説明

エポキシ樹脂の硬化剤、その組成物、その硬化物及びその用途

【課題】 封止に好適な温度範囲で熱硬化させることが可能で、著しい高流動性を実現し、同時にガラス転移温度の高い耐熱性に優れた硬化物を与える硬化剤を提供し、さらに該硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物、およびこれを硬化してなるエポキシ樹脂硬化物を提供すること。
【解決手段】 下記式(1)で表されるエポキシ樹脂硬化剤、該硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物、およびこれを硬化してなるエポキシ樹脂硬化物。
【化1】


(R〜Rは、H、炭素数1〜4の炭化水素基)

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、p位-アミノフェノール化合物の水酸基をアリル化したエーテル化合物の用途に関する。さらに詳しくは、液状封止材、アンダーフィル剤、導電ペーストなどの用途において有用なエポキシ樹脂の硬化剤、およびこれを含有してなるエポキシ樹脂組成物に関する。特には、上記用途において常温時において高い流動性を示すエポキシ樹脂組成物と耐熱性に優れるエポキシ樹脂硬化物に関する。
【背景技術】
【0002】
エポキシ樹脂の硬化剤としてこれまでに用いられている化合物には、アミン類、酸無水物類、ポリアミド類、イミダゾール類、メルカプタン類、フェノール類などがあり、これらを含むエポキシ樹脂組成物は、半導体やLEDなどの封止材料、プリント基板や積層基板などの基板材料、ソルダーレジストや積層基板用途などの絶縁材料など電気・電子材料分野において広汎に使用される。
【0003】
半導体封止分野においては、トランスファー成形用の固形のフェノール系硬化剤のほか、近年では液状封止材、アンダーフィル剤、導電ペーストなどの用途拡大に伴い、液状または低粘度型の硬化剤のニーズが高まっている。その要求特性の中でも高流動性および高耐熱性に対する要求は年々厳しくなってきており、両特性を両立させることを求められることも多い。しかしながら、高流動性と高耐熱性との両立はきわめて困難な課題であり、耐湿信頼性の観点から注目されるフェノール系、アミン系の硬化剤の場合、実用的に使用できる種類が元々多くはない上に、近年の要求性能に対しても対応が困難になりはじめている。
【0004】
一方、高流動性および潜在性の観点で硬化剤の官能基を種々の保護基により保護を行った硬化剤が知られている。たとえば特許文献1および特許文献2に示されるようなアミノ基やフェノール性水酸基をアリル基で保護した硬化剤は、熱硬化時のクライゼン転位により官能基の再生が可能である。通常転位には200℃近辺の高温を必要とするが、非特許文献1に示される分子軌道計算による理論的研究によると、アミノアリル基よりもアリロキシ基の転位が進行しやすく、そのアリロキシ基の転位においてそのp位の置換基が電子供与性であるほど転位に必要な活性化エネルギーが低下することが記されている。
上記のアリル保護型硬化剤において報告されているのはアミノアリル基またはアリロキシ基のいずれか一方で成る多官能型硬化剤であり、アリル保護された官能基が1分子内に単独で存在する化合物を硬化剤として使用した例はなく、非特許文献1にはp位にアミノ基を導入したアリルフェニルエーテルが転位における活性化エネルギーが低いことが述べられているが、この化合物を硬化剤としてその利用可能性を検証した報告例はない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平8−143645号公報
【特許文献2】特開平8−151431号公報
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】ネットワークポリマー Vol.22 No.1 19(2001)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記のクライゼン転位に係る知見を踏まえて精意検討を行った結果、現状の硬化剤における課題を解決できる硬化剤を創出するに至ったものである。すなわち本発明は、封止に好適な温度範囲で熱硬化させることが可能で、著しい高流動性を実現し、同時にガラス転移温度の高い耐熱性に優れた硬化物を与える硬化剤を提供する。
また本発明は、液状封止材、アンダーフィル材などの用途に有用である、該硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物、およびこれを硬化してなるエポキシ樹脂硬化物を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、下記一般式(1)で表されるエポキシ樹脂硬化剤を提供する。
【化1】

