説明

熱硬化性有機無機ハイブリッド透明材料

【課題】太陽電池モジュールにおける太陽電池素子、光通信用の受光部、発光ダイオード(LED)等に使用されている透明封止材や、半導体パッケージと放熱板の接着剤等には、基板との密着性が不十分で界面が剥離するなどの不良が発生しやすいものがある。
【解決手段】有機置換基で修飾されたシロキサン骨格を有する主剤と硬化剤を混合し、被着体に塗布し、加熱硬化させることを特徴とする有機無機ハイブリッド透明封止材。原料中に熱可塑性シロキサンオリゴマーを含み、飽和炭化水素基、芳香族または芳香族を含む炭化水素基で修飾されたシロキサン骨格を有する主剤に、有機金属化合物を硬化剤として添加し、プライマー処理を施した被着体に塗布後、加熱硬化することにより、後工程および使用時の温度変化に伴う被着体からの剥離・クラックが発生しない透明封止材が得られる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、各種基板や被着体に対し優れた密着性を有する有機無機ハイブリッド透明材料およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
太陽電池モジュールにおける太陽電池素子の封止、光通信用の受光部の封止、発光ダイオード(LED)等の封止に使用されている透明封止材や、半導体パッケージと放熱板の接着剤等には、各種基板や被着体に対する優れた密着性が要求される。さらに、後工程および使用時の温度変化(環境変化)に対する優れた耐久性が要求される。
【0003】
後工程における温度変化としては、はんだ接続時の加熱工程がある。近年、環境問題の観点から接続用のはんだは、従来のSn−Pb共晶はんだ(融点:183℃)から、鉛フリーはんだ(融点:220℃)へ移行している。これにより、はんだリフロー温度が従来の230℃(Sn−Pb共晶はんだ)から260℃(鉛フリーはんだ)に上がり、接着剤・封止材にはより優れた耐リフロー性が要求されている。使用時の温度変化の評価方法としては、実使用環境を想定した冷熱サイクル試験がある。
【0004】
透明封止材としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂を主剤とし、これに硬化剤として酸無水物を配合したもの、酢酸ビニル含量の高いエチレン・酢酸ビニル共重合体やポリビニルブチラールが使用されており、これらの厳しい要求特性に応える為に、組成の改良、紫外線吸収剤や有機過酸化物等の添加が試みられた(例えば、特許文献1〜3)。また、耐熱性の高いシリコーンとブロック共重合させたエポキシ樹脂も開発された。
【特許文献1】特開2006−066761号公報
【特許文献2】特開2003−228076号公報
【特許文献3】特開平10−253972号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
太陽電池モジュールにおける太陽電池素子の封止、光通信用の受光部の封止、発光ダイオード(LED)等の封止に使用されている透明封止材や、半導体パッケージと放熱板の接着剤等には吸湿(吸水)しやすいものが多く、あらかじめ吸湿(吸水)させた素子をはんだ接続に必要な温度に加熱すると、取り込まれていた水分が気化し急激に膨張するため、その圧力で接着界面が剥離するなどの不良が発生する。吸湿(吸水)性が低く、はんだリフロー試験および冷熱サイクル試験により、剥離やクラック等が発生しない透明な接着・封止材料はこれまでなかった。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、有機置換基で修飾されたシロキサン骨格を有する主剤と硬化剤を混合し、被着体に塗布し、加熱硬化させる有機無機ハイブリッド透明封止材およびその製造方法に関するものである。
【0007】
また、Sn系、Ti系、Al系、Zn系、Zr系、Bi系、Fe系、Co系、Mn系、P系、Ni系の有機金属化合物のうち少なくとも1種類以上を硬化剤として添加することを特徴とする上記の有機無機ハイブリッド透明封止材である。
【0008】
また、硬化剤の添加量が50wt%以下であることを特徴とする上記の有機無機ハイブリッド透明封止材である。
【0009】
また、200℃以下の温度で加熱することにより硬化することを特徴とする上記の有機無機ハイブリッド透明封止材である。
【0010】
また、硬化後に200℃以下の熱あるいは水蒸気によって硬度が変化しないことを特徴とする上記の有機無機ハイブリッド透明封止材である。
【0011】
また、硬化後に飽和吸水率が0.3wt%以下であることを特徴とする上記の有機無機ハイブリッド透明封止材である。
【0012】
