WO2019188444A1 - 有機無機複合粒子からなる粉末 - Google Patents

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WO2019188444A1
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powder
boron nitride
organic
inorganic composite
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喜孝 稲木
祥太 台木
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株式会社トクヤマ
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    • C01B21/06Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/064Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with boron
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
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    • C08K3/38Boron-containing compounds
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    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L63/00Compositions of epoxy resins; Compositions of derivatives of epoxy resins
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L83/00Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L83/04Polysiloxanes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/08Materials not undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/14Solid materials, e.g. powdery or granular

Definitions

  • the present invention relates to organic-inorganic composite particles comprising a three-dimensional crosslinked resin and hexagonal boron nitride. Specifically, the hexagonal boron nitride particles form aggregates via the resin, and the resin component maintains the form of the organic-inorganic composite particles without easily eluting, and the heat conductive resin composition, etc.
  • the present invention relates to organic-inorganic composite particles suitable for the production of
  • metal base substrates in which a heat-dissipating insulating resin layer is provided on a metal plate is increasing, and such a resin layer is filled with alumina, aluminum nitride, boron nitride or the like as a filler having high thermal conductivity.
  • high thermal conductivity fillers are being used around sealing devices, adhesives, greases, and the like around semiconductor devices, and how to efficiently release heat has become important.
  • silica and alumina which are common fillers to be filled in the resin
  • methods for improving the filling property to the resin such as spheroidization and precise particle size distribution control have been developed by improving the synthesis method.
  • silica has many active hydroxyl groups on the surface, and surface treatment for improving the dispersibility in the resin is also performed.
  • hexagonal boron nitride is superior in thermal conductivity to silica and alumina, but is anisotropic in thermal conductivity.
  • Hexagonal boron nitride is a flat crystal, and the thermal conductivity in the longitudinal direction of the flat plate surface is as high as 200 W / m ⁇ K or more, but the thermal conductivity in the thickness direction of the flat plate is only 2 to 3 W / m ⁇ K. . Therefore, for example, if a boron nitride flat plate filled in a heat-dissipating resin sheet is filled in parallel to the sheet surface, the thermal conductivity in the thickness direction of the sheet cannot be increased.
  • hexagonal boron nitride has a property of cleaving along the surface and has a low hardness, so that it tends to be a powder in which tabular grains having a high aspect ratio occupy a large number. Due to these properties, when hexagonal boron nitride is used as a filler, there is a problem that thermal conductivity anisotropy tends to occur.
  • a typical example is a method in which tabular hexagonal boron nitride particles are randomly aggregated to form particles having no thermal anisotropy (see, for example, Patent Documents 1 to 5).
  • agglomerated particles are obtained by mixing diboron trioxide or a precursor thereof into a product obtained by firing boron carbide in a nitrogen atmosphere and firing the mixture.
  • Patent Document 2 composite particles of melamine borate and boron nitride are manufactured and baked to obtain aggregated particles.
  • an agglomerated particle is obtained by forming a granulated body from a slurry containing boron nitride and oxide particles and firing the granulated body.
  • a boron nitride aggregate is obtained by spray-drying a slurry in which a binder of a thermoplastic resin such as polyvinyl alcohol, a sintering aid such as calcium carbonate, and boron nitride particles are dispersed in a solvent, and then firing the slurry.
  • a binder of a thermoplastic resin such as polyvinyl alcohol
  • a sintering aid such as calcium carbonate
  • Patent Document 5 discloses a method for producing boron nitride aggregated particles bound by a binder resin by mixing a binder resin and boron nitride particles dissolved in a solvent and further precipitating the binder resin.
  • Patent Documents 1 to 4 and the like have a problem in industrial production because they require firing at an extremely high temperature of 1600 to 2200 ° C. in order to obtain aggregated particles.
  • an object of the present invention is to provide a powder comprising hexagonal boron nitride aggregated particles satisfying both high filling into the resin composition and high thermal conductivity, and a highly productive new powder. There is.
  • the present inventors have added hexagonal boron nitride powder to a hexagonal boron nitride powder by adding a small amount of a curable resin and then curing the resin.
  • the present invention has been completed by finding that it produces agglomerated particles in various directions.
  • the present invention is composed of organic-inorganic composite particles in which a plurality of randomly oriented hexagonal boron nitride particles are combined through a three-dimensional cross-linked resin, and the volume frequency measured by a laser diffraction scattering type particle size distribution meter is 50.
  • the present invention provides a method for producing the above powder by adding and mixing a three-dimensional cross-linking curable resin in an amount of 1 part by mass to 35 parts by mass with respect to 100 parts by mass of hexagonal boron nitride powder (1 ) And then a step (2) of curing the three-dimensional cross-linking curable resin.
  • a novel powder that is composed of hexagonal boron nitride aggregated particles that satisfy both high filling into the resin composition and high thermal conductivity, and has extremely high productivity.
  • the scanning electron microscope image of the boron nitride particle manufactured in manufacture example 1. The scanning electron microscope image of the organic inorganic composite particle manufactured in Example 1.
  • the scanning electron microscope image of the organic inorganic composite particle manufactured in Example 7. 6 is a graph showing the particle size distribution of the raw material boron nitride powder produced in Production Example 1 and the organic-inorganic composite particle powder produced in Examples 2 to 4.
  • the powder of the present invention comprises organic-inorganic composite particles in which a plurality of randomly oriented hexagonal boron nitride particles (hereinafter simply referred to as “boron nitride particles”) are combined via a three-dimensional cross-linked resin.
  • the volume frequency 50% particle size (D50) measured by a scattering type particle size distribution meter is in the range of 2 to 65 ⁇ m.
  • Organic inorganic composite particles In the organic-inorganic composite particles of the present invention, since a plurality of boron nitride particles are randomly oriented, the organic-inorganic composite particles have a boron nitride aggregate structure with little thermal anisotropy.
  • the powder of the present invention is substantially composed of the organic-inorganic composite particles, but may include composite particles composed of a single boron nitride particle and a three-dimensional cross-linked resin as long as the effects of the present invention are not impaired. Moreover, the boron nitride particles themselves to which the three-dimensional crosslinked resin is not fixed may be included.
  • the content of the three-dimensional crosslinked resin constituting the organic-inorganic composite particles is not particularly limited, but the upper limit is preferably 35 parts by mass or less, more preferably 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the boron nitride particles. Part or less, more preferably 25 parts by weight or less, particularly preferably 20 parts by weight or less, and the lower limit thereof is preferably 1 part by weight or more, more preferably 1.4 parts by weight or more, and further preferably 2 parts by weight. Above, especially preferably 2.5 parts by mass or more.
  • the amount of the three-dimensional crosslinked resin is within the above range, the boron nitride particles constituting the organic-inorganic composite particles can be easily kept in contact with each other, and the proportion of boron nitride particles having high thermal conductivity is relatively large. For this reason, the thermal conductivity of the organic-inorganic composite particles tends to be high.
  • the amount of the three-dimensional crosslinked resin is large.
  • the three-dimensional cross-linked resin known resins can be used without particular limitation. Specifically, phenol resin, epoxy resin, melamine resin, urea resin, unsaturated polyester resin, diallyl phthalate resin, polyurethane resin, cross-linked styrene resin, cross-linked acrylic Examples thereof include cured bodies such as resins and silicone resins. Among these, in view of compatibility with a resin that is generally used as a heat dissipation material, a cured epoxy resin, a cured acrylic resin, or a cured silicone resin is preferable. They also have the advantage of being easily cured by heating or light irradiation when adopting the production method described below.
  • the resin is three-dimensionally crosslinked, the solvent resistance and mechanical strength are also excellent. Therefore, for example, when an organic-inorganic composite particle is kneaded with a resin to produce a resin composition, the aggregated structure of hexagonal boron nitride particles is maintained even when a strong stress is applied, and mixed with a paint or the like. When used, there is an advantage that the aggregated structure does not collapse even if a solvent is present.
  • the organic-inorganic composite is ultrasonically dispersed in an organic solvent such as isopropyl alcohol and washed with the organic solvent, the carbon content derived from the three-dimensional crosslinked resin is reduced.
  • a method for evaluating the decrease rate can be used.
  • the reduction rate of the carbon content by the above evaluation is preferably 15% by mass or less, more preferably 10% by mass or less.
  • the powder composed of the organic-inorganic composite particles obtained in the present invention has a volume frequency 50% particle size (D50) measured by a laser diffraction / scattering particle size distribution meter of 2 to 65 ⁇ m, preferably 10 to 65 ⁇ m, more preferably 15 to It is in the range of 60 ⁇ m.
  • D50 refers to the value of the particle diameter at which the volume frequency is accumulated from the smaller particle diameter in the volume frequency distribution of the particle diameter to be measured and the cumulative value becomes 50%.
  • Measurement of the particle size distribution is carried out on a liquid in which a powder composed of organic-inorganic composite particles is dispersed in ethanol at a concentration of 0.2% by mass and subjected to ultrasonic irradiation of about 200 W for 2 minutes.
  • the method for producing the powder of the present invention is not particularly limited, but can be easily produced by the following method.
  • the three-dimensional cross-linking curable resin is preferably 1 part by mass or more and 35 parts by mass or less, more preferably 1.4 parts by mass or more and 30 parts by mass or less, and further preferably 2 parts by mass.
  • the step (1) of adding and mixing in an amount of 25 parts by mass or less, particularly preferably 2.5 parts by mass or more and 20 parts by mass or less, and then the step of curing the three-dimensional crosslinkable curable resin (2) It is a manufacturing method of the powder containing this. Hereinafter, this method will be described in detail.
  • hexagonal boron nitride As the hexagonal boron nitride used in the production method of the present invention, a powdery one produced by a conventionally known method can be used without particular limitation.
  • the boron nitride powder before the curable resin is mixed and cured is referred to as “raw material boron nitride powder”.
  • boron oxide, boric acid, boron carbide or the like can be used as a raw material and synthesized using a melamine method, a reductive nitriding method, or the like.
  • the particle form of the raw material boron nitride powder may be scaly or agglomerated, and may be particles having a high aspect ratio.
  • the purity is preferably higher from the viewpoint of thermal conductivity, and the boron nitride component is preferably 95% or more.
  • the upper limit of the particle diameter D50 is preferably 20 ⁇ m or less, more preferably 15 ⁇ m or less, and the lower limit of D50 is preferably 0.5 ⁇ m or more, more preferably 0.8 ⁇ m or more, and further preferably 1.2 ⁇ m or more. . If the particles are too large, it is difficult to form strong aggregates.
  • the particle size distribution may be monodispersed, but it is better that the particle size has a distribution in order to form an aggregate. By agglomerating small particles to fill the voids between the large particles, it is possible to form an aggregate with a small amount of internal voids and a small amount of anisotropy in which tabular particles are randomly packed.
  • the raw material boron nitride powder may be surface-treated in advance with a silane compound, silazane or the like.
  • thermosetting resin examples include phenol resin, epoxy resin, melamine resin, urea resin, unsaturated polyester resin, diallyl phthalate resin, polyurethane resin, silicone resin and the like.
  • thermoplastic resin capable of cross-linking polymerization is a resin that is originally a thermoplastic resin but can be made solvent-resistant by using a cross-linkable monomer. Vinyl resin such as acrylic resin and polystyrene is used. Based resins and the like.
