には、200℃超)環境下における耐熱性の向上である。加えて、最近では、該チップ状電子部品が車載用として採用される場合には、AEC(Automotive Electronics Council)-Q200において全ての電装に適用される受動部品を対象に規定されている、G0グレードに相当する-50℃~150℃の間の温度サイクルへの耐性、及び使用時の繰り返しの機械的振動に対する耐性を要求される。さらには、上述の電気自動車又は高温半導体の普及に伴い、250℃~300℃の環境下における耐熱性、又は-55℃~300℃の温度範囲においてより大きな温度差での温度サイクルに対する耐久性が求められる。
また、ダイオードにおいては、絶縁性微粒子を含んだ樹脂が採用される場合がある。この場合であっても、幾つかの重要な技術的課題を克服しなければ、高い信頼性を備えたダイオードを実現することはできない。具体的な技術課題の例は、120℃以上,2気圧、湿度100%の環境下で電気的な絶縁性が劣化しないことや、又は、前記樹脂電極と同様にはんだ接合時の高温耐熱性や上述のG0グレードに相当する温度サイクル耐性である。
また、各種の高性能IC又は発光ダイオード(LED)の熱対策においては、導電性微粒子、半導体微粒子、及び/又は絶縁性微粒子を含んだ樹脂が熱伝導性接着剤として採用される場合がある。これらの場合も、上述と同様に、過酷な環境における耐久性が確保されなければ、信頼性の高い各種高機能性モジュールを実現することはできない。
電気・電子分野以外の分野においても、例えば、機械加工の分野では、切削、研削、又は研磨に求められる高い寸法精度が求められるとともに、セラミックなどの高強度材料又はCFRP等の難加工材に対する高速加工の要求がある。そのため、摩擦による苛酷な高温状態に対する耐性、加熱と冷却の繰り返しに対する耐性、又は機械的な負荷に対する耐性が、産業界から強く求められている。
そして、そのような機械加工の分野においても、例えば切削工具又は砥石(以下、総称して「工具」ともいう)においては、半導体微粒子及び/又は絶縁性微粒子を含んだ樹脂が採用され得る。しかしながら、幾つかの重要な技術的課題を克服しなければ、高い信頼性を備えた切削工具や砥石を実現することはできない。具体的な技術課題の例は、苛酷な摩擦及び/又は摩耗が生じる環境に曝されるときに、高温下においても接合を維持し得る高い接着強度と、強靭性の向上である。加えて、高速で回転しながら瞬間的に強い力で硬い材料に接触しても、欠けたり壊れたりしない耐衝撃性、又は高速回転の強い遠心力により砥石中の径方向及び円周方向に生じる歪により、温度上昇とともに、繰り返し負荷される状況において、砥石が変形し破壊に至らないような可撓性も、樹脂材料に求められる。
上述のとおり、苛酷な環境下であっても高い信頼性を備える、樹脂を備えた各種製品の研究及び開発は、未だ道半ばといえる。
本発明は、上述の少なくとも1つの技術課題を解決することにより、苛酷な環境下であっても高い信頼性を有する、樹脂材料と硬化剤とを含有する熱硬化性組成物の実現に大きく貢献し得る。
本発明者らが鋭意研究と分析を重ねた結果、本発明者らは、ある特異なエポキシ樹脂と特定の硬化剤とを含有させることによって、樹脂としての剛性と柔軟性とを調和させ、適度な剛性とともに適度な柔軟性をも備える熱硬化性組成物を実現することによって、上述の技術課題の少なくとも一部を解決し得ることを見出した。具体的には、例えば、はんだ付け時又は摩擦等によって高温環境に曝される状態、あるいは、衝突を含む外部からの衝撃等によって大きな機械的負荷がかかる状況において適切な接着強度が必要な状態に対しては、該樹脂の適度な剛性が有効に機能し得る。一方、温度サイクルにおいて、より大きな温度差により生じる熱応力に曝される状態、あるいは車両の振動によって、材料が破壊される応力以下であっても長期に亘って負荷が掛かる状態に対しては、該樹脂の適度な柔軟性が有効に機能し得る。
また、本発明者らは、さらに研究を進めることにより、該熱硬化性組成物が以下(a)~(d)の少なくとも一部の特性を備えることを知得した。
(a)塗膜(又は、薄片状硬化物)を形成したときに、該塗膜(又は、該薄片状硬化物)の弾性率が温度に影響されにくい、換言すれば温度安定性に優れた母材であること。
(b)塗膜(又は、薄片状硬化物)の平均線膨張係数の温度安定性に優れた母材であること。
(c)使用用途又は目的に応じて、導電性微粒子、半導体微粒子、又は絶縁性微粒子を含有させたとしても、母材の樹脂が有する特性を劣化させない、又は劣化が生じ難いこと。
(d)使用用途又は目的に応じて、導電性微粒子、半導体微粒子、又は絶縁性微粒子を含有させたとしても、各種の塗布法又は各種の転写法に適用し得る、及び/又は被塗布物に対して密着するとともに該熱硬化性組成物の硬化時の加熱処理によっても塗布形状又は転写パターンを維持し得るペースト状態を実現することが可能なこと。
(a)塗膜(又は、薄片状硬化物)を形成したときに、該塗膜(又は、該薄片状硬化物)の弾性率が温度に影響されにくい、換言すれば温度安定性に優れた母材であること。
(b)塗膜(又は、薄片状硬化物)の平均線膨張係数の温度安定性に優れた母材であること。
(c)使用用途又は目的に応じて、導電性微粒子、半導体微粒子、又は絶縁性微粒子を含有させたとしても、母材の樹脂が有する特性を劣化させない、又は劣化が生じ難いこと。
(d)使用用途又は目的に応じて、導電性微粒子、半導体微粒子、又は絶縁性微粒子を含有させたとしても、各種の塗布法又は各種の転写法に適用し得る、及び/又は被塗布物に対して密着するとともに該熱硬化性組成物の硬化時の加熱処理によっても塗布形状又は転写パターンを維持し得るペースト状態を実現することが可能なこと。
上述の特性を備える熱硬化性組成物は、日用品や衣類のみならず、電気・電子分野及び医療分野も含めた数多くの製品に採用される素材としての役割を果たし得る。本発明は上述の視点に基づいて創出された。