また、硬化後に被着体に対して良好な密着性を有することを特徴とする上記の有機無機ハイブリッド透明封止材である。
【0013】
また、有機置換基として飽和炭化水素基を含有することを特徴とする上記の有機無機ハイブリッド透明封止材である。
【0014】
また、有機置換基として芳香族または芳香族を含む炭化水素基を含有することを特徴とする上記の有機無機ハイブリッド透明封止材である。
【0015】
また、主剤原料中に平均分子量が2000以下の熱可塑性シロキサンオリゴマーを含有することを特徴とする上記の有機無機ハイブリッド透明封止材である。
【0016】
また、硬化後に波長350〜800nmにおいて平均透過率が80%以上であることを特徴とする上記の有機無機ハイブリッド透明封止材である。
【0017】
また、被着体の表面にプライマー処理を施すことを特徴とする上記の有機無機ハイブリッド透明封止材である。
【発明の効果】
【0018】
本発明の主剤と硬化剤を混合し、塗布し、加熱硬化することにより、後工程および使用時の温度変化(環境変化)に対して剥離やクラック等を発生させずに、透明な接着・封止を施すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
本発明は、有機置換基で修飾されたシロキサン骨格を有する主剤と硬化剤を混合し、被着体に塗布し、加熱硬化させる有機無機ハイブリッド透明封止材およびその製造方法に関する。
【0020】
また、Sn系、Ti系、Al系、Zn系、Zr系、Bi系、Fe系、Co系、Mn系、P系、Ni系の有機金属化合物のうち少なくとも1種類以上を硬化剤として添加することが好ましい。硬化剤を添加することにより、添加しない場合に比べ低温でかつ短時間に有機無機ハイブリッド材料を硬化させることができるからである。
【0021】
また、硬化剤の添加量が50wt%以下であることが好ましい。50wt%を超える場合、急激な縮合反応の進行により泡が残りやすいためである。
【0022】
また、200℃以下の温度で加熱することにより硬化することが好ましい。200℃を超える温度は被着体の耐熱温度よりも高い場合が多いからである。被着体の耐熱温度が低い場合、縮合反応の促進作用が強い硬化剤を用いることで、耐熱温度以下で硬化させることができる。加熱は、常圧下、加圧下、減圧下、不活性雰囲気下で行っても良い。また、マイクロ波加熱も有効である。
【0023】
また、硬化後に200℃以下の熱あるいは水蒸気によって硬度が変化しないことが好ましい。様々な環境(温度、湿度)での使用により有機無機ハイブリッド透明封止材が経時変化しないためである。
【0024】
また、硬化後に飽和吸水率が0.3wt%以下であることが好ましい。飽和吸水率が0.3wt%よりも大きいと吸湿(吸水)しやすく、その後のはんだリフロー試験や冷熱サイクル試験で剥離やクラックが発生しやすくなるためである。より好ましくは飽和吸水率が0.2wt%以下である。
【0025】
また、硬化後に被着体に対して良好な密着性を有することが好ましい。密着性が不十分であると剥離が起こりやすくなり、外観不良、接触不良、強度不足、断線などの不具合原因となるためである。
【0026】
また、有機置換基として飽和炭化水素基を含有することが好ましい。飽和炭化水素基として、メチル基、エチル基、(n−、i−)プロピル基、(n−、i−、s−、t−)ブチル基等があるが、特にメチル基が好ましい。
【0027】
また、有機置換基として芳香族または芳香族を含む炭化水素基を含有することが好ましい。芳香族または芳香族を含む炭化水素基としてフェニル基、ナフチル基、ベンジル基、フェネチル基、ナフチルメチル基等があるが、特にフェニル基が好ましい。
【0028】
また、主剤原料中に平均分子量が2000以下の熱可塑性シロキサンオリゴマーを含有することが好ましい。熱可塑性シロキサンオリゴマーがネットワークの一部となる、または、不活性体としてネットワーク中に存在することにより、温度変化に伴う剥離やクラックを防止することができるためである。
【0029】
また、硬化後に波長350〜800nmにおいて平均透過率が80%以上であることが好ましい。平均透過率が80%よりも低い場合、発電、発光効率が低くなったり、通信時の損失が大きくなったりするからである。
【0030】
また、被着体の表面にプライマー処理を施すことが好ましい。被着体表面にプライマー処理を施すことは密着性の改善に有効である。プライマーとして、合成ゴム系、アクリル系、ウレタン系、エポキシ系、シリコーンレジン系、シラン系、アミン系等が挙げられるがそれらに限定されるものではない。被着体として、ガラス、金属、プラスチック、セラミックスなどの基板や、プリント配線された基板、フレキシブル基板などが挙げられるが、それらに限定されるものではない。