  • the three-dimensional cross-linking curable resins it is preferable to use an epoxy resin, a silicone resin, or an acrylic resin in view of compatibility with a resin that is mainly used for the heat dissipation material. These are also preferable in terms of easy control of curing conditions and relatively easy acquisition and handling of raw material resins.
  • curable resin includes a curing agent, a curing accelerator, a polymerization initiator, a catalyst, a reactive diluent, a silane compound and the like in addition to a narrowly defined resin component. It shall refer to the resin composition.
  • thermosetting a resin that does not gel before sufficiently mixing when added and mixed as described later, but is cured with a simple apparatus and operation when necessary is preferable.
  • thermosetting there are thermosetting and photocuring methods for curing the three-dimensional cross-linking curable resin, but thermosetting is preferable in view of simple facilities and the like.
  • the gelation does not substantially gel at room temperature to 60 ° C., and the curing reaction proceeds at 80% or more when a temperature of 80 ° C. to 160 ° C. is applied.
  • the curing composition is three-dimensional so that the time during which the curing reaction proceeds 80% or more is preferably 10 minutes to 6 hours after reaching the set curing temperature, more preferably 20 minutes to 2 hours later.
  • a composition of a crosslinkable curable resin is prepared.
  • the curing temperature and curing speed can be selected appropriately by selecting the type and amount of the curing agent, curing accelerator, polymerization initiator, polymerization catalyst, etc. of the resin to be selected, by conducting well-known techniques and performing simple experiments as necessary. It can be easily controlled.
  • curable resins suitably used in the present invention are given below.
  • the epoxy resin that can be used in the present invention is not particularly limited, and general resins can be used. Specific examples include bisphenol A type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, phenol novolac type epoxy resin, cresol novolac type epoxy resin, alicyclic epoxy resin, heterocyclic type epoxy resin, glycidyl ester type epoxy resin, glycidyl amine type epoxy. Examples thereof include polyfunctional epoxy resins such as resins, biphenyl type epoxy resins, naphthalene ring-containing epoxy resins, and cyclopentadiene-containing epoxy resins. Among these, bisphenol A type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, and biphenyl type epoxy resin are preferable.
  • a general curing agent for the epoxy resin can be used.
  • thermosetting curing agents such as amines, polyamides, imidazoles, acid anhydrides, boron trifluoride-amine complexes, dicyandiamide, organic acid hydrazides, phenol novolac resins, bisphenol novolac resins, cresol novolac resins, diphenyliodonium.
  • the photocuring agent include hexafluorophosphate and triphenylsulfonium hexafluorophosphate.
  • amine, imidazole, and acid anhydride are preferable.
  • amine curing agent examples include chain aliphatic amines such as diethylenetriamine, triethylenetetramine, tetraethylenepentamine, dipropylenediamine, and diethylaminopropylamine; cyclic aliphatic polyamines such as N-aminoethylpiperazine and isophoronediamine; Examples include aliphatic aromatic amines such as m-xylenediamine, and aromatic amines such as metaphenylenediamine, diaminodiphenylmethane, and diaminodiphenylsulfone.
  • chain aliphatic amines such as diethylenetriamine, triethylenetetramine, tetraethylenepentamine, dipropylenediamine, and diethylaminopropylamine
  • cyclic aliphatic polyamines such as N-aminoethylpiperazine and isophoronediamine
  • Examples include aliphatic aromatic amines such as m
  • imidazole curing agent examples include 2-methylimidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole, 1-cyanoethyl-2-undecylimidazole trimellitate, epoxy imidazole adduct, and the like.
  • Acid anhydride curing agents include phthalic anhydride, trimellitic anhydride, pyromellitic anhydride, benzophenone tetracarboxylic anhydride, ethylene glycol bistrimellitate, maleic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, methyltetrahydrophthalic anhydride, methyl Endomethylenetetrahydrophthalic anhydride, methylbutenyltetrahydrophthalic anhydride dodecenyl succinic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, succinic anhydride, methylcyclohexene dicarboxylic acid anhydride, alkylstyrene-maleic anhydride copolymer, chlorendic anhydride, Examples include polyazeline acid anhydride.
  • a curing accelerator may be blended and cured as necessary.
  • the curing accelerator include imidazole curing accelerators such as imidazole and 2-methylimidazole, phosphine derivatives such as triphenylphosphine, tris-p-methoxyphenylphosphine, and tricyclohexylphosphine, and 1,8-diazabicyclo. And cycloamidine derivatives such as [5.4.0] -7-undecene.
  • a reactive diluent having an epoxy group may be further blended.
  • Common reactive diluents can also be used. Specific examples include n-butyl glycidyl ether, allyl glycidyl ether, styrene oxide, phenyl glycidyl ether, glycidyl methacrylate, p-sec-butylphenyl glycidyl ether, diglycidyl ether, (poly) ethylene glycol diglycidyl ether, (poly) Propylene glycol diglycidyl ether, butanediol diglycidyl ether, diglycidyl aniline, glycerin triglycidyl ether, and the like can be used.
  • the acrylic resin that can be used in the present invention is not particularly limited, and general ones can be used. However, in the case of a monofunctional monomer having only one (meth) acryl group in one molecule, it is not three-dimensionally cross-linked by itself. It is necessary to use together with a crosslinkable polyfunctional monomer having a (meth) acryl group.
  • monofunctional monomers include (meth) acrylonitrile, (meth) acrylamide, (meth) acrylic acid, methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, hydroxyethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate , Hydroxybutyl (meth) acrylate, 2- (meth) acryloyloxyethyl succinate, 2- (meth) acryloyloxyethyl maleate and its salts, 2- (meth) acryloyloxyethyl phthalate, trifluoroethyl (meta ) Acrylate, perfluorobutylethyl (meth) acrylate, perfluorooctylethyl (meth) acrylate, dimethylaminoethyl (meth) acrylate, diethylaminoethyl (meth) acrylate, (meth) acryloxyethyl hydrogen
  • the polyfunctional monomer may be used alone or in combination with the monofunctional monomer as described above.
  • Polyfunctional monomers include ethylene glycol di (meth) acrylate, propylene glycol di (meth) acrylate, 1,4-butanediol di (meth) acrylate, 1,6-hexanediol di (meth) acrylate, 1, 9-nonanediol di (meth) acrylate, 1,10-decandiol di (meth) acrylate, glycerol di (meth) acrylate, tetrafluoroethyl di (meth) acrylate, hexafluoropropyl di (meth) acrylate, octafluorobutyl Di (meth) acrylate, bis [2- (meth) acryloxyethyl] hydrogen phosphate, bisphenol A ethylene oxide adduct or propylene oxide adduct di (meth) acrylate,
  • a thermal radical polymerization initiator can be used to polymerize and cure these (meth) acrylic monomers.
  • Specific examples include octanoyl peroxide, lauroyl peroxide, t-butylperoxy-2-ethylhexanoate, benzoyl peroxide, t-butylperoxyisobutyrate, t-butylperoxylaurate, t- Organic peroxides such as hexyl peroxybenzoate and di-t-butyl peroxide, and azobis such as 2,2-azobisisobutyronitrile and 2,2-azobis- (2,4-dimervaleronitrile)
  • suitable polymerization initiators include system polymerization initiators.
  • benzoyl peroxide, t-butylperoxy-2-ethylhexanoate, or the like can be preferably used.
  • These polymerization initiators are generally used in an amount of 0.1 to 20 parts by weight, preferably 0.5 to 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the monomer.
  • a known initiator can be employed as a (meth) acrylic photopolymerization initiator.
  • the silicone resin used as the curable resin in the present invention is not particularly limited, but among them, a low-viscosity liquid organopolysiloxane is preferably used.
  • a low-viscosity liquid organopolysiloxane is preferably used.
  • an organopolysiloxane having a reactive group as described later is employed, and a further addition of a curing agent or a curing catalyst is used. Any of the three curing methods, condensation reaction, crosslinking reaction, and addition reaction can be used.
  • the organopolysiloxane it is preferable to use a general dimethyl type or phenylmethyl type main skeleton.
  • the condensation reaction is a reaction for dehydrating condensation of an organopolysiloxane having a silanol group, and in this reaction, a curing agent is used to accelerate the reaction.
  • a curing agent include metal compounds, alkoxy group-containing compounds, acetoxy group-containing silanes, ketone oxime group-containing silanes, aminoxy group-containing siloxanes, and the like.
  • the crosslinking reaction is a method using an organic peroxide, and is a method in which an organopolysiloxane having an unsaturated hydrocarbon group such as a vinyl group is crosslinked using an organic peroxide or the like as a radical curing agent.
  • the addition reaction is a method in which an organopolysiloxane having a vinyl group and an organopolysiloxane having a hydrosilyl group are subjected to a hydrosilylation reaction.
  • a platinum group catalyst is generally used as a curing catalyst.
  • addition reaction type silicone resins are particularly suitable because they have excellent curing controllability by heating and the resulting silicone has high heat resistance.
  • ⁇ Other vinyl polymer resins in addition to the acrylic resins listed above, a polymerizable monomer having a radically polymerizable unsaturated double bond can be used.
  • the polymerizable monomer include styrene, ⁇ -methylstyrene, vinyltoluene, 2,4-dimethylstyrene, p-tert-butylstyrene, chloromethylstyrene, p-chlorostyrene, vinylnaphthalene, and vinyl acetate.
  • Methyl vinyl ketone vinyl pyrrolidone, ethyl vinyl ether, divinyl sulfone, diallyl phthalate, vinyl benzyl trimethyl amine, vinyl benzyl triethyl amine, vinyl pyridine, vinyl imidazole, vinyl phosphonic acid and the like.
  • crosslinkable monomer used for three-dimensional crosslinking of these monomers examples include polyfunctional monomers such as divinylbenzene, divinylbiphenyl, trivinylbenzene, and divinylnaphthalene.
  • acrylic resin polymerization initiators For the curing of these monomers, the above-mentioned acrylic resin polymerization initiators can be used.
  • an additive may be added to the three-dimensional crosslinkable curable resin.
  • a stronger aggregate can be formed by improving the compatibility of the boron nitride particles and the curable resin with the additive.
  • examples of such additives include silane compounds.
  • silane compound examples include 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 2 -Epoxy group-containing silanes such as (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, 3- Methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, methacryl group-containing silanes such as 3-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 2-aminoethyl-3 Aminopropyltrimethoxysi
  • the additives listed above may be appropriately selected according to the type of curable resin to be added.
  • the amount of the additive used may be determined according to the particle size and specific surface area of the raw material boron nitride powder used. For example, 0.01 part by mass or more of the additive with respect to 100 parts by mass of boron nitride powder having a specific surface area of 1 m 2 / g.
  • the target amount is less than 0.5 parts by mass, but 5 parts by mass or less is preferable at most.
  • the three-dimensional crosslinking curable resin is added to and mixed with the raw material boron nitride powder.
  • the curing described later is performed after this mixing is sufficiently performed.
  • this addition and mixing is performed in a small amount, even if no solvent or a solvent is used, so that the boron nitride powder maintains the powder state. Therefore, the solvent cost and the solvent removal cost are substantially unnecessary.
  • the addition method of the three-dimensional cross-linking curable resin to the raw material boron nitride powder can be used without particular limitation on the addition method of the liquid substance to the powder.
  • a method of adding the original crosslinkable curable resin by spraying or dropping is preferred.