本発明の1つの熱硬化性組成物は、1つ以上の芳香環を持つ骨格の分子を、炭素数が1又は2のメチレン鎖により2つ以上結合した、1種又は2種以上の3官能以上のエポキシ樹脂(A)と、イミダゾール系硬化剤、ジシアンジアミド(Dicy)、及びカチオン系硬化剤の群から選択される少なくとも1種である硬化剤(B)と、を含有する。加えて、熱硬化性組成物は、硬化されたときの厚さが0.05μm以上300μm以下である塗膜又は薄片状硬化物の弾性率が温度安定性を有する。
この熱硬化性組成物によれば、母材としての樹脂材料が適度な剛性とともに適度な柔軟性を備え、さらに熱分解性に優れているため、苛酷な環境下、例えば高温環境又は温度サイクルへの耐性の実現、あるいは振動又は衝撃による機械的な負荷に対して破壊、剥離の防止、又は抑制の実現等の、高い信頼性を有し得る。
ところで、本願においては、「膜」は「層」とも表現される。従って、本願において「膜」という表現には「層」の意味が含まれ、「層」という表現には「膜」の意味が含まれる。また、本願において「弾性率の温度安定性」とは、樹脂成分を含んだ熱硬化性組成物の貯蔵及び/又は損失弾性率が、該熱硬化性組成物の周辺温度の影響を受け難いことを意味する。さらに狭義には、本願の「弾性率の温度安定性」とは、該熱硬化性組成物自身の温度上昇に伴う有機分子内の運動や分子内及び分子間の結合の低下又は切断によって、ガラス転移点の温度領域において弾性率が顕著に低下するという挙動を伴わないことを意味する。また、本願において「母材」とは、導電性、半導体、及び/又は絶縁性の各微粒子(フィラー)と樹脂とによって形成される複合構造において、該微粒子間に存在して、該複合構造の基質となる樹脂成分を意味する。
本発明の1つの熱硬化性組成物によれば、苛酷な環境下であっても高い信頼性を有し得る。
以下に、本発明の実施形態である熱硬化性組成物の一例について詳細に述べる。
本実施形態の熱硬化性組成物は、1つ以上の芳香環を持つ骨格の分子を、炭素数が1又は2のメチレン鎖により2つ以上結合した、1種又は2種以上の3官能以上のエポキシ樹脂(A)と、イミダゾール系硬化剤、ジシアンジアミド(Dicy)、及びカチオン系硬化剤の群から選択される少なくとも1種である硬化剤(B)より構成されている。加えて、熱硬化性組成物は、硬化されたときの厚さが0.05μm以上300μm以下である塗膜又は薄片状硬化物の弾性率が温度安定性を有する。
より具体的には、本実施形態の(A)成分は、熱硬化性エポキシ樹脂である。該エポキシ樹脂は適度な剛性を発現させる観点から1つ以上の芳香環を持つ分子を2つ以上有し、かつ適度な柔軟性を発現させる観点から炭素数が1又は2のメチレン鎖によって、上述の1つ以上の芳香環を持つ分子が結合されている。本実施形態の(A)成分は、さらに、分子間で強固な結合を形成し剛性を高める観点から3官能以上である。なお、芳香環が1つ以上であることは該分子の剛性を高める観点から好ましい。一方、芳香環を持たない場合は、熱硬化性組成物全体の剛性の低下、又は弾性率が温度の影響を受けやすくなるという問題が生じ得る。
また、芳香環を持つ分子は2つ以上が好ましい。特に、空間的に密な結合を形成し得る分子の対称性の観点から言えば、芳香環を持つ分子は3つ以上がより好ましい。
また、1つ以上の芳香環を持つ分子を繋ぐメチレン鎖の炭素数が2を越えると(つまり、3個以上になると)、上述と同様に、熱硬化性組成物全体の剛性の低下、又は弾性率が温度の影響を受けやすくなるという問題が生じ得る。該エポキシ樹脂は、空間的に密なネットワーク構造を形成し剛性を高めるとともに繰り返し応力に対する耐久性を有し得る観点から言えば、該エポキシ樹脂は3官能以上が好ましい。但し、該エポキシ樹脂が5官能以上になると、分子間の結合が密になることで剛性は高まるものの柔軟性が低下する可能性が高まる。従って、該エポキシ樹脂は、3官能又は4官能であることが特に好ましい。
なお、2種以上の3官能以上のエポキシ樹脂(A)を含むことは、より広い温度範囲において機械的特性に関する信頼性を向上させ得る観点から好適な一態様である。また、本実施形態の変形例の一つとして、1種の3官能の前記エポキシ樹脂(A)と、1種の4官能以上の前記エポキシ樹脂(A)を含むことは、該熱硬化性組成物として形成された膜や層の形状保持力を向上させるとともに、該熱硬化性組成物を用いて形成された様々なパターン形状において寸法精度が向上するという効果をさせる観点から、より好適な一態様である。
加えて、該エポキシ樹脂の分子量は特に限定されない。但し、分子量が400以上800以下であることは、空間的に密なネットワーク構造を形成することによって耐久性をより高める観点から好ましい。特に、エポキシ樹脂分子が適度な剛性を有するヒドロキシフェニル型のエポキシ樹脂又はナフタレン型のエポキシ樹脂がより好ましい。代表的には、以下の化学式によって示されるエポキシ樹脂が、適度な剛性を有し得る。なお、化学式1(化1)は、ヒドロキシフェニル型エポキシ樹脂を示し、化学式2(化2)は、ナフタレン型のエポキシ樹脂を示す。
本実施形態の(B)成分は、イミダゾール系硬化剤、ジシアンジアミド(Dicy)、及びカチオン系硬化剤の群から選択される少なくとも1種である。これらの硬化剤は、反応活性種を発生させ連鎖的に重合反応を起こし、上述のエポキシ樹脂が連続的に結合した主骨格を有する高分子ネットワーク構造を形成する。加えて、空間的に均一なネットワーク構造を形成し易く、且つ、硬化剤自体は前記エポキシ樹脂の高分子ネットワーク構造における補間的な結合であるため、硬化剤自体が剛性や柔軟性の劣化の要因とならない。その結果、上述のエポキシ樹脂の持つ剛性および柔軟性を確度高く発現し得る。
また、該硬化剤の活性開始温度が110℃以上であることは、はんだ付けや摩擦によって生じる高温環境下において硬化剤部位の機械的特性の劣化が生じ難くなる観点から、好適な一態様である。また、該硬化剤の分子量は特に限定されない。但し、該硬化剤の分子量が250未満であることは、熱硬化性組成物全体の適度な剛性と柔軟性をより確度高く維持する観点から好ましい。なお、該硬化剤の分子量の下限値は特に限定されない。但し、実際に市場において入手が可能であって、本実施形態の効果を奏し得る硬化剤の例を考慮すれば、該分子量は50以上であると言える。