(式中、R〜Rはそれぞれ水素原子または炭素数1〜4の炭化水素基を表す。)
前記式(1)のRおよびRが、水素原子であるエポキシ樹脂硬化剤は、本発明の好ましい態様である。
【0009】
また、25℃時の粘度が5〜200mPa・sである前記したエポキシ樹脂硬化剤は、本発明の好ましい態様である。
【0010】
本発明はさらに、前記したエポキシ樹脂硬化剤とアミン系硬化剤との混合物であって、該エポキシ樹脂硬化剤を5〜70wt%の濃度で含み、25℃時の粘度が100〜1000mPa・sであるエポキシ樹脂硬化剤を提供する。
【0011】
本発明はまた、前記したエポキシ樹脂硬化剤とエポキシ樹脂とからなるエポキシ樹脂組成物を提供する。該エポキシ樹脂組成物がさらに硬化促進剤を含有する態様は、本発明のエポキシ樹脂組成物の好ましい態様である。
常温下で液状である前記したエポキシ樹脂組成物は、本発明の好ましい態様である。
【0012】
本発明はまた、前記したエポキシ樹脂組成物を硬化して得られるエポキシ樹脂硬化物を提供する。
【発明の効果】
【0013】
本発明が与えるエポキシ樹脂硬化剤は、封止に好適な温度範囲で熱硬化させることが可能で、著しい高流動性を実現し、同時にガラス転移温度の高い耐熱性に優れた硬化物の提供を実現する。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明は、前記一般式(1)で表される化合物からなるエポキシ樹脂硬化剤を提供する。
前記式(1)におけるR〜Rは水素原子または炭素数1〜4の炭化水素基である。炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t-ブチル基、などが挙げられる。とりわけ好ましい置換基としては、水素原子、メチル基、エチル基を挙げることができる。特にRおよびRが、水素原子である化合物が好ましい。
【0015】
前記式(1)の化合物としては、p-アミノフェノール化合物のフェノール性水酸基をアリル化した構造のものが用いられる。そのようなアリル化物は、p-アミノフェノール化合物の水酸基をハロゲン化アリルなどのアリル化剤で直接的にアリル化する方法、またはp-アミノフェノール化合物のアミノ基がアシル基、カルバモイル基などの保護基により保護された誘導体をアリル化した後に脱保護により合成する方法などの公知の方法により合成することができる。
【0016】
前記式(1)に記載の化合物の例としては、4−アミノフェノール、2−メチル−4−アミノフェノール、3−メチル−4−アミノフェノール、2,3−ジメチル−4−アミノフェノール、2,5−ジメチル−4−アミノフェノール、2,6−ジメチル−4−アミノフェノール、3,5−ジメチル−4−アミノフェノール、2,3,5−トリメチル−4−アミノフェノール、2−エチル−4−アミノフェノール、3−プロピル−4−アミノフェノール、2−メチル−3−エチル−4−アミノフェノール、2−エチル−5−プロピル−4−アミノフェノール、2−プロピル−6−イソプロピル−4−アミノフェノール、3−ブチル−5−t-ブチル−4−アミノフェノール、2−メチル−3−エチル−5−プロピル−4−アミノフェノールのo-アリル化体が挙げられるが、中でも4−アミノフェノール、3−メチル−4−アミノフェノールのo-アリル化体が原料入手性の観点から好ましい。
【0017】
前記式(1)に記載のエポキシ樹脂硬化剤は、遊離のアミノ基に加えて、熱硬化時のクライゼン転位によりフェノール性水酸基に変化しうるアリルエーテル構造を有する。したがって該化合物はエポキシ樹脂に対し3官能型の硬化剤として作用するため、使用時には該化合物の分子量の1/3とする値を硬化剤当量と見なして取り扱う。
【0018】
本発明の硬化剤はアミン系硬化剤との併用が可能である。併用可能な硬化剤としては、常温で液状を呈するものが好ましいが、本発明の硬化剤と混合させることで液状となるものでもよい。アミン系硬化剤としては、公知のアミン系硬化剤から適宜選択して使用することができる。例えば、3,3’−ジエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、2,4−ジアミノトルエン、1,4−フェニレンジアミン、1,3−フェニレンジアミン、ジエチルトルエンジアミン、3,4−ジアミノジフェニルエーテル、3,4−ジアミノジフェニルエーテル、3,3−ジアミノジフェニルメタン、3,4−ジアミノジフェニルメタン、4,4−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジアミノベンジジン、オルソトリジン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、2,4−ジアミノトルエン、2,6−ジアミノトルエン、1,4−フェニレンジアミン、1,3−フェニレンジアミン、1,8−ジアミノナフタレンなどの芳香族アミン系硬化剤、N,N’−ビス(3−アミノプロピル)エチレンジアミン、3,3−ジアミノジプロピルアミン、1,8−ジアミノオクタン、1,10−ジアミノデカン、3,3−ジアミノジプロピルアミン、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などの鎖状脂肪族アミン系硬化剤、1,4−ビス(3−アミノプロピル)ピペラジン、N−(2−アミノエチル)ピペラジン、N−(2−アミノエチル)モルホリン、N−アミノエチルピペラジン、イソホロンジアミンなどの環状脂肪族アミン系硬化剤、アジピン酸ジヒドラジド、7,11−オクタデカジエン−1,18−ジカルボヒドラジドなどのポリアミドアミン系硬化剤、2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、1,3−ビス(ヒドラジノカルボノエチル−5−イソプロピルヒダントインなどのイミダゾール系硬化剤、1,3−ジフェニルグアニジン、1,3−o−トリグアニジンなどのグアニジン系硬化剤が例示される。中でもこれらアミン化合物のうち、1,2−フェニレンジアミン、1,3−フェニレンジアミン、1,4−フェニレンジアミン、3,3−ジアミノジフェニルメタン、3,4−ジアミノジフェニルメタン、4,4−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタンが好ましく、さらに可使時間の観点も考慮すると、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタンが特に好ましい。
【0019】
本発明の硬化剤とアミン系硬化剤との混合は、混合硬化剤中における本発明の硬化剤の濃度が5〜50wt%とするのがよい。濃度が下限よりも下回ると高流動性の付与効果が小さくなり、上限を上回るとアミン系硬化剤に期待される高耐熱性が充分に発揮できなくなる。とりわけ混合硬化剤の25℃時の粘度が200〜5000mPa・sとなる範囲が、高流動性と高耐熱性の両立の観点で好ましい。
【0020】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂および本発明のエポキシ樹脂硬化剤を含有する。本発明のエポキシ樹脂組成物に用いるエポキシ樹脂としては、1分子中にエポキシ基を2個以上有し常温で液状のものであればよく、従来から公知のものを使用することができる。例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールAD型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂等がエポキシ樹脂として挙げられる。特に、耐熱性や耐湿性に優れるビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールAD型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂をエポキシ樹脂として用いるのが好ましい。
【0021】
本発明のエポキシ樹脂組成物において硬化剤の使用量は、良好な硬化物物性を得る観点からエポキシ樹脂のエポキシ基1当量に対して0.7〜1.5当量が好ましい。
【0022】
本発明の硬化剤は熱硬化時にクライゼン転位によりフェノール性水酸基を発生しうる。したがってエポキシ樹脂の硬化に際しては、フェノール系硬化剤に通常使用される公知の硬化促進剤を併用することが望ましい。かかる硬化促進剤としては、エポキシ樹脂をフェノール樹脂系硬化剤で硬化させるための公知の硬化促進剤を用いることができ、例えば第3級アミン、第4級アンモニウム塩、イミダゾール類、有機ホスフィン化合物、第4級ホスホニウム塩などを挙げることができる。より具体的には、トリエチルアミン、トリエチレンジアミン、ベンジルジメチルアミン、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、1,8−ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセンー7などの第3級アミン、イミダゾール、2−メチルイミダゾール、2,4−ジメチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、2−フェニルイミダゾール、2−フェニル−4−メチルイミダゾールなどのイミダゾール類、トリフェニルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリ(p−メチルフェニル)ホスフィン、トリ(ノニルフェニル)ホスフィンなどの有機ホスフィン化合物、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、テトラフェニルホスホニウムテトラナフトエ酸ボレートなどを挙げることができる。
【0023】
硬化促進剤は、本発明のエポキシ樹脂硬化剤に添加する方法、あるいはエポキシ樹脂硬化剤とエポキシ樹脂を混合してエポキシ樹脂組成物としたものに添加する方法のいずれでもよい。硬化促進剤の添加量は本発明のエポキシ樹脂硬化剤100重量部に対して0.001〜10.0重量部とするのがよい。
【0024】
本発明のエポキシ樹脂組成物は必要により無機充填材を含有する。用いうる無機充填材の具体例としてはシリカ、アルミナ、タルク、窒化硼素、窒化珪素等が挙げられる。無機充填材は本発明のエポキシ樹脂組成物中において0〜90重量%を占める量で用いるのが好ましい。更に本発明のエポキシ樹脂組成物には、シランカップリング剤、レベリング剤、消泡剤、応力緩和剤、顔料などの種々配合剤を添加することができる。
【0025】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、上記各成分を均一に混合することにより得られる。本発明のエポキシ樹脂組成物は従来知られている方法と同様の方法で容易にその硬化物とすることができる。例えば、エポキシ樹脂と硬化剤、並びに必要により硬化促進剤及び無機充填材及び配合剤とを必要に応じて押出機、ニーダ、ロール等を用いて均一になるまで充分に混合することより本発明のエポキシ樹脂組成物を得て、そのエポキシ樹脂組成物が固形であれば、溶融注型法あるいはトランスファー成型法やインジェクション成型法、圧縮成型法などによって成型し、更に80〜200℃で2〜10時間に加熱することにより硬化物を得ることができる。エポキシ樹脂組成物が液状のものは、ディスペンス法、注型法、印刷法などの公知の封止方法により、同様の加熱温度で硬化物とすることができる。
【0026】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、特に液状封止などの用途においては、常温下で液状であることが好ましい態様である。
【0027】
特に常温で液状の本発明のエポキシ樹脂組成物の粘度は、その配合内容や用途にもよるが、常温周辺の温度での使用の観点から、無機充填剤を含まないときの50℃時の粘度として、5000mPa・s以下、好ましくは500mPa・s以下であることが望ましい。
【0028】
また本発明のエポキシ樹脂組成物を、ガラス繊維、カ−ボン繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、アルミナ繊維、紙などの基材に含浸させ加熱乾燥して得たプリプレグを熱プレス成形して硬化物を得ることもできる。この際の溶剤は、本発明のエポキシ樹脂組成物と該溶剤の混合物中で通常10〜70重量%、好ましくは15〜70重量%を占める量を用いる。
【0029】
前記したような特徴を有する本発明のエポキシ樹脂硬化剤およびエポキシ樹脂組成物は、液状封止材、アンダーフィル剤、導電ペーストなどの用途に好適に使用されるものである。
【実施例】
【0030】
以下に実施例を用いて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら制限されるものではない。
【0031】
(参考例1)4−アリロキシアニリン(硬化剤A)の合成
4−ヒドロキシアセトアニリド30.9g(0.204モル)、炭酸カリウム30.0g(0.217モル)、脱水アセトン60.0gを、下部に抜出口のある4つ口フラスコに仕込み、撹拌混合させながら臭化アリル30.9g(0.255モル)を1時間かけて滴下し、滴下後は還流下で5時間保持した。ガスクロマトグラフィーにより4−ヒドロキシアセトアニリドが反応で全て消費されたことを確認後、スラリー状の反応母液を減圧濾過して濾液を回収し、アセトンがガスクロマトグラフィーで未検出になるまで濾液中のアセトンを留去した。この留去物にトルエン80gで溶解させたトルエン溶液を水100gで2回洗浄し、トルエンがガスクロマトグラフィーで未検出になるまで減圧留去を行った。この留去物に10%塩酸水348.8gを加えて4時間還流を行った後、炭酸ナトリウム55.7gと水111.4gを添加して中和し、トルエン300.0gで抽出した。抽出したトルエン層は水300gで3回洗浄した後、トルエンがガスクロマトグラフィーで未検出になるまで減圧留去を行い、4−アリロキシアニリン(硬化剤A)32.2gを得た。硬化剤Aの硬化剤当量および25℃時粘度を表1に示す。
【0032】
(参考例2)硬化剤A(4−アリロキシアニリン)と硬化剤C(液状芳香族アミン型硬化剤)の混合型硬化剤(硬化剤B)の調製
参考例1の4−アリロキシアニリン(硬化剤A)10gと液状芳香族アミン型硬化剤(硬化剤C)40g(カヤハードA−A、日本化薬(株))を50℃で30分攪拌して混合型硬化剤(硬化剤B)50gを得た。硬化剤Bおよび硬化剤Cの硬化剤当量および25℃時粘度を表1に示す。
【0033】
(参考例3)液状フェノールノボラック型硬化剤(硬化剤D)の合成
フェノール117.6g(1250ミリモル)、2-アリルフェノール503.2g(3750ミリモル)、37%-ホルマリン81.2g(1000ミリモル)の混合物を60℃に加熱後、蓚酸二水和物2gを添加して2時間かけながら95℃まで昇温した。そのあとさらに蓚酸二水和物2gを添加して95℃で3時間保持した。反応終了後、減圧留去により液状フェノールノボラック型硬化剤(硬化剤D)232.9gを得た。硬化剤Dの硬化剤当量および25℃時粘度を表1に示す。
【0034】
【表1】