  • the three-dimensional cross-linkable curable resin used when the viscosity of the three-dimensional cross-linkable curable resin used is high and spraying or dripping is difficult, or when it is desired to spread the three-dimensional cross-linkable curable resin throughout the powder, the three-dimensional cross-linkable curable resin is used. May be diluted with a solvent.
  • a dilutable solvent any solvent that can dissolve the three-dimensional cross-linking curable resin can be used without any problem.
  • a solvent having relatively high volatility and low viscosity is preferable, and alcohols and ketones are particularly preferable.
  • the amount of the diluent used is preferably about 0.5 to 50% by mass of the three-dimensional cross-linking curable resin, although it depends on the viscosity after dilution. If the amount of the diluted solvent is too large, a void is easily bitten by the cured resin due to the presence of the solvent at the time of curing.
  • such a dilution solvent is used by mixing with a three-dimensional cross-linking curable resin, but is not included in the three-dimensional cross-linking curable resin.
  • the upper limit of the amount of the three-dimensional crosslinkable curable resin used is preferably 35 parts by mass or less, more preferably 30 parts by mass or less, further preferably 100 parts by mass of the raw material boron nitride powder. Is 25 parts by mass or less, particularly preferably 20 parts by mass or less, and the lower limit thereof is preferably 1 part by mass or more, more preferably 1.4 parts by mass or more, further preferably 2 parts by mass or more, particularly preferably 2 parts. .5 parts by mass or more. If the amount of the three-dimensional crosslinkable curable resin used is too small than the lower limit, the strength of the organic-inorganic composite particles may be too low, or the aggregate structure may not be obtained in some cases.
  • the amount of the three-dimensional crosslinkable curable resin used is more than the above upper limit, the boron nitride particles constituting the organic-inorganic composite particles are not easily brought into contact with each other, and the heat conduction is higher than that of the boron nitride particles. Since the ratio of the resin component having a low rate increases, the thermal conductivity tends to be low.
  • a general mixing and stirring device can be used as a dry mixing device used for stirring boron nitride powder and mixing after the addition of the three-dimensional crosslinkable curable resin.
  • a planetary mixing device, a Henschel mixer, a super mixer examples include a V-type mixer, a drum mixer, a double cone mixer, and a rocking mixer.
  • a Henschel mixer, a super mixer, and a rocking mixer can be more suitably used because of their high stirring ability.
  • the mixing device since the powder tends to agglomerate during dry mixing, it is desirable that the mixing device has a mechanism for breaking the agglomeration once generated, such as a crushing blade or a chopper.
  • the powder not only adheres, but depending on the stirring mechanism, the powder may be pressed against the mixing vessel wall to form a thick adhesion layer. Cannot be maintained. Therefore, it is better that the mixing container wall surface is provided with a measure for preventing adhesion such as a fluororesin coat, a mechanism for removing adhered powder such as a knocker, and a scraping mechanism using a stirring blade. If these devices are provided with a heating function, the heating and curing treatment of the three-dimensional cross-linking curable resin can be carried out following the mixing step, so that the number of steps is reduced.
  • the mixing time can be set as appropriate, but as a guide, it is about 10 to 180 minutes.
  • the three-dimensional crosslinkable curable resin contained in the mixture obtained as described above is cured.
  • the curing method may be appropriately performed according to the three-dimensional cross-linking curable resin used. For example, heating is performed when the thermosetting type is used, and light irradiation is performed when the photosetting type is used.
  • the said dilution solvent is added to three-dimensional crosslinking type curable resin, it is preferable that the said dilution solvent is removed before a hardening process after the mixing process is completed.
  • the degree of removal for example, the mass reduction rate at 120 ° C. is preferably less than 0.5%.
  • the heat treatment may be continued from the mixing step, or after the mixing, the heat treatment may be performed with a shelf dryer or the like. You may do. What is necessary is just to set a heating temperature and time suitably according to the kind and quantity, such as used resin, a hardening
  • the atmosphere during the heating (curing) treatment is preferably in a vacuum, in an inert gas, or in dry air. Of these, vacuum or inert gas is preferred because it is less affected by moisture in the environment.
  • a powder composed of the organic-inorganic composite particles of the present invention can be obtained.
  • the resulting powder may not be obtained.
  • Coarse aggregates may be included as necessary.
  • Powder containing coarse particles has poor operability as a powder and may not be sufficiently dispersed when kneaded with a resin.
  • the powder of the present invention when used as a resin filler, it may cause a thickness failure of the resin composition molded body, or may cause a gap failure when used by pouring a liquid resin composition. In such a case, it is possible to obtain a particle size distribution suitable as a filler for the resin composition by adding a crushing operation and a classification operation to such an extent that the thermal conductivity is not impaired.
  • crushing and classification As the crushing method, dry crushing is preferable. A relatively mild method is desirable so that most of the formed aggregates are not crushed. In particular, the effect of the present invention will be lost if it is carried out with an apparatus or conditions that also crush primary particles.
  • the crushing device include dry crushing devices such as a stone mill type mill, a raking machine, a cutter mill, a hammer mill, and a pin mill. Among them, a stone mill type grinder that can crush large agglomerates selectively and in a short time and has little crushing unevenness is preferable.
  • the atmosphere for the crushing treatment is preferably in air or in an inert gas. Further, the humidity of the atmosphere is preferably not too high, specifically, the humidity is less than 70%, more preferably less than 55%.
  • classification treatment may be performed as a method for removing coarse aggregated particles other than crushing treatment.
  • classification treatment either a dry classification method or a wet classification method can be selected.
  • a dry classification method that omits the solvent removal step is desirable.
  • airflow classification or a vibration sieve can be used as the dry classification method.
  • the air classification method or apparatus may be appropriately selected so as to obtain a particle size distribution suitable as a filler for the resin composition.
  • a particle size distribution suitable as a filler for the resin composition As an airflow classification method, a method is used in which powder is dispersed in an airflow and divided into fine powder and coarse powder by the gravity, inertial force, centrifugal force, etc. of the particles. In particular, accuracy suitable for classifying particles of several ⁇ m can be obtained by a classifying device using inertial force and centrifugal force.
  • an impactor that separates fine powder and coarse powder when bending a granular material energized by an air flow by creating a swirling flow of air by providing guide vanes etc. inside the device
  • examples include a mold, a semi-free vortex centrifugal type that classifies particles by applying centrifugal force, and a Coanda type using the Coanda effect.
  • Examples of the classification device using inertial force include a cascade impactor, a viable impactor, an aero fine classifier, an eddy classifier, an elbow jet, and a hyperplex.
  • the method using centrifugal force separates fine powder and coarse powder using a spiral airflow
  • examples of the apparatus include a free vortex type and a forced vortex type.
  • Free vortex type devices include a cyclone without guide vanes, a multistage cyclone, a turboplex that uses secondary air to eliminate aggregation, a dispersion separator that has guide vanes to improve classification accuracy, microspin, microcut, etc. It is done.
  • the forced vortex type is a device that improves the classification accuracy by applying centrifugal force to the particles with a rotating body inside the device and creating another air flow inside the device, such as a turbo classifier or Donaserek.
  • crushing treatment and classification treatment may be used in combination.
  • the resin composition obtained by mixing the powder composed of the organic-inorganic composite particles of the present invention with a resin can be suitably used as a composite material for heat dissipation. That is, the resin composition of the present invention contains the powder of the present invention as a filler.
  • the resin composition of the present invention includes alumina, aluminum nitride, boron nitride, aluminum hydroxide, magnesium oxide, silicon nitride, silicon carbide, diamond, silica, zinc oxide, carbon fiber, silver, copper, and aluminum. You may add another heat conductive filler individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
  • thermoplastic resin examples include polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene copolymer, polymethylpentene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinyl acetate, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl alcohol, polyacetal, and fluororesin.
  • thermosetting resin examples include an epoxy resin, an acrylic resin, a urethane resin,
  • the composite material can also be used as an insulating layer used for, for example, a metal base substrate, a printed circuit board, a flexible substrate, and the like; a semiconductor sealant, an underfill, a housing, a heat radiation fin, and the like.
  • the BET specific surface area of the raw material boron nitride powder and organic / inorganic composite particle powder was determined by the BET method (nitrogen adsorption one-point method) using a specific surface area measuring device (“Flowsorb 2-2300 type” manufactured by Shimadzu Corporation). For the measurement, 2 g of a sample which had been previously dried for 1 hour at 100 ° C. in a nitrogen gas flow was used.
  • the measurement of the particle size distribution of the raw material boron nitride powder and the organic / inorganic composite particle powder is carried out by dispersing the sample in ethanol at a concentration of 0.2% by mass and performing ultrasonic irradiation of about 200 W for 2 minutes.
  • the measurement was performed using a laser diffraction scattering type particle size distribution analyzer “MT3000II” (manufactured by MicrotracBel).
  • the volume frequency distribution of the particle diameter the volume frequency is accumulated from the smaller particle diameter, the particle diameter value where the cumulative value is 50% is D50, and the particle diameter value where the cumulative value is 90% is D90. did.
  • the value of D50 is defined as the average particle diameter.
  • Carbon analysis The carbon content of the organic-inorganic composite particle powder was measured with a carbon analyzer (“EMIA-110” manufactured by Horiba, Ltd.). The sample was burned in an oxygen stream at 1350 ° C. until no carbon dioxide gas was generated, and the carbon content of each sample was determined from the amount of generated carbon dioxide.
  • EMIA-110 a carbon analyzer manufactured by Horiba, Ltd.
  • the thermal conductivity of the polished sample was measured in accordance with ISO standard 22007-3 plastic thermal conductivity measurement method using a thermal conductivity measurement device (“Eye Phase Model 1u” manufactured by Eye Phase Co., Ltd.), which is a temperature wave analysis method. Asked.
  • ⁇ Hardened silicone resin composition 20 g of raw material boron nitride powder or organic-inorganic composite particle powder and 13 g of “CY52-276A” (manufactured by Dow Corning) as a silicone resin were weighed and kneaded in a mortar for 3 minutes to give agent A.
  • 20 g of raw material boron nitride powder or organic / inorganic composite particle powder and 13 g of “CY52-276B” (manufactured by Dow Corning) as a silicone resin were weighed and kneaded in a mortar for 3 minutes to prepare B agent.
  • the thermal conductivity of the heat dissipation composite material it is effective to increase the filling rate of boron nitride particles with respect to the resin constituting the heat dissipation composite material.
  • the familiarity between the resin and the organic-inorganic composite particles is good, that is, the organic-inorganic composite particles having a lower viscosity when filled in the resin can increase the filling rate even if the amount of the resin is small.
  • Example 1 40 g of the raw material boron nitride powder obtained in Production Example 1 was placed in a beaker (500 ml) made of fluororesin, and 1 g of the following epoxy resin (2.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of boron nitride powder) and isopropyl alcohol were added to the powder. (Wako Pure Chemical Industries, special grade) 0.1 g of the mixed liquid was added dropwise. Next, the stirring operation was carried out at room temperature for 30 minutes in the air using a fluororesin stirring blade. The obtained mixture was put into a drier while being put in a beaker, and heated at 150 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere.
  • Epoxy resin 100 parts by mass of bisphenol A type epoxy resin “jER828” (Mitsubishi Chemical), 110 parts by mass of acid anhydride type curing agent “YH307” (Mitsubishi Chemical) and curing accelerator “Triphenylphosphine” (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) ) A mixture consisting of 5 parts by weight.