また、本実施形態の熱硬化性組成物においては、硬化されたときの厚さが0.05μm以上300μm以下である塗膜あるいは薄片状(又は層状)硬化物の弾性率は、温度の影響を受け難い、換言すれば温度安定性を有する。
図1は、本実施形態の熱硬化性組成物の貯蔵/損失弾性率の温度依存性を示すグラフである。なお、実線は、本実施形態の熱硬化性組成物の貯蔵/損失弾性率の温度依存性である。また、破線は、比較例として、従来の一般的な樹脂組成物の貯蔵/損失弾性率の温度依存性である。また、図中の「Tg」は「ガラス転移温度」を意味する。また、本実施形態の「弾性率の温度安定性」の指標となり得る「弾性率の温度変化率」は、下記の式において表される。
図1に示すように、一般的な樹脂組成物においては、ガラス転移点(Tg)以上になると分子間の相互作用が低下するため、分子が比較的自由に運動ができるようになることで物性の急激な変化が起こる。その結果、弾性率の温度変化率(Δ)の大きな、顕著な変化が生じ得る。
一方、本実施形態の熱硬化性組成物の貯蔵/損失弾性率の温度依存性のグラフが示すように、本実施形態における弾性率の温度変化率(Δ)は、一般的な樹脂組成物の該温度依存性(Δ)と比較して非常に小さいことがわかる。従って、図1に示されるような、本実施形態の熱硬化性組成物における弾性率の温度安定性が実現されている理由は、本実施形態の熱硬化性組成物におけるエポキシ樹脂(A)と硬化剤(B)との絶妙な組み合わせにあると言える。
本実施形態の熱硬化性組成物におけるエポキシ樹脂(A)と硬化剤(B)との絶妙な組み合わせにより、弾性率の温度安定性が実現された結果、本実施形態の熱硬化性組成物を備える各種工具又は各種デバイスは、高温環境下での強度の維持、及び/又は大きな温度差における温度サイクルに対する高い耐久性を実現し得る。
硬化されたときの膜厚が0.05μm未満になった場合、均一な厚みと、微視的に見たときの均一な物質構造とを有する膜を形成することが通常は困難である。加えて、例えば、電気電子分野においてチップ状電子部品の構成部材としてそのような樹脂材料を用いた場合に、各種工具又は各種デバイス全体としての高い機械的強度又は高い耐久性を発現することが困難となる。一方、300μmを越える膜厚を採用した場合は、そのような樹脂材料の硬化状態が不均一となり易くなるため、本実施形態の熱硬化性組成物が硬化されたときに形成される膜又は薄片状硬化物(以下、総称的に「硬化塗膜」ともいう。)自身の適度な剛性及び/又は柔軟性を発現することが困難となる。
ところで、本実施形態の硬化塗膜の弾性率は、本実施形態の効果が損なわれれば特に限定されない。但し、175℃で15分間継続して加熱することにより硬化塗膜における貯蔵弾性率が、-55℃以上300℃以下の温度範囲において、108Pa以上1010Pa以下であることは、高温環境下において、大きな温度差による温度サイクルの負荷が与えられたときの耐久性、あるいは、振動又は大きな衝撃負荷に対する耐久性を、より確度高く実現し得る観点から好適な一態様である。また、異なる観点から言えば、175℃で15分間継続して加熱することにより硬化塗膜における損失弾性率が106Pa以上109Pa以下であることは、前述の観点から他の好適な一態様である。
また、本実施形態の硬化塗膜において、該塗膜の弾性率の温度変化率Δは特に限定されない。但し、175℃で15分間継続して加熱することにより硬化塗膜における貯蔵弾性率の温度変化率が、-55℃以上300℃以下の温度範囲において、-5.0×107Pa/℃以上であることは、高温環境下において、大きな温度差による温度サイクルの負荷が与えられたときの耐久性、あるいは、振動又は大きな衝撃負荷に対する耐久性を、より確度高く実現し得る観点から好適な一態様である。また、異なる観点から言えば、175℃で15分間継続して加熱することにより硬化塗膜における損失弾性率の温度変化率が、-55℃以上300℃以下の温度範囲において、-5.0×106Pa/℃以上であることは、前述の観点から他の好適な一態様である。
また、本実施形態の硬化塗膜において、175℃で15分間継続して加熱することにより硬化塗膜の、50℃以上70℃以下の温度範囲における平均線膨張係数を1としたときの、140℃以上160℃以下の温度範囲における平均線膨張係数が0.5以上1.5以下であることは好適な一態様である。本実施形態の熱硬化性組成物がそのような特性を備えることにより、金属又はセラミック等の樹脂とは物性の大きく異なる異種材料との混合材料として用いられる場合、部品の構成部材の一部としてこのような異種材料に接合、接着されて用いられる場合において、温度変化が生じた際に、異種材料間の線膨張係数の違いによって生じる熱応力に対する耐久性を、より確度高く実現し得る。なお、上述の弾性率と同様に、線膨張係数も、従来の一般的な樹脂材料においては、ガラス転移点(Tg)前後で急激な変化が起こる物性である。
なお、本実施形態の熱硬化性組成物は、絶縁性フィラー(C)、半導体フィラー(D)、及び/又は導電性フィラー(E)を任意に含み得る。また、-55℃以上300℃以下の温度範囲において、最低温度と最高温度との温度差が200℃以上である環境で、本実施形態の熱硬化性組成物が使用され得ることは特筆に値する。
また、本実施形態の(C)成分の種類は特に限定されない。代表的な絶縁性フィラーの例は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、窒化ホウ素、窒化アルミ、酸化チタン、フェライト、チタン酸バリウム、酸窒化チタン、水酸化アルミニウム、フッ化カルシウム、マイカ等である。
また、本実施形態の(D)成分の種類は特に限定されない。代表的な半導体フィラーの例は、炭化ケイ素、シリコン、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化亜鉛、二酸化スズ、酸化インジウム、ビスマステルル、ダイヤモンド等である。
加えて、本実施形態の(E)成分の種類は特に限定されない。代表的な導電性フィラーの例は、以下の(a)~(d)である。