【0031】
以下、実施例に基づき、述べる。
【実施例1】
【0032】
(主剤の作製)
フェニルトリメトキシシラン(PhSi(OMe))とジフェニルジメトキシシラン(Ph2Si(OMe)2)の混合物をあらかじめ加水分解・重縮合させて平均分子量が530の熱可塑性シロキサンオリゴマーを作製した。室温で主剤の原料アルコキシシランであるPhSi(OMe)312g、ジメチルジメトキシシラン(Me2Si(OMe)2)11gに熱可塑性シロキサンオリゴマーを30wt%添加し70gのエタノールに溶解させた後、水135g、氷酢酸9mgを加えて混合した。混合溶液を開放系で100℃で3時間加熱撹拌し無色透明な粘性液体を得た。これをジエチルエーテルに溶解し、純水で酢酸を抽出した。ジエチルエーテルを留去し、無色透明な粘性液体(以下、主剤と呼ぶ)を得た。
【0033】
(封止サンプルの作製)
市販のプリント配線されたプラスチック基板表面を市販のアミン系プライマーで処理した。主剤に硬化剤としてジブチルスズジアセテートを10wt%添加し、この基板に塗布し、60℃で3時間、100℃で3時間、150℃で5時間加熱して封止サンプルを作製した。封止材の硬度はショアD65であり、この封止サンプルの硬度は150℃で100時間保持後も、あるいは40℃、90%RHで10日間保持後もショアD65であった。また、−40℃〜100℃での冷熱サイクル試験(JIS C 0025に準拠)を行ったところ、剥離やクラックは発生せず良好な密着性を示した。さらに、40℃、90%RHで10日間保持後の封止サンプルに対して260℃で10秒間はんだ耐熱試験(JIS C 60068−2−20に準拠)を行ったところ、剥離やクラックは発生せず良好な密着性を示した。
【0034】
(板状サンプルの作製)
上記封止材と同様の原料、条件で1mm厚の板状サンプルを作製した。このサンプルを用いて波長300〜800nmの平均透過率を測定したところ90%であった。また、飽和吸水率を測定したところ0.11wt%であった。
【実施例2】
【0035】
(主剤の作製)
フェニルトリメトキシシラン(PhSi(OMe))とジフェニルジメトキシシラン(Ph2Si(OMe)2)の混合物をあらかじめ加水分解・重縮合させて平均分子量が650の熱可塑性シロキサンオリゴマーを作製した。室温で主剤の原料アルコキシシランであるPhSi(OMe)39g、ジメチルジメトキシシラン(Me2Si(OMe)2)13gに熱可塑性シロキサンオリゴマーを25wt%添加し70gのエタノールに溶解させた後、水135g、氷酢酸9mgを加えて混合した。混合溶液を密閉系で60℃で3時間加熱撹拌した後、還流下で2.5時間加熱撹拌した。反応終了後、ジエチルエーテルを加え、純水で酢酸を抽出した。抽出後、ジエチルエーテルを留去し、無色透明な粘性液体(以下、主剤と呼ぶ)を得た。
【0036】
(封止サンプルの作製)
市販のフレキシブル基板表面を市販のアミン系プライマーで処理した。主剤に硬化剤としてビス(ラウロキシジブチルスズ)オキサイドを10wt%添加し、この基板に塗布し、60℃で3時間、100℃で3時間、150℃で5時間加熱して封止サンプルを作製した。封止材の硬度はショアD60であり、この封止サンプルの硬度は150℃で100時間保持後も、あるいは40℃、90%RHで10日間保持後もショアD60であった。また、−40℃〜100℃での冷熱サイクル試験(JIS C 0025に準拠)を行ったところ、剥離やクラックは発生せず良好な密着性を示した。さらに、40℃、90%RHで10日間保持後の封止サンプルに対して260℃で10秒間はんだ耐熱試験(JIS C 60068−2−20に準拠)を行ったところ、剥離やクラックは発生せず良好な密着性を示した。
【0037】
(板状サンプルの作製)
上記封止材と同様の原料、条件で1mm厚の板状サンプルを作製した。このサンプルを用いて波長300〜800nmの平均透過率を測定したところ89%であった。また、飽和吸水率を測定したところ0.09wt%であった。
【実施例3】
【0038】
(主剤の作製)
フェニルトリメトキシシラン(PhSi(OMe))と両末端シラノールポリジフェニルシロキサン(市販品、分子量1000)の混合物をあらかじめ加水分解・重縮合させて平均分子量が800の熱可塑性シロキサンオリゴマーを作製した。室温で主剤の原料アルコキシシランであるPhSi(OMe)310g、ジメチルジメトキシシラン(Me2Si(OMe)2)12gに熱可塑性シロキサンオリゴマーを35wt%添加し70gのエタノールに溶解させた後、水135g、氷酢酸9mgを加えて混合した。混合溶液を開放系で100℃で3時間加熱撹拌し無色透明な粘性液体を得た。これをジエチルエーテルに溶解し、純水で酢酸を抽出した。ジエチルエーテルを留去し、無色透明な粘性液体(以下、主剤と呼ぶ)を得た。