  • Example 2 An organic-inorganic composite particle powder was obtained in the same manner as in Example 1 except that 2 g of the epoxy resin (5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of boron nitride powder) was used. About the obtained organic inorganic composite particle powder, particle size distribution, specific surface area, carbon analysis, carbon analysis after washing operation, and thermal conductivity of the cured product filled in the epoxy resin composition were evaluated (Table 1). Moreover, the scanning electron microscope image of the obtained organic inorganic composite particle powder is shown in FIG. It was confirmed that the organic-inorganic composite particles contained a plurality of randomly oriented hexagonal boron nitride particles.
  • Example 3 An organic-inorganic composite particle powder was obtained in the same manner as in Example 1 except that 4 g of the epoxy resin (10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of boron nitride powder) was used. About the obtained organic inorganic composite particle powder, particle size distribution, specific surface area, carbon analysis, carbon analysis after washing operation, compressive strength, and thermal conductivity of the cured product filled in the epoxy resin composition were evaluated (Table 1). Moreover, the scanning electron microscope image of the obtained organic inorganic composite particle powder is shown in FIG. It was confirmed that the organic-inorganic composite particles contained a plurality of randomly oriented hexagonal boron nitride particles.
  • Example 4 An organic-inorganic composite particle powder was obtained in the same manner as in Example 1 except that 8 g of the epoxy resin (20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of boron nitride powder) was used. About the obtained organic inorganic composite particle powder, particle size distribution, specific surface area, carbon analysis, carbon analysis after washing operation, and thermal conductivity of the cured product filled in the epoxy resin composition were evaluated (Table 1). Moreover, the scanning electron microscope image of the obtained organic inorganic composite particle powder is shown in FIG. It was confirmed that the organic-inorganic composite particles contained a plurality of randomly oriented hexagonal boron nitride particles.
  • Example 5 40 g of the raw material boron nitride powder obtained in Production Example 1 is placed in a fluororesin beaker, and 1 g of the epoxy resin (2.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of boron nitride powder) and additive A (3 -Glycidoxypropyltrimethoxysilane (Tokyo Chemical Industry,> 97%) 0.3 g) and 0.1 g of isopropyl alcohol were added dropwise. Next, the stirring operation was carried out at room temperature for 30 minutes in the air using a fluororesin stirring blade. The obtained mixture was put into a drier while being put in a beaker, and heated at 150 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere.
  • the epoxy resin 2.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of boron nitride powder
  • additive A 3 -Glycidoxypropyltrimethoxysilane (Tokyo Chemical Industry,> 97%) 0.3 g) and 0.1 g of
  • Example 6 40 g of the raw material boron nitride powder obtained in Production Example 1 was placed in a fluororesin beaker (500 ml), and 2 g of the following silicone resin (5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of boron nitride powder) was added dropwise to the powder. Next, the stirring operation was carried out at room temperature for 30 minutes in the air using a fluororesin stirring blade. The obtained mixture was put into a drier while being put in a beaker, and heated at 150 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere.
  • Silicone resin A mixture comprising 100 parts by mass of an addition reaction type silicone resin “KE-1013A” (Shin-Etsu Chemical) and 100 parts by mass of “KE-1013B” (Shin-Etsu Chemical).
  • Example 7 An organic-inorganic composite particle powder was obtained in the same manner as in Example 6 except that 4 g of the silicone resin (10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of boron nitride powder) was used. About the obtained organic inorganic composite particle powder, particle size distribution, specific surface area, carbon analysis, carbon analysis after washing operation, and thermal conductivity of the cured product filled in the silicone resin composition were performed (Table 2). The obtained powder was added to dimethyl silicone oil having a viscosity of 1000 mPa ⁇ s at 30 vol. The viscosity of the resin composition filled in% was measured (Table 2). Moreover, the scanning electron microscope image of the obtained organic inorganic composite particle powder is shown in FIG. It was confirmed that the organic-inorganic composite particles contained a plurality of randomly oriented hexagonal boron nitride particles.
  • Comparative Example 2 The hexagonal boron nitride powder obtained in Production Example 1 was evaluated for particle size distribution, specific surface area, carbon analysis, and thermal conductivity of the cured product filled in the silicone resin composition (Table 2). In addition, 30 vol. The viscosity of the resin composition filled in% was measured (Table 2).

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Abstract

本発明の課題は、熱伝導性樹脂組成物の充填材等として有用で、熱的な異方性が小さく、かつ耐熱性、耐溶剤性に優れた窒化ホウ素系の粉末および当該粉末の製造方法を提供することにある。本発明の粉末は、ランダムに配向した複数の六方晶窒化ホウ素粒子が前記三次元架橋樹脂を介して複合化されてなる有機無機複合粒子からなり、レーザー回折散乱型粒度分布計により測定される体積頻度50%粒径(D50)が2~65μmの範囲にある粉末である。

Description

有機無機複合粒子からなる粉末
 本発明は三次元架橋樹脂と六方晶窒化ホウ素からなる有機無機複合粒子に関する。詳しくは、六方晶窒化ホウ素粒子同士が樹脂を介して凝集物を形成しており、かつ該樹脂成分は容易に溶出することなく有機無機複合粒子の形態を維持し、熱伝導性樹脂組成物等の作製に好適な有機無機複合粒子に関する。
 近年、電子部品の小型化と高性能化への要求から、半導体デバイスの高集積化が進み、同時にデバイスから発生する熱を効率的に逃がすための放熱材料の使用量が拡大しており、さらに材料の放熱性能の向上が求められている。半導体素子の発生する熱をヒートシンクや筺体等に逃がす経路には様々な放熱材料が用いられる。部品を実装する基板には、熱伝導性の高い窒化アルミニウムや窒化ケイ素などのセラミック基板が用いられるケースが増えている。