(a)銀、銅、ニッケル、スズ、金、白金、パラジウム、又ははんだ、あるいは、銀、銅、ニッケル、スズ、金、白金、パラジウム、及びはんだの群から選択される1種又は2種以上の金属を含む合金
(b)銀、銅、ニッケル、スズ、金、白金、パラジウム、又ははんだ、あるいは、銀、銅、ニッケル、スズ、金、白金、パラジウム、及びはんだの群から選択される1種又は2種以上の金属を含む合金がめっき等によってコーティングされた、以下の(b-1)~(b-6)の物質
(b-1)金属
(b-2)樹脂
(b-3)ガラス又はセラミック等の無機物質
(b-4)カーボンナノチューブ
(b-5)フラーレン等のカーボン系物質
(b-6)セルロース等の有機繊維状物質
(c)酸化インジウムスズ(ITO)
(d)カーボン
(a)銀、銅、ニッケル、スズ、金、白金、パラジウム、又ははんだ、あるいは、銀、銅、ニッケル、スズ、金、白金、パラジウム、及びはんだの群から選択される1種又は2種以上の金属を含む合金
(b)銀、銅、ニッケル、スズ、金、白金、パラジウム、又ははんだ、あるいは、銀、銅、ニッケル、スズ、金、白金、パラジウム、及びはんだの群から選択される1種又は2種以上の金属を含む合金がめっき等によってコーティングされた、以下の(b-1)~(b-6)の物質
(b-1)金属
(b-2)樹脂
(b-3)ガラス又はセラミック等の無機物質
(b-4)カーボンナノチューブ
(b-5)フラーレン等のカーボン系物質
(b-6)セルロース等の有機繊維状物質
(c)酸化インジウムスズ(ITO)
(d)カーボン
また、本実施形態の熱硬化性組成物が、上述の1種又は複数種のフィラー類を含み、且つ公知の溶剤や液状樹脂等の液状物質と混合されることによって形成されるペースト状物質として用いられることは、本実施形態の熱硬化性組成物の上述の各種の特徴を有するペーストを用いることになるため、他の好適な一態様である。なお、代表的には、本実施形態の熱硬化性組成物と、粒子状の固形状物質、例えば、酸化物、窒化物、炭化物、カーボン系無機材料、又は粒子状の金属と、前述の液状物質とを混合したものを、本実施形態のペースト状物質として用いることができる。
また、該ペースト状物質は、例えば基材や金属と樹脂との密着性を向上させるために、さらに、シランカップリング剤、ベンゾトリアーゾール、及び/又は各種金属キレート物質等を密着性付与剤として含有し得る。また、該ペースト状物質が、保存安定性を向上させるために、さらにイオンキャッチャー剤を含有することは、他の好適な一態様である。加えて、該ペースト状物質が、粘弾性特性を制御することによって塗布性を改善するために、さらに微小な各種無機微粒子を含有することは、他の好適な一態様である。また、該ペースト状物質が、表面の平滑性を改善するために、さらに表面活性剤等のレベリング剤を適当量含有することは、他の好適な一態様である。
本実施形態の熱硬化性組成物をペースト状物質として用いる場合は、セラミック、樹脂、又は金属等の基材に対する塗布法又は転写手段は限定されない。代表的な塗布法又は転写手段の例は、スクリーン印刷法、ローラー転写法、ディップ法、浸漬法、又はスプレー塗装法等の公知の塗布法、あるいは公知の転写手段を用いることができる。また、固形粉末状エポキシ樹脂として、本実施形態の熱硬化性組成物を、さらに液体状エポキシ樹脂と混合して用いることができる。加えて、本実施形態の熱硬化性組成物とシリカ等の無機粒子とを混合したバインダー樹脂として使用することも、他の好適な一態様である。
[実施例]
以下に、実施例及び比較例を示して上述の実施形態について、より具体的に説明する。但し、これらの実施例は、上述の実施形態の例示のみを目的として開示されるものであり、上述の実施形態を限定するものではない。なお、各実施例及び比較例における各成分(各原料)の各数値は、「質量部」を意味する。
以下に、実施例及び比較例を示して上述の実施形態について、より具体的に説明する。但し、これらの実施例は、上述の実施形態の例示のみを目的として開示されるものであり、上述の実施形態を限定するものではない。なお、各実施例及び比較例における各成分(各原料)の各数値は、「質量部」を意味する。
各実施例(1~10)及び比較例(1~9)に示す第1の実施形態の混合材料は、実施例1を例にとると、以下のように製造される。なお、他の各実施例及び各比較例も、以下に特に記載した点を除いて、同様の方法によって製造され得る。
実施例1においては、エポキシ樹脂(A)、硬化剤(B)、及び溶剤を、ニーダーミキサーを用いて混合することにより、熱硬化性樹脂組成物を製造する。具体的には、該エポキシ樹脂(A)は、1つの芳香環を持つ骨格の分子を炭素数1のメチレン鎖により3つ結合した、数平均分子量約460の3官能ヒドロキシフェニル型エポキシ樹脂(a)である。また、該硬化剤(B)は、活性開始温度が約130℃で数平均分子量約190のイミダゾール系硬化剤(a)である。また、該溶剤は、エチルカルビトールである。
加えて、実施例1においては、熱硬化性樹脂組成物の中に、さらに導電性フィラーとしてのカーボン(1gあたりの表面積1200平方メートル以上)、チタン酸カリウムに銀を被覆したウイスカー状銀粒子(a)(平均繊維径約0.3μm、平均繊維長約30μm、アスペクト比約60)、及び平均粒子径約4μmであってアスペクト比が20以上の銀からなるフレーク状銀粒子(b)を、表1の実施例1に示す配合部数によって、ニーダーミキサーを用いて撹拌及び混合する。
その後、三本ロールを用いて導電性フィラーをペースト中に均一分散させることにより、実施例1のフィラー含有熱硬化性組成物を得た。
上述の工程を経て製造された熱硬化性樹脂組成物(フィラーを含まない)を、バーコーターを用いて、ポリイミドフィルム又はセラミック板上に硬化後の厚さが約150ミクロン(幅約7ミリ及び長さ約15ミリ:弾性率測定用,2ミリ角:線膨張係数測定用)となるように塗布し、乾燥炉にて175℃で15分間加熱硬化させることにより、薄片状硬化物を得た。
表1-1は、実施例1~7の混合材料の各成分及び各評価結果を示している。また、表1-2は、実施例8~11の混合材料の各成分及び各評価結果を示している。