【0035】
(実施例1)
参考例1に記載の硬化剤A、ビスフェノールF型エポキシ樹脂(エピコート806、ジャパンエポキシレジン(株)、エポキシ当量:168g/eq)、1,8-ジアザビシクロ[5,4,0]ウンデセン-7を表1に示す割合で配合し、充分に混合してエポキシ樹脂組成物を得た。これを用いて25℃組成物粘度を測定した。またエポキシ組成物を175℃下で2時間加熱してガラス転移温度のテストピースを作成した。結果を表2に示す。
【0036】
本発明における物性の測定は下記の方法によって行った。
(1)組成物粘度
ICI溶融粘度計によりエポキシ樹脂組成物の25℃時および50℃時の粘度を測定した。
(2)ガラス転移温度(Tg)
TMAにより得られる線膨張係数の変曲点をガラス転移温度とした。
【0037】
(実施例2)
実施例1の硬化剤Aの代わりに参考例2に記載の硬化剤Bを用いて表2のような配合とした以外は、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
【0038】
(比較例1)
実施例1の硬化剤Aの代わりに参考例2に記載の硬化剤Cを用いて表2のような配合とした以外は、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
【0039】
(比較例2)
実施例1の硬化剤Aの代わりに参考例3に記載の硬化剤Dを用いて表2のような配合とした以外は、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
【0040】
【表2】