 また、金属板に放熱性の絶縁樹脂層を設けたメタルベース基板の使用も増加しており、そうした樹脂層には熱伝導率の高いフィラーとしてアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などが充填される。他にも半導体デバイス周りでは封止材や接着剤、グリースなどにも高熱伝導性のフィラーが使用されつつあり、いかに効率的に熱を逃がすかが重要となってきている。
 樹脂に充填するフィラーとして一般的なシリカやアルミナについては、合成方法の改良により球状化や精密な粒度分布の制御といった樹脂への充填性向上方法が発達している。また、シリカは表面に活性な水酸基を多く有し、樹脂への分散性を改善するための表面処理もさかんに行われている。
 一方、六方晶窒化ホウ素は、シリカやアルミナに比べて熱伝導性に優れるが、熱伝導率には異方性がある。六方晶窒化ホウ素は平板状の結晶であり、平板面の長手方向の熱伝導率は200W/m・K以上と高いが、平板の厚み方向の熱伝導率は2~3W/m・Kしかない。そのため、例えば放熱樹脂シートに充填された窒化ホウ素の平板が、シート面に平行に充填されると、シートの厚み方向の熱伝導率を高くできない。さらに六方晶窒化ホウ素は面に沿ってへき開する性質があり、かつ硬度も低いため、高アスペクト比な平板状の粒子が多数を占める粉末となりやすい。これらの性質により、六方晶窒化ホウ素をフィラーとして使用する際は熱伝導性の異方性が発生しやすいという課題があった。
 従来、熱伝導性の異方性を解決するために、高アスペクト比な粒子を同一方向に配向させないようにする試みがされてきた。代表的な例は、平板状の六方晶窒化ホウ素粒子をランダムに凝集させることで、熱的異方性のない粒子とする方法である(例えば特許文献1~5参照)。
 特許文献1では、炭化ホウ素を窒素雰囲気で焼成した後の生成物に、三酸化二ホウ素またはその前駆体を混合し、焼成することで凝集粒子を得ている。
 特許文献2では、ホウ酸メラミンと窒化ホウ素との複合粒子を製造し、これを焼成することにより凝集粒子を得ている。
 特許文献3では、窒化ホウ素と酸化物粒子を含むスラリーから造粒体を形成し、該造粒体を焼成することにより凝集粒子を得ている。
 特許文献4では、熱可塑性樹脂のポリビニルアルコール等の結着材、炭酸カルシウム等の焼結助剤及び窒化ホウ素粒子を溶媒に分散したスラリーを噴霧乾燥させた後、焼成することで窒化ホウ素凝集物を得ている。
 特許文献5では、溶媒に溶解させたバインダ樹脂と窒化ホウ素粒子を混合し、さらにバインダ樹脂を析出させることで、バインダ樹脂により結着した窒化ホウ素凝集粒子を製造する方法が開示されている。
特開2007-308360号公報 特開2012-171842号公報 国際公開第2015/119198号パンフレット 特開2018-20932号公報 特開2017-57098号公報
 しかしながら、前記特許文献1~4等に記載の方法では、凝集粒子を得るために1600~2200℃の極めて高い温度での焼成を必要とし、工業的に生産する上で問題があった。
 また特許文献5記載の方法では、その製造方法上、バインダ樹脂としては溶媒に可溶なものしか使用できず、耐溶媒性や耐熱性に課題があった。
 従って、本発明の目的は、樹脂組成物への高充填と高い熱伝導性の両方を満足する六方晶窒化ホウ素凝集粒子からなる粉末であって、極めて生産性の高い、新規な粉末を提供することにある。
 本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、六方晶窒化ホウ素粉末に対して、少量の硬化性樹脂を添加し、次いで該樹脂を硬化させることにより六方晶窒化ホウ素が様々な方向を向いた凝集粒子を生じることを見出し、本発明を完成した。
 すなわち本発明は、ランダムに配向した複数の六方晶窒化ホウ素粒子が三次元架橋樹脂を介して複合化されてなる有機無機複合粒子からなり、レーザー回折散乱型粒度分布計により測定される体積頻度50%粒径(D50)が2~65μmの範囲にある粉末である。
 また本発明は、上記粉末の製造方法として、六方晶窒化ホウ素粉末100質量部に対し、三次元架橋型硬化性樹脂を1質量部以上35質量部以下の量で添加して混合する工程(1)と、次いで前記三次元架橋型硬化性樹脂を硬化させる工程(2)とを含む粉末の製造方法も提供する。
 本発明によれば、樹脂組成物への高充填と高い熱伝導性の両方を満足する六方晶窒化ホウ素凝集粒子からなる粉末であって、極めて生産性の高い、新規な粉末が提供される。
製造例1で製造した窒化ホウ素粒子の走査電子顕微鏡像。 実施例1で製造した有機無機複合粒子の走査電子顕微鏡像。 実施例2で製造した有機無機複合粒子の走査電子顕微鏡像。 実施例3で製造した有機無機複合粒子の走査電子顕微鏡像。 実施例4で製造した有機無機複合粒子の走査電子顕微鏡像。 実施例5で製造した有機無機複合粒子の走査電子顕微鏡像。 実施例6で製造した有機無機複合粒子の走査電子顕微鏡像。 実施例7で製造した有機無機複合粒子の走査電子顕微鏡像。 製造例1で製造した原料窒化ホウ素粉末および実施例2~4で製造した有機無機複合粒子粉末の粒度分布を示すグラフ。 製造例1で製造した原料窒化ホウ素粉末ならびに実施例6および7で製造した有機無機複合粒子粉末の粒度分布を示すグラフ。
 本発明の粉末は、ランダムに配向した複数の六方晶窒化ホウ素粒子(以下、単に「窒化ホウ素粒子」と記す)が三次元架橋樹脂を介して複合されてなる有機無機複合粒子からなり、レーザー回折散乱型粒度分布計により測定される体積頻度50%粒径(D50)が2~65μmの範囲にある。
 [有機無機複合粒子]
 本発明の有機無機複合粒子においては、複数の窒化ホウ素粒子がランダムに配向しているため、有機無機複合粒子は熱的異方性の少ない窒化ホウ素凝集体構造を有するものとなっている。
 ここで「ランダムに配向した」とは、様々な異なる方向に配向していることを示しているが、同じ方向を向いて配向するものが含まれていてもよい。また本発明の粉末は、実質的に前記有機無機複合粒子からなるが、本発明の効果を損なわない範囲で、単数の窒化ホウ素粒子と三次元架橋樹脂とからなる複合粒子を含んでいてもよく、また三次元架橋樹脂が固着されていない窒化ホウ素粒子そのものを含んでいてもよい。
 有機無機複合粒子を構成する三次元架橋樹脂の含有量は、特に限定されるものではないが、窒化ホウ素粒子100質量部に対し、その上限は、好ましくは35質量部以下、より好ましくは30質量部以下、さらに好ましくは25質量部以下、特に好ましくは20質量部以下であり、また、その下限は、好ましくは1質量部以上、より好ましくは1.4質量部以上、さらに好ましくは2質量部以上、特に好ましくは2.5質量部以上である。三次元架橋樹脂の量が前記範囲内であることにより、有機無機複合粒子を構成する窒化ホウ素粒子同士が接触した状態を保ちやすく、また熱伝導性の高い窒化ホウ素粒子の割合が相対的に多いため、有機無機複合粒子の熱伝導性が高くなりやすい。一方、有機無機複合粒子の強度を保つためには、三次元架橋樹脂の量が多い方がよい。
 三次元架橋樹脂は公知の樹脂を特に限定なく採用でき、具体的には、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂 、ポリウレタン樹脂、架橋スチレン樹脂、架橋アクリル樹脂、シリコーン樹脂等の硬化体が挙げられる。なかでも、一般に放熱材料に主に用いられている樹脂との相性を考えると、エポキシ樹脂硬化体、アクリル樹脂硬化体またはシリコーン樹脂硬化体が好ましい。また、これらは後述する製造方法を採用する際に、加熱または光照射により容易に硬化させられる利点も有する。
 本発明においては、前記樹脂が三次元架橋をしているため、耐溶媒性および機械的強度にも優れる。従って、例えば、有機無機複合粒子を樹脂と混練して樹脂組成物を製造する際などに、強い応力を付与しても六方晶窒化ホウ素粒子の凝集構造を維持する、ならびに塗料等に混合して使用する際に、溶媒が存在しても凝集構造が崩壊しない等の利点がある。
 なお、耐溶媒性の判断基準として、本発明では有機無機複合体をイソプロピルアルコール等の有機溶媒中で超音波分散し、かつ有機溶媒で洗浄した際に、三次元架橋樹脂由来の炭素含有量の減少率を評価する方法などが使用できる。
 有機溶媒としてイソプロピルアルコールを用いる場合の、耐溶媒性評価の一例を以下に述べる。評価対象とする粉末5gをイソプロピルアルコール20gに分散し、200W程度の超音波照射3分により分散させる。分散スラリーを遠心分離機にかけ、透明な上澄み液と沈降物に分けた後、上澄み液を除去する。沈降物にイソプロピルアルコール20gを加え、薬さじで沈降物をほぐし、さらに超音波照射3分により分散状態にする。再び遠心分離し上澄み液を除去する。さらにもう1回再分散と遠心分離を繰り返し、最後に得られた沈降物を80℃3時間真空乾燥し、洗浄後の乾燥物を得る。乾燥物の炭素含有量(C2)を測定し、洗浄前の炭素含有量(C1)からの減少率(Cd)を次の式1で計算する。
    Cd=[(C2-C1)×100]/C1    (式1)
 本発明の有機無機複合粒子からなる粉末では、上記評価による炭素含有量の減少率が好ましくは15質量%以下、より好ましくは10質量%以下となる。
 本発明で得られる有機無機複合粒子からなる粉末は、レーザー回折散乱型粒度分布計により測定される体積頻度50%粒径(D50)が2~65μm、好ましくは10~65μm、より好ましくは15~60μmの範囲にある。D50とは、測定される粒径の体積頻度分布において、粒径が小さい方から体積頻度を累積して、累積値が50%となるところの粒径の値を指す。本発明の粉末のD50が前記範囲であることにより、熱伝導性および絶縁性が良好となる。粒度分布の測定は有機無機複合粒子からなる粉末をエタノール中に0.2質量%濃度で分散し、200W程度の超音波照射を2分間行うことにより分散させた液体について実施する。
 本発明の粉末の製造方法は特に限定されないが、以下の方法で容易に製造することができる。
 すなわち、窒化ホウ素粉末100質量部に対し、三次元架橋型硬化性樹脂を好ましくは1質量部以上35質量部以下、より好ましくは1.4質量部以上30質量部以下、さらに好ましくは2質量部以上25質量部以下、特に好ましくは2.5質量部以上20質量部以下の量で添加して混合する工程(1)と、次いで前記三次元架橋型硬化性樹脂を硬化させる工程(2)とを含む粉末の製造方法である。以下、この方法について詳細に述べる。
 [六方晶窒化ホウ素]
 本発明の製造方法において使用する六方晶窒化ホウ素は、従来公知の方法によって製造された粉末状のものを特に制限なく使用することができる。本発明では硬化性樹脂を混合して硬化させる前の窒化ホウ素粉末を「原料窒化ホウ素粉末」と呼ぶ。本発明における原料窒化ホウ素粉末を製造する方法としては、例えば酸化ホウ素、ホウ酸、炭化ホウ素等を原料として、メラミン法、還元窒化法などを用いて合成できる。
 原料窒化ホウ素粉末の粒子形態は鱗片状でも凝集状でもよく、高アスペクト比の粒子でもよい。純度は熱伝導性の観点から高い方が良く、窒化ホウ素成分は95%以上が良い。粒子径のD50の上限は、好ましくは20μm以下、より好ましくは15μm以下であり、D50の下限は、好ましくは0.5μm以上、より好ましくは0.8μm以上、さらに好ましくは1.2μm以上である。粒子が大き過ぎると強固な凝集物を形成しにくい。粒度分布は単分散でもよいが、凝集体を形成させるには粒径に分布があった方が良い。大きい粒子同士の空隙を小さい粒子が埋める形で凝集することで、内部空隙が少なくかつ平板状の粒子がランダムに詰まった異方性の少ない凝集体を形成させることができる。
 また、原料窒化ホウ素粉末は、シラン化合物やシラザン等で予め表面処理されていてもよい。
 [硬化性樹脂]
 本発明の製造方法において三次元架橋型硬化性樹脂として使用できるのは、硬化前には液状又は溶媒可溶性であり、硬化反応(重合反応)の進行により三次元架橋した硬化体を生成する樹脂であればよく、例えば、熱硬化性樹脂、および架橋重合が可能な熱可塑性樹脂が挙げられる。熱硬化性樹脂の例としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂 、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。また架橋重合が可能な熱可塑性樹脂とは、本来は熱可塑性樹脂だが、架橋性単量体を使用することで耐溶媒性を持たせることができる樹脂を指し、アクリル樹脂やポリスチレン等のビニル重合系樹脂などが挙げられる。
 当該三次元架橋型硬化性樹脂のなかでも、前記した放熱材料に主に用いられている樹脂との相性の点でエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂を使用することが好ましい。これらはまた、硬化条件の制御がしやすく、原料樹脂の入手と取扱が比較的容易という点からも好ましい。
 なお、本発明の製造方法において「硬化性樹脂」という場合には、狭義の樹脂成分に加えて、硬化剤、硬化促進剤、重合開始剤、触媒、反応性希釈剤、シラン化合物等をも含む樹脂組成物を指すものとする。