また、実施例2及び実施例3の各成分は、エポキシ樹脂(A)として、1つの芳香環を持つ骨格の分子を炭素数2のメチレン鎖により4つ結合した、数平均分子量約620の4官能ヒドロキシフェニル型エポキシ樹脂(b)と、2つの芳香環を持つ骨格の分子を炭素数1のメチレン鎖により2つ結合した、数平均分子量約560の4官能ナフタレン型エポキシ樹脂(c)とを用いた点を除いて、実施例1の成分と同様である。
また、実施例4及び実施例5の各成分は、それぞれ、硬化剤(B)としての活性開始温度が約(190℃)であって数平均分子量約84のジシアンジアミド(DICY)と、活性開始温度約170℃であって数平均分子量が約430のカチオン系硬化剤とを用いた点を除いて、実施例1の成分と同様である。
また、実施例6においては、エポキシ樹脂(A)、硬化剤(B)、及び溶剤を、ニーダーミキサーを用いて混合することにより、熱硬化性樹脂組成物を製造する。具体的には、該エポキシ樹脂(A)は、1つの芳香環を持つ骨格の分子、炭素数1のメチレン鎖により3つ結合した、数平均分子量約460の3官能ヒドロキシフェニル型エポキシ樹脂(a)である。また、該硬化剤(B)は、活性開始温度が約130℃で数平均分子量約190のイミダゾール系硬化剤(a)である。また、該溶剤は、ブチルカルビトールアセテートである。
加えて、実施例6においては、熱硬化性樹脂組成物の中に、さらに絶縁性フィラーとしてのシリカ粒子(株式会社アドマテックス製(型番:SO-C2))、酸窒化チタン粒子(三菱マテリアル株式会社製(型番:TitanBlack 13M-C))、及びタルク(珪酸マグネシウム)粒子(日本タルク株式会社製(型番:タルクP-6))を、表1の実施例6に示す配合部数によって、ニーダーミキサーを用いて撹拌及び混合する。
その後、三本ロールを用いて絶縁性フィラーをペースト中に均一分散させることにより、実施例6のフィラー含有熱硬化性組成物を得た。
また、実施例7においては、エポキシ樹脂(A)、硬化剤(B)、及び溶剤を、ニーダーミキサーを用いて混合することにより、熱硬化性樹脂組成物を製造する。具体的には、該エポキシ樹脂(A)は、1つの芳香環を持つ骨格の分子を炭素数1のメチレン鎖により3つ結合した、数平均分子量約460の3官能ヒドロキシフェニル型エポキシ樹脂(a)である。また、該硬化剤(B)は、活性開始温度が約130℃で数平均分子量約190のイミダゾール系硬化剤(a)である。また、該溶剤は、キシレンである。
加えて、実施例7においては、熱硬化性樹脂組成物の中に、さらに半導体フィラーとしての炭化ケイ素粒子(信濃電気製錬株式会社製(型番:シナノランダム#1000))を、表1の実施例7に示す配合部数によって、ニーダーミキサーを用いて撹拌及び混合する。
また、実施例8乃至実施例10においては、エポキシ樹脂(A)として、1つの芳香環を持つ骨格の分子を炭素数1のメチレン鎖により3つ結合した、数平均分子量約460の3官能ヒドロキシフェニル型エポキシ樹脂(a)と、1つの芳香環を持つ骨格の分子を炭素数2のメチレン鎖により4つ結合した、数平均分子量約620の4官能ヒドロキシフェニル型エポキシ樹脂(b)とを、それぞれの混合比で同時に用いた点を除いて、実施例6の成分と同様である。
その後、三本ロールを用いて半導体フィラーをペースト中に均一分散させることにより、実施例7のフィラー含有熱硬化性組成物を得た。
表2は、比較例1~9の混合材料の各成分及び各評価結果を示している。
表2に示すように、比較例1の成分は、エポキシ樹脂(A)として芳香環を持たず、分子内に環状脂肪族骨格を有する数平均分子量約250の2官能の脂環式エポキシ樹脂(d)を用いた点を除いて、実施例1の成分と同様である。また、比較例2の成分は、1つの芳香環を持つ骨格の分子を炭素数3のメチレン鎖により4つ結合した、数平均分子量約640の4官能ヒドロキシフェニル型エポキシ樹脂(e)をエポキシ樹脂(A)として用いた点を除いて、実施例1の成分と同様である。また、比較例3の成分は、1つの芳香環を持つ骨格の分子を炭素数1のメチレン鎖により多数結合した、数平均分子量約900の2官能グリシジルエーテル型樹脂(f)をエポキシ樹脂(A)として用いた点を除いて実施例1の成分と同様である。
比較例4~7の各成分は、活性開始温度約190℃であって数平均分子量約190の酸無水物系硬化剤、活性開始温度約120℃であって数平均分子量約370のアミン系硬化剤、活性開始温度約90℃であって数平均分子量約220のイミダゾール系硬化剤(b)、又は活性開始温度約120℃であって数平均分子量約380のイミダゾール系硬化剤(c)を、硬化剤(B)として用いた点を除いて実施例1の成分と同様である。
比較例8の成分は、1つの芳香環を持つ骨格の分子を炭素数1のメチレン鎖により3つ結合した、数平均分子量約460の3官能ヒドロキシフェニル型エポキシ樹脂(a)と、質量平均分子量が約50000のビスフェノールA型エポキシ樹脂(g)とが、エポキシ樹脂(A)として採用されている点を除いて、実施例1の成分と同様である。
また、比較例9の成分は、1つの芳香環を持つ骨格の分子を炭素数1のメチレン鎖により多数結合した、多官能ノボラック型エポキシ樹脂(h)と、質量平均分子量約5500のビスフェノールA型エポキシ樹脂(i)とが、エポキシ樹脂(A)として採用されている点を除いて、実施例1の成分と同様である。
以下に、本実施形態の熱硬化性組成物の各種物性及び性能評価、並びにその結果について説明する。
1.貯蔵弾性率/損失弾性率
本発明者らは、本実施形態の各実施例及び各比較例に示す、熱硬化性組成物(但し、フィラーを含まない)の貯蔵弾性率(Pa)及び損失弾性率について、-55℃~300℃の温度範囲における温度依存性の評価を行った。具体的には、動的粘弾性測定装置(セイコーインスツル株式会社製、型式:DMS6100)を用いて、昇温速度5℃/分、周波数1Hz、引張モードの条件下において該温度依存性の評価を行った。なお、該貯蔵弾性率及び該損失弾性率の最大値、最小値、及び平均変化率の最大値についての評価結果は、表1及び表2に示される。