【0041】
表1より、本発明のアリルエーテル型硬化剤は公知の代表的なアミン系硬化剤およびフェノール系硬化剤と比べて著しく粘度が低く、特にアミン系硬化剤との併用においてアリルエーテル型硬化剤の濃度が硬化剤成分の20wt%程度であるにもかかわらず著しい低粘度化を実現することがわかる。
【0042】
表2より、本発明のアリルエーテル型硬化剤の使用はエポキシ樹脂組成物の著しい低粘度化を実現しており、その硬化物はフェノール系硬化剤以上のガラス転移温度を与えていることがわかる。さらにアミン系硬化剤との併用においても、組成物の低粘度化を実現する一方でガラス転移温度も維持しており、従来のアプローチでは実現困難な高流動性と高耐熱性との両立を達成していることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【0043】
本発明により、封止に好適な温度範囲で熱硬化させることが可能で、著しい高流動性を実現し、同時にガラス転移温度の高い耐熱性に優れたエポキシ樹脂硬化剤が提供される。
本発明により提供されるエポキシ樹脂硬化剤およびエポキシ樹脂組成物は、液状封止材、アンダーフィル剤、導電ペーストなどの用途において有用である。
本発明により、従来のアプローチでは実現が困難であったエポキシ樹脂組成物の高流動性とその硬化物の高耐熱性との両立を上記の用途において実現させることが可能となる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記一般式(1)で表されるエポキシ樹脂硬化剤。
【化1】