 三次元架橋型硬化性樹脂としては、後述する添加および混合の際には、十分に混合する前にゲル化しない一方で、必要な際には簡便な装置及び操作で硬化するものが好ましい。一般に、三次元架橋型硬化性樹脂の硬化方法としては、熱硬化と光硬化があるが、必要な設備等が簡便な点で熱硬化が好ましい。熱硬化の際には、上記理由により室温~60℃では実質的にゲル化せず、80℃~160℃の温度をかけた際に、硬化反応が80%以上進行することが好ましい。硬化組成としては、硬化反応が80%以上進行する時間が、設定した硬化温度に達してから好ましくは10分後から6時間後、より好ましくは20分後から2時間後となるように三次元架橋型硬化性樹脂の組成を調製する。硬化温度と硬化速度は、選択する樹脂の硬化剤、硬化促進剤、重合開始剤、重合触媒等の種類と量を適宜選択すればよく、周知技術及び必要に応じて簡単な実験を行うことにより容易に制御可能である。
 本発明で好適に用いられる硬化性樹脂を以下に例示する。
 <エポキシ樹脂>
 本発明において使用できるエポキシ樹脂は特に限定されず一般的なものを用いることができる。具体例としてはビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、複素環型エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、シクロペンタジエン含有エポキシ樹脂等の多官能型エポキシ樹脂が挙げられる。これらの中でも、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂が好ましい。
 エポキシ樹脂を硬化させるための硬化剤としては、エポキシ樹脂の硬化剤として一般的なものを用いることができる。具体例としては、アミン、ポリアミド、イミダゾール、酸無水物、三フッ化ホウ素-アミン錯体、ジシアンジアミド、有機酸ヒドラジド、フェノールノボラック樹脂、ビスフェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂等の熱硬化型硬化剤、ジフェニルヨードニウムヘキサフロロホスフェート、トリフェニルスルホニウムヘキサフロロホスフェート等の光硬化剤が挙げられる。これらの中でも、アミン、イミダゾール、酸無水物が好ましい。
 アミン硬化剤の具体例としては、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ジプロピレンジアミン、ジエチルアミノプロピルアミン等の鎖状脂肪族アミン、N-アミノエチルピペラジン、イソホロンジアミン等の環状脂肪族ポリアミン、m-キシレンジアミン等の脂肪族芳香族アミン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホン等の芳香族アミンなどが挙げられる。
 イミダゾール硬化剤の具体例としては、2-メチルイミダゾール、2-エチル-4-メチルイミダゾール、1-シアノエチル-2-ウンデシルイミダゾールトリメリテート、エポキシイミダゾールアダクト等が挙げられる。
 酸無水物硬化剤としては、無水フタル酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、無水ベンゾフェノンテトラカルボン酸、エチレングリコールビストリメリテート、無水マレイン酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルエンドメチレンテトラヒドロ無水フタル酸、メチルブテニルテトラヒドロ無水フタル酸ドデセニル無水コハク酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、無水コハク酸、メチルシクロヘキセンジカルボン酸無水物、アルキルスチレン-無水マレイン酸共重合体、クロレンド酸無水物、ポリアゼライン酸無水物等が挙げられる。
 また、上記エポキシ樹脂および硬化剤に加え、必要に応じて硬化促進剤を配合して硬化させてもよい。硬化促進剤の具体例としては、イミダゾール、2-メチルイミダゾ-ルなどのイミダゾール系硬化促進剤、トリフェニルホスフィン、トリス-p-メトキシフェニルホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィン等のホスフィン誘導体、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン等のシクロアミジン誘導体等が挙げられる。
 さらに、上記エポキシ樹脂、硬化剤、および硬化促進剤の混合物が高粘度の場合、エポキシ基を有する反応性希釈剤をさらに配合させてもよい。反応性希釈剤もまた一般的なものを用いることができる。具体例としては、n-ブチルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、スチレンオキサイド、フェニルグリシジルエーテル、グリシジルメタクリレート、p-sec-ブチルフェニルグリシジルエーテル、ジグリシジルエーテル、(ポリ)エチレングリコールジグリシジルエーテル、(ポリ)プロピレングリコールジグリシジルエーテル、ブタンジオールジグリシジルエーテル、ジグリシジルアニリン、グリセリントリグリシジルエーテル等を用いることができる。
 <アクリル樹脂>
 本発明において使用できるアクリル樹脂(本発明においてはメタクリル樹脂を含むものとする。)は特に限定されず一般的なものを用いることができる。ただし1分子内に(メタ)アクリル基が1つしかない単官能な単量体の場合は単独では三次元架橋しないため、該単官能単量体を使用する場合は、1分子内に複数の(メタ)アクリル基を有する架橋性の多官能単量体と一緒に使用する必要がある。
 単官能単量体の例としては、(メタ)アクリロニトリル、(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリル酸、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、コハク酸2-(メタ)アクリロイルオキシエチル、マレイン酸2-(メタ)アクリロイルオキシエチル及びその塩類、フタル酸2-(メタ)アクリオイルオキシエチル、トリフルオロエチル(メタ)アクリレート、パーフルオロブチルエチル(メタ)アクリレート、パーフルオロオクチルエチル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリル酸ジメチルアミノエチル、(メタ)アクリル酸ジエチルアミノエチル、(メタ)アクリルオキシエチルハイドロジェンホスフェートなどが挙げられる。
 多官能単量体は単独で使用してもよいし、上記のような単官能単量体と混合して用いてもよい。多官能単量体としては、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,4-ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,9-ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、1,10-デカンジオールジ(メタ)アクリレート、グリセロールジ(メタ)アクリレート、テトラフルオロエチルジ(メタ)アクリレート、ヘキサフルオロプロピルジ(メタ)アクリレート、オクタフルオロブチルジ(メタ)アクリレート、ビス〔2-(メタ)アクリルオキシエチル〕ハイドロジェンホスフェート、ビスフェノールAのエチレンオキサイド付加物またはプロピレンオキサイド付加物のジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールA-ジエポキシ-アクリル酸付加物、トリシクロデカンジメタノールジアクリレート、ウレタンジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレートなどが挙げられる。
 これらの(メタ)アクリル基を有する単量体を重合硬化させるには熱ラジカル重合開始剤を使用することが可能である。具体例としては、オクタノイルパーオキシド、ラウロイルパーオキシド、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート、ベンゾイルパーオキシド、t-ブチルパーオキシイソブチレート、t-ブチルパーオキシラウレート、t-ヘキシルパーオキシベンゾエート、ジ-t-ブチルパーオキシド等の有機過酸化物や、2,2-アゾビスイソブチロニトリルや2,2-アゾビス-(2,4-ジメルバレロニトリル)等のアゾビス系重合開始剤等が好適な重合開始剤として挙げられる。中でも80℃~160℃で重合させる場合は、ベンゾイルパーオキサイドやt-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエートなどを好適に用いることができる。これら重合開始剤は、単量体100質量部に対して、0.1~20質量部、好適には0.5~10質量部用いるのが一般的である。
 また、硬化反応として光硬化を採用する場合には、(メタ)アクリル基の光重合開始剤として公知の開始剤を採用することができる。
 <シリコーン樹脂>
 本発明において硬化性樹脂として使用されるシリコーン樹脂は特に限定されないが、中でも低粘度な液状のオルガノポリシロキサンが好適に使用される。三次元架橋による硬化性を持たせるために、オルガノポリシロキサンとしては後述するような反応性基を有したものを採用し、さらに硬化剤または硬化触媒を添加したものを使用する。硬化の方法は縮合反応、架橋反応、付加反応の3種類のいずれも使用できる。またオルガノポリシロキサンとしては、主たる骨格がジメチル型かフェニルメチル型の一般的なものを使用することが好ましい。
 縮合反応はシラノール基を有するオルガノポリシロキサンを脱水縮合する反応であり、該反応では、反応促進のために硬化剤が用いられる。硬化剤の例としては金属化合物、アルコキシ基含有化合物、アセトキシ基含有シラン、ケトンオキシム基含有シラン、アミノキシ基含有シロキサンなどが挙げられる。
 架橋反応は有機過酸化物を使用する方法で、ビニル基などの不飽和炭化水素基を有するオルガノポリシロキサンを、有機過酸化物等をラジカル硬化剤として使用して架橋させる方法である。
 付加反応は、ビニル基を有するオルガノポリシロキサンとヒドロシリル基を有するオルガノポリシロキサンとをヒドロシリル化反応させる方法であり、該反応では硬化触媒として一般的に白金族触媒が用いられる。
 本発明では、シリコーン樹脂の硬化反応の中でも、加熱による硬化制御性に優れ、得られるシリコーンの耐熱性も高い付加反応型のシリコーン樹脂が特に適する。
 <その他ビニル重合系樹脂>
 本発明では、上記に挙げているアクリル樹脂以外にも、ラジカル重合性の不飽和二重結合を有する重合性単量体を使用できる。前記重合性単量体の具体例としては、スチレン、α-メチルスチレン、ビニルトルエン、2,4-ジメチルスチレン、p-tert-ブチルスチレン、クロロメチルスチレン、p-クロロスチレン、ビニルナフタレン、酢酸ビニル、メチルビニルケトン、ビニルピロリドン、エチルビニルエーテル、ジビニルスルホン、フタル酸ジアリル、ビニルベンジルトリメチルアミン、ビニルベンジルトリエチルアミン、ビニルピリジン、ビニルイミダゾール、ビニルホスホン酸等が挙げられる。
 これらの単量体を三次元架橋させるために用いる架橋重合性単量体としては、例えば、ジビニルベンゼン、ジビニルビフェニル、トリビニルベンゼン、ジビニルナフタレン等の多官能単量体が挙げられる。
 これらの単量体の硬化には、上記に挙げたアクリル樹脂の重合開始剤等を利用できる。
 [添加剤]
 本発明の製造方法において三次元架橋型硬化性樹脂には添加剤を加えてもよい。添加剤により窒化ホウ素粒子と硬化性樹脂の馴染み性を向上させることで、より強固な凝集体を形成させることができる。このような添加剤として、例えばシラン化合物が挙げられる。
 シラン化合物の具体例としては、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等のエポキシ基含有シラン類、3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3-アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3-メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、3-メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン等のメタクリル基含有シラン類、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、2-アミノエチル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-トリエトキシシリル-N-(1、3-ジメチル-ブチリデン)プロピルアミン、2-アミノエチル-3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、3-ジメチルアミノプロピルトリメトキシシラン、3-ジエチルアミノプロピルトリメトキシシラン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン等のアミノ基含有シラン類、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、トリメチルメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、n-プロピルトリメトキシシラン、イソブチルトリメトキシシラン、イソブチルトリエトキシシラン、n-ヘキシルトリメトキシシラン、n-ヘキシルトリエトキシシラン、シクロヘキシルトリメトキシシラン、シクロヘキシルメチルジメトキシシラン、n-オクチルトリエトキシシラン、n-デシルトリエトキシシラン、n-ヘキサデシルトリエトキシシラン、n-オクタデシルトリエトキシシラン等のアルキルシラン類、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、トリフルオロプロピルメチルジメトキシシラン、ノナフルオロヘキシルトリエトキシシラン等のフッ化アルキルシラン類、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン等の芳香族基含有シラン類、3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3-メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン等のメルカプト基含有シラン類、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン等のビニル含有シラン類の他、p-スチリルトリメトキシシラン、アリルトリメトキシシラン、トリス-(トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレート、3-イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、3-ウレイドプロピルトリエトキシシランなどが挙げられる。