本発明者らは、本実施形態の各実施例及び各比較例に示す、熱硬化性組成物(但し、フィラーを含まない)の貯蔵弾性率(Pa)及び損失弾性率について、-55℃~300℃の温度範囲における温度依存性の評価を行った。具体的には、動的粘弾性測定装置(セイコーインスツル株式会社製、型式:DMS6100)を用いて、昇温速度5℃/分、周波数1Hz、引張モードの条件下において該温度依存性の評価を行った。なお、該貯蔵弾性率及び該損失弾性率の最大値、最小値、及び平均変化率の最大値についての評価結果は、表1及び表2に示される。
上述の貯蔵弾性率及び損失弾性率の測定結果を分析した結果、-55℃以上300℃以下の温度範囲において、各実施例における熱硬化性組成物の貯蔵弾性率は、108Pa以上1010Pa以下の範囲内であることが確認された。また、各実施例における損失弾性率は、106Pa以上109Pa以下の範囲内であることが確認された。さらに、貯蔵弾性率の温度変化率は-5.0×107Pa/℃以上であり、損失弾性率の温度変化率は-5.0×106Pa/℃以上であることが分かった。
樹脂材料において上述のごとく-55℃~300℃という広い温度範囲で、温度依存性の低い、換言すれば、温度変化に影響され難いことは、特筆に値する有利な物性であるため、該熱硬化性樹脂組成物を採用することにより、確度高く、高い剛性と柔軟性とのバランスが取れた機械的特性が発揮され得ることが確認された。
ところで、本願において「弾性率」という用語は、貯蔵弾性率及び/又は損失弾性率を意味する。なお、貯蔵弾性率及び損失弾性率については、それらの内のいずれか一方のみが上述の数値範囲内であっても採用し得る好適な態様であるが、上述の貯蔵弾性率及び損失弾性率の両方が上述の各数値範囲内であることは、高い剛性と柔軟性とのバランスが取れた機械的特性を確度高く発揮し得る観点から、より好適な態様となる。同様に、上述の各弾性率及びそれらの温度変化率について、それらの内のいずれか一方のみが上述の各数値範囲内であっても採用し得る好適な態様であるが、上述の各弾性率及びそれらの温度変化率の全てが上述の数値範囲内であることは、高い剛性と柔軟性とのバランスが非常に取れた機械的特性を確度高く発揮し得る観点から、さらに好適な一態様となる。
2.線膨張係数
本発明者らは、本実施形態の各実施例及び各比較例に示す、熱硬化性組成物(但し、フィラーを含まない)の線膨張係数の温度依存性を、熱機械分析装置(TMA:日立ハイテクサイエンス社製、TMA-7100)を用いて、25℃~250℃の温度範囲において、昇温速度2℃、荷重4.9ミリニュートンの条件下において測定した。
本発明者らは、本実施形態の各実施例及び各比較例に示す、熱硬化性組成物(但し、フィラーを含まない)の線膨張係数の温度依存性を、熱機械分析装置(TMA:日立ハイテクサイエンス社製、TMA-7100)を用いて、25℃~250℃の温度範囲において、昇温速度2℃、荷重4.9ミリニュートンの条件下において測定した。
上述の線膨張係数の測定結果を分析した結果、50℃以上70℃以下の温度範囲における平均線膨張係数を1としたときの、140℃以上160℃以下の温度範囲における平均線膨張係数が0.5以上1.5以下であることがわかった。上述の弾性率と同様に、樹脂材料において広い温度範囲で、温度依存性の低い、換言すれば、温度変化に影響され難いことは、特筆に値する有利な物性であるため、該熱硬化性樹脂組成物を採用することにより、確度高く、高い剛性と柔軟性とのバランスが取れた機械的特性が発揮され得ることが確認された。
さらに、本発明者らは、本実施形態の各実施例及び各比較例に示す、アルミナ基板上に形成されたフィラーを含む熱硬化性組成物の、高温耐熱性、耐温度サイクル性、加熱時の接着強度を評価した。
3.高温耐熱性
高温耐熱性の評価においては、上述の工程を経て製造された各種フィラーを含む熱硬化性組成物について、バーコーターを用いて、厚さ0.3ミリ、50ミリ角のアルミナ基板上に、膜厚20ミクロン、20ミリ幅、30ミリ長さの塗膜を形成した。高温耐熱性の試験においては、さらに、その塗膜の上にニッケルメッキを施した厚さ約0.5mm、10ミリ角のシリコンチップを載せ、175℃で15分間加熱硬化することにより試料を作製した。
高温耐熱性の評価においては、上述の工程を経て製造された各種フィラーを含む熱硬化性組成物について、バーコーターを用いて、厚さ0.3ミリ、50ミリ角のアルミナ基板上に、膜厚20ミクロン、20ミリ幅、30ミリ長さの塗膜を形成した。高温耐熱性の試験においては、さらに、その塗膜の上にニッケルメッキを施した厚さ約0.5mm、10ミリ角のシリコンチップを載せ、175℃で15分間加熱硬化することにより試料を作製した。
上述の試料を、乾燥炉において、最大温度300℃及び270℃で15秒間加熱し、常温に戻したときの、接合部又は塗膜上の剥離やクラックの有無を本発明者らは評価した。該評価は、少なくとも10個以上のサンプルについておいて同様に行われた。評価結果の表示方法は次の通りである。
○:クラック、剥離、又は破壊が認めらない。
△:クラック、剥離、又は破壊が認められたサンプル数が10%以下である。
×:クラック、剥離、又は破壊が認められたサンプル数が10%を越える。
○:クラック、剥離、又は破壊が認めらない。
△:クラック、剥離、又は破壊が認められたサンプル数が10%以下である。
×:クラック、剥離、又は破壊が認められたサンプル数が10%を越える。
4.ヒートサイクル熱衝撃耐性
ヒートサイクル熱衝撃耐性の評価においては、該高温耐熱性試験と同様に、上述の工程を経て製造された各種フィラーを含む熱硬化性組成物について、バーコーターを用いて、厚さ0.3ミリ、50ミリ角のアルミナ基板上に、膜厚20ミクロン、20ミリ幅、30ミリ長さの塗膜を備えた試料を作製した。
ヒートサイクル熱衝撃耐性の評価においては、該高温耐熱性試験と同様に、上述の工程を経て製造された各種フィラーを含む熱硬化性組成物について、バーコーターを用いて、厚さ0.3ミリ、50ミリ角のアルミナ基板上に、膜厚20ミクロン、20ミリ幅、30ミリ長さの塗膜を備えた試料を作製した。