(式中、R〜Rはそれぞれ水素原子または炭素数1〜4の炭化水素基を表す。)
【請求項2】
前記式(1)のRおよびRが水素原子である請求項1に記載のエポキシ樹脂硬化剤。
【請求項3】
25℃時の粘度が5〜200mPa・sである請求項1または2に記載のエポキシ樹脂硬化剤。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれかに記載の該エポキシ樹脂硬化剤とアミン系硬化剤との混合物であって、該エポキシ樹脂硬化剤を5〜70wt%の濃度で含み、25℃時の粘度が100〜1000mPa・sであるエポキシ樹脂硬化剤。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれかに記載のエポキシ樹脂硬化剤とエポキシ樹脂とからなるエポキシ樹脂組成物。
【請求項6】
硬化促進剤を含有する請求項5に記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項7】
常温下で液状である請求項5または6に記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項8】
液状封止材、アンダーフィル剤、導電ペーストに用いるものである請求項7に記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項9】
請求項5〜8のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を硬化して得られるエポキシ樹脂硬化物。

【公開番号】特開2011−201986(P2011−201986A)
【公開日】平成23年10月13日(2011.10.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−69337(P2010−69337)
【出願日】平成22年3月25日(2010.3.25)
【出願人】(000126115)エア・ウォーター株式会社 (254)
【Fターム(参考)】