 上記に挙げた添加剤は添加対象の硬化性樹脂の種類に合わせて適宜選択すればよい。添加剤の使用量は用いる原料窒化ホウ素粉末の粒径や比表面積に応じて決定すればよく、例えば比表面積1m2/gの窒化ホウ素粉末100質量部に対して添加剤0.01質量部以上0.5質量部未満が目安量であるが、最大でも5質量部以下が好ましい。
 [添加・混合]
 本発明の製造方法においては、原料窒化ホウ素粉末に上記三次元架橋型硬化性樹脂を添加して混合する。後述する硬化は、この混合を十分に行ってから行う。本発明においては、この添加および混合は、窒化ホウ素粉末が粉末状態を維持するように、無溶媒もしくは溶媒を使用するとしても少量で行う。そのため溶媒コスト及び溶媒除去コストが実質的に不要である。
 原料窒化ホウ素粉末への三次元架橋型硬化性樹脂の添加方法は、粉末への液状物質の添加方法を特に制限なく使用できるが、好ましくは、原料窒化ホウ素粉末を撹拌しているところへ、三次元架橋型硬化性樹脂を噴霧または滴下等により加える方法が好ましい。
 ここで、使用する三次元架橋型硬化性樹脂の粘度が高く噴霧または滴下が困難である場合や、三次元架橋型硬化性樹脂を粉末全体に行き渡らせやすくしたい場合、三次元架橋型硬化性樹脂を溶媒で希釈してもよい。使用可能な希釈溶媒としては、三次元架橋型硬化性樹脂を溶解可能なものなら問題なく使用できるが、揮発性が比較的高く粘性の低い溶媒が好ましく、中でもアルコール類およびケトン類が望ましい。希釈溶媒の使用量は、希釈後の粘度にもよるが三次元架橋型硬化性樹脂の0.5~50質量%程度が望ましい。希釈溶媒の量が多過ぎると硬化時に溶媒が存在することで硬化樹脂にボイドを噛みやすい。
 なお本発明において、このような希釈溶媒は三次元架橋型硬化性樹脂と混合して用いるものであるが、三次元架橋型硬化性樹脂には含まない。
 本発明の製造方法において、三次元架橋型硬化性樹脂の使用量は、原料窒化ホウ素粉末100質量部に対して、その上限は好ましくは35質量部以下、より好ましくは30質量部以下、さらに好ましくは25質量部以下、特に好ましくは20質量部以下であり、また、その下限は好ましくは1質量部以上、より好ましくは1.4質量部以上、さらに好ましくは2質量部以上、特に好ましくは2.5質量部以上である。三次元架橋型硬化性樹脂の使用量が、前記下限値より少なすぎると、有機無機複合粒子の強度が低くなりすぎたり、場合によっては凝集構造が得られなかったりする。一方、三次元架橋型硬化性樹脂の使用量が、前記上限値より多すぎると、有機無機複合粒子を構成する窒化ホウ素粒子同士が接触した状態になりにくく、また窒化ホウ素粒子に比べて熱伝導率の低い樹脂成分の割合が多くなるため、熱伝導性が低くなりやすい。
 窒化ホウ素粉末の撹拌及び三次元架橋型硬化性樹脂の添加後の混合に用いる乾式混合装置としては、一般の混合攪拌装置を使用することができ、例えばプラネタリー混合装置、ヘンシェルミキサー、スーパーミキサー、V型混合機、ドラムミキサー、ダブルコーンミキサー、ロッキングミキサーなどが挙げられる。中でも攪拌能力の高さから、ヘンシェルミキサー、スーパーミキサー、ロッキングミキサーがより好適に使用できる。また、乾式での混合は粉末が凝集しやすいため、混合装置には解砕羽根やチョッパーなど、一度生成した凝集を解く機構がついていることが望ましい。さらに混合操作の際、粉末が単に付着するのみならず、攪拌機構によっては粉末が混合容器壁に押し当てられるような状況になることで厚い付着層を形成する場合があり、そうなると粉末の混合状態を維持できなくなる。そのため、混合容器壁面にはフッ素樹脂コートなどの付着防止措置や、ノッカーなどの付着粉払い落し機構、攪拌羽根を工夫した掻き落とし機構などが備わっているとなおよい。またこれら装置には、加熱機能が付与されていると、混合工程に続いて三次元架橋型硬化性樹脂の加熱・硬化処理を実施できるので、工程が少なく済む。
 混合時間は適宜設定できるが、目安としては10~180分程度である。
 [硬化]
 本発明の製造方法においては、上記のようにして得た混合物に含まれる三次元架橋型硬化性樹脂を硬化させる。硬化方法は用いた三次元架橋型硬化性樹脂に応じて適宜行えばよい。例えば、熱硬化型とした場合には加熱し、光硬化型とした場合には光照射を行う。
 なお、三次元架橋型硬化性樹脂に前記希釈溶媒を加えた場合は、当該希釈溶媒は混合工程が終わった後、硬化処理の前に除去されることが好ましい。除去の程度としては、例えば120℃での質量減少率が0.5%未満がよい。
 硬化方法として熱硬化型とする場合、上記のように加熱機能を備えた装置を用いて、混合工程から続けて加熱処理してもよいし、混合後に回収して棚板乾燥機等で加熱処理をしてもよい。加熱温度と時間は、用いた樹脂、硬化剤、硬化促進剤、重合開始剤、重合触媒等の種類と量に合わせて適宜設定すればよい。また、加熱(硬化)処理の際の雰囲気は、真空中、不活性ガス中または乾燥空気中が望ましい。中でも環境の水分の影響が少ない真空中または不活性ガス中が望ましい。
 このような工程を経ることにより、本発明の有機無機複合粒子からなる粉末を得ることができるが、複合化する三次元架橋型硬化性樹脂が多い場合や複合化条件によっては得られる粉末に不必要に粗大な凝集体が含まれる場合がある。粗大な粒子を含む粉末は、粉末としての操作性が悪く、また樹脂と混練した際に十分に分散しないおそれがある。また本発明の粉末を樹脂充填材として用いた場合、樹脂組成物成形体の厚み不良の原因になったり、液状の樹脂組成物を流しこんで使用する場合はギャップ不良の原因になったりする。そうした場合、熱伝導性を損なわない程度に解砕操作や分級操作を加えることで、樹脂組成物の充填材として好適な粒度分布にすることができる。
 [解砕処理と分級処理]
 解砕方法は、乾式解砕が良い。また、形成された凝集体の大部分が解砕されてしまわないよう比較的マイルドな方法が望ましい。特に一次粒子をも砕く装置または条件で実施すると、本発明の効果が失われてしまう。解砕装置としては、石臼型摩砕機、らいかい機、カッターミル、ハンマーミル、ピンミルなどの乾式解砕装置が挙げられる。中でも大きな凝集体を選択的かつ短時間で砕くことができ、解砕ムラが少ない石臼型摩砕機が好ましい。解砕処理の雰囲気は、空気中または不活性ガス中が望ましい。また、雰囲気の湿度は高過ぎないことが好ましく、具体的には、湿度70%未満、より好ましくは55%未満である。
 また、解砕処理以外で粗大な凝集粒子の除去を行う方法として、分級処理を施してもよい。分級処理は乾式分級法または湿式分級法のいずれかを選択できるが、高精度な分級を求めない場合は、溶媒除去工程を省ける乾式分級法が望ましい。乾式分級法としては、気流分級や振動篩機などが使用できる。
 気流分級の方法または装置は樹脂組成物用のフィラーとして好適な粒度分布になるよう適宜選択すればよい。気流分級方法としては、粉末を気流中に分散させ、その際の粒子の重力や慣性力、遠心力などで微粉と粗粉に分ける方式による。特に数μmの粒子の分級に適した精度は、慣性力と遠心力を利用した分級装置により得られる。
 慣性力を利用する方法としては、例えば装置内部に案内羽根等を設けて空気の旋回流を作ることで、気流で勢いをつけた粉粒体を曲線に曲げる際に微粉と粗粉を分けるインパクタ型や、粒子に遠心力を働かせて分級する半自由渦遠心式や、コアンダ効果を利用したコアンダ型などが挙げられる。慣性力を利用した分級装置としては、カスケードインパクタ、バイアブルインパクタ、エアロファインクラシファイア、エディクラシファイア、エルボージェット、ハイパープレックスなどが挙げられる。
 遠心力を利用する方法は、渦状気流を利用して微粉と粗粉を分けるもので、装置としては自由渦型と強制渦型が挙げられる。自由渦型装置は案内羽根のないサイクロン、多段サイクロン、二次エアーを使用し凝集の解消を促すターボプレックス、案内羽根を設けて分級精度を高めたディスパージョンセパレータ、マイクロスピン、マイクロカットなどが挙げられる。強制渦型は装置内部の回転体で粒子に遠心力を働かせ、さらに装置内部に別の空気の流れを作ることにより分級精度を高めた装置で、ターボクラシファイアやドナセレックなどが挙げられる。
 なお、解砕処理および分級処理は併用しても差し支えない。
 [樹脂組成物および放熱用複合材料]
 本発明の有機無機複合粒子からなる粉末を樹脂と混合して得られる樹脂組成物は、放熱用複合材料として好適に使用することができる。すなわち本発明の樹脂組成物は、本発明の粉末を充填剤として含む。また、本発明の樹脂組成物には、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、水酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ダイヤモンド、シリカ、酸化亜鉛、炭素繊維、銀、銅、およびアルミニウムなどの他の熱伝導性フィラーを1種単独で、または、2種以上を組み合わせて加えてもよい。
 本発明の樹脂組成物に使用することができる樹脂としては、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれをも例示することができる。上記熱可塑性樹脂としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン共重合体、ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリビニルアルコール、ポリアセタール、フッ素樹脂(例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンなど)、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン-2,6-ナフタレート、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、スチレン-アクリロニトリル共重合体、ABS樹脂、ポリフェニレンエーテル(PPE)樹脂、変性PPE樹脂、脂肪族ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸エステル(例えばポリメタクリル酸メチルなど)、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル(例えばポリアクリル酸メチルなど)、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリケトン、液晶ポリマー、アイオノマーなどを;上記熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、イミド樹脂、熱硬化型変性PPE、熱硬化型PPEなどを、それぞれ挙げることができる。
 本発明の樹脂組成物からなる放熱用複合材料の用途としては、例えば家電製品、自動車、ノート型パーソナルコンピュータなどに搭載される半導体部品からの発熱を効率よく放熱するための放熱部材の材料を挙げることができる。これらの具体例としては、例えば放熱グリース、放熱ゲル、放熱シート、フェイズチェンジシート、接着剤などを挙げることができる。上記複合材料は、これら以外にも、例えばメタルベース基板、プリント基板、フレキシブル基板などに用いられる絶縁層;半導体封止剤、アンダーフィル、筐体、放熱フィンなどとしても使用することができる。
 以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
 後述する製造例1で得られた原料窒化ホウ素粉末ならびに実施例および比較例で得られた有機無機複合粒子粉末の物性は以下のようにして測定した。
 [比表面積]
 原料窒化ホウ素粉末および有機無機複合粒子粉末のBET比表面積は、比表面積測定装置(島津製作所製「フローソーブ2-2300型」)を用いて、BET法(窒素吸着1点法)により求めた。測定には試料2gを、予め窒素ガスフロー中において100℃で乾燥処理を1時間実施したものを用いた。
 [粒度分布]