上述の試料を、冷熱衝撃試験機に入れ、低温側(-55℃×30分)と高温側(155℃×30分)との間の繰り返し温度履歴を3000サイクルと、低温側(-55℃×30分)と高温側(175℃×30分)との間の繰り返し温度履歴を1000サイクルと、さらに、低温側(-20℃×60分)と高温側(260℃×60分)との間の繰り返し温度履歴を500サイクルと、を与えた。該評価は、少なくとも10個以上のサンプルについて同様に行われた。評価結果の表示方法は次の通りである。
○:クラック、剥離、又は破壊が認めらない。
△:クラック、剥離、又は破壊が認められたサンプル数が10%以下である。
×:クラック、剥離、又は破壊が認められたサンプル数が10%を越える。
△:クラック、剥離、又は破壊が認められたサンプル数が10%以下である。
×:クラック、剥離、又は破壊が認められたサンプル数が10%を越える。
5.ダイシェア強度(die shear strength)
また、本発明者らは、上述の実施形態の熱硬化性組成物と、ニッケルめっきとの界面におけるダイシェア強度(剪断負荷に対する接合強度)の温度依存性の評価を行った。上述の工程を経て製造された各種フィラーを含む熱硬化性組成物について、バーコーターを用いて、厚さ0.3ミリ、50ミリ角のアルミナ基板上に膜厚20ミクロン、20ミリ幅、30ミリ長さの塗膜を、スクリーン印刷法を用いて形成した。ダイシェア強度の試験においては、さらに、その塗膜の上にニッケルメッキを施した、厚さ約0.5mm、10ミリ角のシリコンチップを載せ、175℃で15分間の加熱によって熱硬化させて接合した試料を作製した。該試料を、ホットプレート上で該試料の温度を制御しながら、160℃、200℃、260℃の各温度に保持し、一般的なダイシェア試験機(Daga Precision Industries社製、型式:Series4000PA2A)を用いて、せん断破壊させたときの破壊強度を測定した。該評価は、少なくとも5個以上のサンプルについておいて同様に行われた。評価結果の表示方法は次の通りである。
○:ダイシェア強度が4N/mm2以上
△:ダイシェア強度が2N/mm2以上、4N/mm2未満
×:ダイシェア強度が2N/mm2未満
また、本発明者らは、上述の実施形態の熱硬化性組成物と、ニッケルめっきとの界面におけるダイシェア強度(剪断負荷に対する接合強度)の温度依存性の評価を行った。上述の工程を経て製造された各種フィラーを含む熱硬化性組成物について、バーコーターを用いて、厚さ0.3ミリ、50ミリ角のアルミナ基板上に膜厚20ミクロン、20ミリ幅、30ミリ長さの塗膜を、スクリーン印刷法を用いて形成した。ダイシェア強度の試験においては、さらに、その塗膜の上にニッケルメッキを施した、厚さ約0.5mm、10ミリ角のシリコンチップを載せ、175℃で15分間の加熱によって熱硬化させて接合した試料を作製した。該試料を、ホットプレート上で該試料の温度を制御しながら、160℃、200℃、260℃の各温度に保持し、一般的なダイシェア試験機(Daga Precision Industries社製、型式:Series4000PA2A)を用いて、せん断破壊させたときの破壊強度を測定した。該評価は、少なくとも5個以上のサンプルについておいて同様に行われた。評価結果の表示方法は次の通りである。
○:ダイシェア強度が4N/mm2以上
△:ダイシェア強度が2N/mm2以上、4N/mm2未満
×:ダイシェア強度が2N/mm2未満
このダイシェア強度の評価結果を分析した結果、各実施例に示す熱硬化性組成物は、高温領域において、比較例に示した熱硬化性組成物に比べて、ダイシェア強度が低下し難いことが明らかとなった。より具体的には、各実施例に示す熱硬化性組成物は、前述の高温領域において、4N/mm2以上のダイシェア強度を有し得ることが確認された。従って、各実施例に示す熱硬化性組成物に代表される本実施形態の熱硬化性組成物を採用することにより、特に高温領域においても十分な接合強度を実現し得ることが確認された。
6.曲げ強度試験
厚さ0.4ミリ、FR-4ガラエポ基板上(曲げ試験用)に、膜厚20ミクロンの塗膜を形成することにより試料を作製した。該試料を3点曲げ試験において、基板を6mm撓ませることを10回繰り返し、剥離、クラック、又は破壊の有無を評価した。該評価は、少なくとも5個以上のサンプルについておいて同様に行われた。評価結果の表示方法は次の通りである。
○:クラック、剥離、又は破壊が認めらない。
△:クラック、剥離、又は破壊が認められたサンプル数が10%以下である。
×:クラック、剥離、又は破壊が認められたサンプル数が10%を越える。
厚さ0.4ミリ、FR-4ガラエポ基板上(曲げ試験用)に、膜厚20ミクロンの塗膜を形成することにより試料を作製した。該試料を3点曲げ試験において、基板を6mm撓ませることを10回繰り返し、剥離、クラック、又は破壊の有無を評価した。該評価は、少なくとも5個以上のサンプルについておいて同様に行われた。評価結果の表示方法は次の通りである。
○:クラック、剥離、又は破壊が認めらない。
△:クラック、剥離、又は破壊が認められたサンプル数が10%以下である。
×:クラック、剥離、又は破壊が認められたサンプル数が10%を越える。
上述のとおり、本実施形態の熱硬化性組成物又はフィラー含有熱硬化性組成物を採用することにより、苛酷な環境下であっても高い信頼性を備える熱硬化性組成物を実現し得る。具体的には、以下の(a)~(d)の効果を奏し得る。
(a)塗膜(又は、薄片状硬化物)を形成したときに、該塗膜(又は、該薄片状硬化物)の貯蔵・損失弾性率が-55℃~300℃の温度範囲にて、比較的狭い弾性率範囲にあり、しかも変化率が小さく、すなわち弾性率が温度に影響されにくい、換言すれば温度安定性に優れる。
(b)塗膜(又は、薄片状硬化物)の平均線膨張係数が温度によって大きく変化せず、すなわち温度安定性に優れる。
(c)使用用途又は目的に応じて、導電性微粒子、半導体微粒子、又は絶縁性微粒子を含有させたとしても、母材の樹脂が有する機械的特性を劣化させず、-55℃~300℃の温度範囲にて、優れた高温耐熱性、耐温度サイクル性、高温時接着強度を有し、及び又は温度による劣化が生じ難く、かつ、振動又は曲げの負荷に対する耐性に優れる。