 原料窒化ホウ素粉末および有機無機複合粒子粉末の粒度分布の測定は、試料をエタノール中に0.2質量%濃度で分散し、200W程度の超音波照射を2分間行うことにより分散させた液体について、レーザー回折散乱型粒度分布計「MT3000II」(MicrotracBel製)を用いて行った。粒径の体積頻度分布において、粒径が小さい方から体積頻度を累積して、累積値が50%となるところの粒径の値をD50、90%となるところの粒径の値をD90とした。また、本発明ではD50の値を平均粒径とする。
 [炭素分析]
 有機無機複合粒子粉末の炭素含有量を炭素分析装置(堀場製作所製「EMIA-110」)で測定した。試料を酸素気流中1350℃にて二酸化炭素ガスが発生しなくなるまで燃焼し、発生した二酸化炭素量から各試料の炭素含有量を定量した。
 [洗浄操作]
 有機無機複合粒子粉末5gをイソプロピルアルコール20gに分散し、200W程度の超音波照射3分により分散させる。分散スラリーを遠心分離機にかけ、透明な上澄み液と沈降物に分けた後、上澄み液を除去する。沈降物にイソプロピルアルコール20gを加え、薬さじで沈降物をほぐし、さらに超音波照射3分により分散状態にする。再び遠心分離し上澄み液を除去する。さらにもう1回再分散と遠心分離を繰り返し、最後に得られた沈降物を80℃3時間真空乾燥し、洗浄後の乾燥物を得る。乾燥物の炭素含有量(C2)を測定し、洗浄前の炭素含有量(C1)からの減少率(Cd)を次式で計算する。
    Cd=[(C2-C1)×100]/C1
 [熱伝導率の測定]
 <エポキシ樹脂組成物硬化体>
 原料窒化ホウ素粉末および有機無機複合粒子粉末10.4g、エポキシ樹脂として「jER828」(三菱ケミカル製)5.28g、硬化剤として「CureW」(三菱ケミカル製)1.32gを秤取し、乳鉢で15分間強くシェアをかけて混練した。混練物を150℃20MPaで1時間熱プレス成形し、さらに190℃で2時間、追加加熱を実施した。得られた硬化体試料が0.5mm厚みになるように両面を研磨した。研磨試料の熱伝導率は、温度波分析法である熱伝導率測定装置(株式会社アイフェイズ製「アイフェイズモデル1u」)を用い、ISO規格22007-3プラスチック熱伝導率測定法に準拠して求めた。
 <シリコーン樹脂組成物硬化体>
 原料窒化ホウ素粉末または有機無機複合粒子粉末20g、シリコーン樹脂として「CY52-276A」(ダウコーニング製)13gを秤取し、乳鉢で3分混練したものA剤とした。一方、原料窒化ホウ素粉末または有機無機複合粒子粉末20g、シリコーン樹脂として「CY52-276B」(ダウコーニング製)13gを秤取し、乳鉢で3分混練したものをB剤とした。A剤とB剤を1gずつ秤取し、混練したペーストを80℃、20MPaで1時間熱プレス成形し、0.5mm厚みのシリコーン硬化体試料とした。試料の熱伝導率は、温度波分析法である熱伝導率測定装置(株式会社アイフェイズ製「アイフェイズモデル1u」)を用い、ISO規格22007-3プラスチック熱伝導率測定法に準拠して求めた。
 [圧縮強度]
 原料窒化ホウ素粉末(比較例1)および有機無機複合粒子粉末(エポキシ樹脂組成物硬化体;実施例1~5)の圧縮強度を、微小圧縮試験機(島津製作所製「MCT-211」)を用いて測定した。該測定は、φ200μmの平面圧子を用い、負荷速度5mN/分で実施した。粒径が10~80μmの粒子10個を対象に測定し、その平均値を求めた。なお、シリコーン樹脂を用いた場合、その材質上計測ができなかったため、表2において結果の記載はしていない。
 [粘度評価]
 原料窒化ホウ素粉末(比較例2)および有機無機複合粒子粉末(シリコーン樹脂組成物硬化体;実施例6、7)のフィラーとしての特性を評価するために、各粉末と液状樹脂とを混練して得た樹脂組成物の粘度を測定した。粘度測定装置はブルックフィールド社製の回転粘度計「RVDV-II+CP」(φ12mm、角度3度のコーンプレートを使用)を用いた。液状樹脂として1000mPa・sのジメチルシリコーンオイル(ダウコーニング製)を1g使用し、各粉末を1g使用した。混練は自動らいかい機を用い、3分間混練および掻き落とし操作を3回繰り返して粉末が分散されたペーストを得た。得られたペーストの粘度を30℃で測定した。粘度測定はシェアレートを変えて実施した。シェアレート2s-1の時と5s-1の時の値を表2に示した。
 放熱用複合材料の熱伝導性の向上のためには、放熱用複合材料を構成する樹脂に対する窒化ホウ素粒子の充填率を増加させることが有効である。樹脂と有機無機複合粒子との馴染みが良い、すなわち、樹脂に充填したときの粘度が低い有機無機複合粒子の方が樹脂の量が少なくても充填率を高くできる。
 [走査電子顕微鏡像]
 日立ハイテクノロジーズ製S-2600Nを用い、加速電圧25kVで原料窒化ホウ素粉末および有機無機複合粒子の2次電子像を観察した。
 [アスペクト比]
 後述する製造例1で作製した原料窒化ホウ素粒子を走査型電子顕微鏡を用いて、2500倍の観察像を撮影した。得られた画像について、長さと厚みを読み取り、長さ/厚みの比を求めた。平均アスペクト比は、50個の粒子の観察結果の相加平均値として算出した。
 製造例1
 無水ホウ酸100g、カーボンブラック43g、及び炭酸カルシウム28gをボールミルにて混合した。得られた混合物を、黒鉛製タンマン炉を用い、窒素ガス雰囲気下で15℃/分で1400℃まで昇温し、1400℃で4時間保持した後、15℃/分で1800℃まで昇温し、さらに1800℃で2時間保持した。得られた粗六方晶窒化ホウ素粉末を塩酸洗浄、水洗、乾燥することにより、高純度な白色の六方晶窒化ホウ素粉末(原料窒化ホウ素粉末)を得た。得られた原料窒化ホウ素粉末の走査電子顕微鏡像を図1に示す。得られた原料窒化ホウ素の平均アスペクト比は5.8であった。
 実施例1
 フッ素樹脂製のビーカー(500ml)に製造例1で得られた原料窒化ホウ素粉末を40g入れ、該粉末に下記エポキシ樹脂1g(窒化ホウ素粉末100質量部に対して2.5質量部)とイソプロピルアルコール(和光純薬工業、特級)0.1gの混合液体を滴下添加した。次いでフッ素樹脂製の攪拌羽根を用いて攪拌操作を室温で30分、大気中で実施した。得られた混合物は、ビーカーに入れたまま乾燥機に入れ、窒素雰囲気において150℃で3時間加熱した。得られた有機無機複合粒子粉末について、粒度分布、比表面積、炭素分析、洗浄操作後の炭素分析、およびエポキシ樹脂組成物に充填した硬化体の熱伝導率を評価した(表1)。また、得られた有機無機複合粒子粉末の走査電子顕微鏡像を図2に示す。有機無機複合粒子において、ランダムに配向した複数の六方晶窒化ホウ素粒子が含まれていることを確認できた。
 ・エポキシ樹脂:ビスフェノールA型エポキシ樹脂「jER828」(三菱化学)100質量部、酸無水物型硬化剤「YH307」(三菱化学)110質量部および硬化促進剤「トリフェニルホスフィン」(和光純薬工業)5質量部からなる混合物。
 実施例2
 前記エポキシ樹脂を2g(窒化ホウ素粉末100質量部に対して5質量部)用いた以外は実施例1と同様に有機無機複合粒子粉末を得た。得られた有機無機複合粒子粉末について、粒度分布、比表面積、炭素分析、洗浄操作後の炭素分析、およびエポキシ樹脂組成物に充填した硬化体の熱伝導率を評価した(表1)。また、得られた有機無機複合粒子粉末の走査電子顕微鏡像を図3に示す。有機無機複合粒子において、ランダムに配向した複数の六方晶窒化ホウ素粒子が含まれていることを確認できた。
 実施例3
 前記エポキシ樹脂を4g(窒化ホウ素粉末100質量部に対して10質量部)用いた以外は実施例1と同様に有機無機複合粒子粉末を得た。得られた有機無機複合粒子粉末について、粒度分布、比表面積、炭素分析、洗浄操作後の炭素分析、圧縮強度およびエポキシ樹脂組成物に充填した硬化体の熱伝導率を評価した(表1)。また、得られた有機無機複合粒子粉末の走査電子顕微鏡像を図4に示す。有機無機複合粒子において、ランダムに配向した複数の六方晶窒化ホウ素粒子が含まれていることを確認できた。
 実施例4
 前記エポキシ樹脂を8g(窒化ホウ素粉末100質量部に対して20質量部)用いた以外は実施例1と同様に有機無機複合粒子粉末を得た。得られた有機無機複合粒子粉末について、粒度分布、比表面積、炭素分析、洗浄操作後の炭素分析、およびエポキシ樹脂組成物に充填した硬化体の熱伝導率を評価した(表1)。また、得られた有機無機複合粒子粉末の走査電子顕微鏡像を図5に示す。有機無機複合粒子において、ランダムに配向した複数の六方晶窒化ホウ素粒子が含まれていることを確認できた。
 実施例5
 フッ素樹脂製のビーカーに製造例1で得られた原料窒化ホウ素粉末を40g入れ、該粉末に前記エポキシ樹脂1g(窒化ホウ素粉末100質量部に対して2.5質量部)と添加剤A(3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、東京化成工業製、>97%)0.3gとイソプロピルアルコール0.1gの混合液体を滴下添加した。次いでフッ素樹脂製の攪拌羽根を用いて攪拌操作を室温で30分、大気中で実施した。得られた混合物は、ビーカーに入れたまま乾燥機に入れ、窒素雰囲気において150℃で3時間加熱した。得られた有機無機複合粒子粉末について、粒度分布、比表面積、炭素分析、洗浄操作後の炭素分析、およびエポキシ樹脂組成物に充填した硬化体の熱伝導率を評価した(表1)。また、得られた有機無機複合粒子粉末の走査電子顕微鏡像を図6に示す。有機無機複合粒子において、ランダムに配向した複数の六方晶窒化ホウ素粒子が含まれていることを確認できた。
 比較例1
 製造例1で得られた六方晶窒化ホウ素粉末について、粒度分布、比表面積、炭素分析、圧縮強度およびエポキシ樹脂組成物に充填した硬化体の熱伝導率を評価した(表1)。
 実施例6
 フッ素樹脂製ビーカー(500ml)に製造例1で得られた原料窒化ホウ素粉末を40g入れ、該粉末に下記シリコーン樹脂2g(窒化ホウ素粉末100質量部に対して5質量部)を滴下添加した。次いでフッ素樹脂製攪拌羽根を用いて攪拌操作を室温で30分、大気中で実施した。得られた混合物は、ビーカーに入れたまま乾燥機に入れ、窒素雰囲気において150℃で3時間加熱した。得られた有機無機複合粒子粉末について、粒度分布、比表面積、炭素分析、洗浄操作後の炭素分析、およびシリコーン樹脂組成物に充填した硬化体の熱伝導率を行った(表2)。また、得られた粉末を粘度1000mPa・sのジメチルシリコーンオイルに30vol.%充填した樹脂組成物について、粘度を測定した(表2)。また、得られた有機無機複合粒子粉末の走査電子顕微鏡像を図7に示す。有機無機複合粒子において、ランダムに配向した複数の六方晶窒化ホウ素粒子が含まれていることを確認できた。
 ・シリコーン樹脂:付加反応型シリコーン樹脂「KE-1013A」(信越化学工業)100質量部および「KE-1013B」(信越化学工業)100質量部からなる混合物。
 実施例7
 前記シリコーン樹脂を4g(窒化ホウ素粉末100質量部に対して10質量部)用いた以外は実施例6と同様に有機無機複合粒子粉末を得た。得られた有機無機複合粒子粉末について、粒度分布、比表面積、炭素分析、洗浄操作後の炭素分析、およびシリコーン樹脂組成物に充填した硬化体の熱伝導率を行った(表2)。また、得られた粉末を粘度1000mPa・sのジメチルシリコーンオイルに30vol.%充填した樹脂組成物について、粘度を測定した(表2)。また、得られた有機無機複合粒子粉末の走査電子顕微鏡像を図8に示す。有機無機複合粒子において、ランダムに配向した複数の六方晶窒化ホウ素粒子が含まれていることを確認できた。
 比較例2
 製造例1で得られた六方晶窒化ホウ素粉末について、粒度分布、比表面積、炭素分析、およびシリコーン樹脂組成物に充填した硬化体の熱伝導率を評価した(表2)。また、粘度1000mPa・sのジメチルシリコーンオイルに30vol.%充填した樹脂組成物について、粘度を測定した(表2)。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002

Claims (8)

  1.  ランダムに配向した複数の六方晶窒化ホウ素粒子が三次元架橋樹脂を介して複合化されてなる有機無機複合粒子からなり、レーザー回折散乱型粒度分布計により測定される体積頻度50%粒径(D50)が2~65μmの範囲にある粉末。
  2.  三次元架橋樹脂が、エポキシ樹脂硬化体、アクリル樹脂硬化体またはシリコーン樹脂硬化体である請求項1に記載の粉末。
  3.  三次元架橋樹脂が、六方晶窒化ホウ素粒子100質量部に対し、1質量部以上35質量部以下の量で含まれる請求項1または2に記載の粉末。
  4.  樹脂組成物の充填材用である請求項1~3のいずれか一項に記載の粉末。
  5.  請求項1~3のいずれか一項に記載の粉末を充填材として含む樹脂組成物。
  6.  請求項1に記載の粉末の製造方法であって、六方晶窒化ホウ素粒子100質量部に対し、三次元架橋型硬化性樹脂を1質量部以上35質量部以下の量で添加して混合する工程(1)と、次いで前記三次元架橋型硬化性樹脂を硬化させる工程(2)とを含む粉末の製造方法。
  7.  三次元架橋型硬化性樹脂が、熱硬化性樹脂である請求項6に記載の粉末の製造方法。
  8.  レーザー回折散乱型粒度分布計により測定される、工程(1)で用いられる六方晶窒化ホウ素粒子の体積頻度50%粒径(D50)が0.5~20μmの範囲にある請求項6または7に記載の粉末の製造方法。
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