(d)使用用途又は目的に応じて、導電性微粒子、半導体微粒子、又は絶縁性微粒子を含有させたとしても、各種の塗布法又は各種の転写法に適用し得る、及び/又は被塗布物に対して密着するとともに該熱硬化性組成物の硬化時の加熱処理によっても塗布形状又は転写パターンを維持し得るペースト状態を実現することが可能なこと。
(a)塗膜(又は、薄片状硬化物)を形成したときに、該塗膜(又は、該薄片状硬化物)の貯蔵・損失弾性率が-55℃~300℃の温度範囲にて、比較的狭い弾性率範囲にあり、しかも変化率が小さく、すなわち弾性率が温度に影響されにくい、換言すれば温度安定性に優れる。
(b)塗膜(又は、薄片状硬化物)の平均線膨張係数が温度によって大きく変化せず、すなわち温度安定性に優れる。
(c)使用用途又は目的に応じて、導電性微粒子、半導体微粒子、又は絶縁性微粒子を含有させたとしても、母材の樹脂が有する機械的特性を劣化させず、-55℃~300℃の温度範囲にて、優れた高温耐熱性、耐温度サイクル性、高温時接着強度を有し、及び又は温度による劣化が生じ難く、かつ、振動又は曲げの負荷に対する耐性に優れる。
(d)使用用途又は目的に応じて、導電性微粒子、半導体微粒子、又は絶縁性微粒子を含有させたとしても、各種の塗布法又は各種の転写法に適用し得る、及び/又は被塗布物に対して密着するとともに該熱硬化性組成物の硬化時の加熱処理によっても塗布形状又は転写パターンを維持し得るペースト状態を実現することが可能なこと。
なお、上述の実施形態又は各実施例の開示は、その実施形態又は実施例の説明のために記載したものであって、本発明を限定するために記載したものではない。加えて、上述の実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。
上述の実施形態のチップ状電子部品は、日用品や衣類のみならず、電気・電子分野及び医療分野も含めた数多くの製品又はその一部として利用され得る。
Claims (14)
- 1つ以上の芳香環を持つ骨格の分子を、炭素数が1又は2のメチレン鎖により2つ以上結合した1種又は2種以上の3官能以上のエポキシ樹脂(A)と、
イミダゾール系硬化剤、ジシアンジアミド(Dicy)、及びカチオン系硬化剤の群から選択される少なくとも1種である硬化剤(B)と、を含有し、
硬化されたときの厚さが0.05μm以上300μm以下である薄片状硬化物の弾性率が温度安定性を有する、
熱硬化性組成物。 - 前記エポキシ樹脂(A)は、1種の3官能の前記エポキシ樹脂(A)と、1種の4官能以上の前記エポキシ樹脂(A)とを含む、
請求項1に記載の熱硬化性組成物。 - さらに、絶縁性フィラー(C)を含み、
-55℃以上300℃以下の温度範囲において、最低温度と最高温度の温度差が200℃以上である環境下で使用され得る、
請求項1又は請求項2に記載の熱硬化性組成物。 - さらに、半導体フィラー(D)を含み、
-55℃以上300℃以下の温度範囲において、最低温度と最高温度の温度差が200℃以上である環境下で使用され得る、
請求項1又は請求項2に記載の熱硬化性組成物。 - さらに、導電性フィラー(E)を含み、
-55℃以上300℃以下の温度範囲において、最低温度と最高温度の温度差が200℃以上である環境下で使用され得る、
請求項1又は請求項2に記載の熱硬化性組成物。 - 前記エポキシ樹脂(A)がヒドロキシフェニル型エポキシ樹脂又はナフタレン型エポキシ樹脂であって、且つ分子量400以上800未満である、
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の熱硬化性組成物。 - 前記硬化剤(B)の活性開始温度が110℃以上である、
請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の熱硬化性組成物。 - 前記硬化剤(B)の分子量が250未満である、
請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の熱硬化性組成物。 - 175℃で15分間継続して加熱することにより硬化されたときの薄片状硬化物における貯蔵弾性率が、-55℃以上300℃以下の温度範囲において、108Pa以上1010Pa以下である、
請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の熱硬化性組成物。 - 175℃で15分間継続して加熱することにより硬化されたときの薄片状硬化物における損失弾性率が106Pa以上109Pa以下である、
請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の熱硬化性組成物。 - 175℃で15分間継続して加熱することにより硬化されたときの薄片状硬化物における貯蔵弾性率の温度変化率が、-55℃以上300℃以下の温度範囲において、-5.0×107Pa/℃以上である、
請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の熱硬化性組成物。 - 175℃で15分間継続して加熱することにより硬化されたときの薄片状硬化物における損失弾性率の温度変化率が、-55℃以上300℃以下の温度範囲において、-5.0×106Pa/℃以上である、
請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の熱硬化性組成物。 - 175℃で15分間継続して加熱することにより硬化された薄片状硬化物の、50℃以上70℃以下の温度範囲における平均線膨張係数を1としたときの、140℃以上160℃以下の温度範囲における平均線膨張係数が0.5以上1.5以下である、
請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の熱硬化性組成物。 - 請求項1及至請求項13のいずれか1項に記載の該熱硬化性組成物を含有する、
ペースト。
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