【0039】
(封止サンプルの作製)
市販のフレキシブル基板表面を市販のシラン系プライマーで処理した。主剤に硬化剤としてアセチルアセトンアルミニウムを12wt%添加し、この基板に塗布し、60℃で3時間、100℃で3時間、150℃で5時間加熱して封止サンプルを作製した。封止材の硬度はショアD60であり、この封止サンプルの硬度は150℃で100時間保持後も、あるいは40℃、90%RHで10日間保持後もショアD60であった。また、−40℃〜100℃での冷熱サイクル試験(JIS C 0025に準拠)を行ったところ、剥離やクラックは発生せず良好な密着性を示した。さらに、40℃、90%RHで10日間保持後の封止サンプルに対して260℃で10秒間はんだ耐熱試験(JIS C 60068−2−20に準拠)を行ったところ、剥離やクラックは発生せず良好な密着性を示した。
【0040】
(板状サンプルの作製)
上記封止材と同様の原料、条件で1mm厚の板状サンプルを作製した。このサンプルを用いて波長300〜800nmの平均透過率を測定したところ89%であった。また、飽和吸水率を測定したところ0.09wt%であった。
【実施例4】
【0041】
(主剤の作製)
フェニルトリメトキシシラン(PhSi(OMe))と両末端シラノールジフェニルシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマー(市販品、分子量900)の混合物をあらかじめ加水分解・重縮合させて平均分子量が720の熱可塑性シロキサンオリゴマーを作製した。室温で主剤の原料アルコキシシランであるPhSi(OMe)39g、メチルフェニルジメトキシシラン(MePhSi(OMe)2)19gに熱可塑性シロキサンオリゴマーを40wt%添加し70gのエタノールに溶解させた後、水135g、氷酢酸9mgを加えて混合した。混合溶液を開放系で100℃で3時間加熱撹拌し無色透明な粘性液体を得た。これをジエチルエーテルに溶解し、純水で酢酸を抽出した。ジエチルエーテルを留去し、無色透明な粘性液体(以下、主剤と呼ぶ)を得た。
【0042】
(封止サンプルの作製)
フロートガラス基板表面を市販のシラン系プライマーで処理した。主剤に硬化剤としてビス(アセトキシジブチルスズ)オキサイドを10wt%添加し、この基板に塗布し、60℃で3時間、100℃で3時間、150℃で5時間加熱して封止サンプルを作製した。封止材の硬度はショアD60であり、この封止サンプルの硬度は150℃で100時間保持後も、あるいは40℃、90%RHで10日間保持後もショアD60であった。また、−40℃〜100℃での冷熱サイクル試験(JIS C 0025に準拠)を行ったところ、剥離やクラックは発生せず良好な密着性を示した。さらに、40℃、90%RHで10日間保持後の封止サンプルに対して260℃で10秒間はんだ耐熱試験(JIS C 60068−2−20に準拠)を行ったところ、剥離やクラックは発生せず良好な密着性を示した。
【0043】
(板状サンプルの作製)
上記封止材と同様の原料、条件で1mm厚の板状サンプルを作製した。このサンプルを用いて波長300〜800nmの平均透過率を測定したところ89%であった。また、飽和吸水率を測定したところ0.09wt%であった。
【実施例5】
【0044】
(主剤の作製)
フェニルトリメトキシシラン(PhSi(OMe))、ジフェニルジメトキシシラン(Ph2Si(OMe)2)、ヘキサフェニルシクロトリシロキサン[(Ph2SiO2/2)3:市販品、分子量540]の混合物をあらかじめ加水分解・重縮合させて平均分子量が590の熱可塑性シロキサンオリゴマーを作製した。室温で主剤の原料アルコキシシランであるPhSi(OMe)36g、ジメチルジメトキシシラン(Me2Si(OMe)2)14gに熱可塑性シロキサンオリゴマーを25wt%添加し70gのエタノールに溶解させた後、水135g、氷酢酸9mgを加えて混合した。混合溶液を開放系で100℃で3時間加熱撹拌し無色透明な粘性液体を得た。これをジエチルエーテルに溶解し、純水で酢酸を抽出した。ジエチルエーテルを留去し、無色透明な粘性液体(以下、主剤と呼ぶ)を得た。
【0045】
(封止サンプルの作製)
市販のプリント配線されたプラスチック基板表面を市販のシラン系プライマーで処理した。主剤に硬化剤としてチタンテトラ(アセチルアセトナート)を10wt%添加し、この基板に塗布し、60℃で3時間、100℃で3時間、150℃で5時間加熱して封止サンプルを作製した。封止材の硬度はショアD55であり、この封止サンプルの硬度は150℃で100時間保持後も、あるいは40℃、90%RHで10日間保持後もショアD55であった。また、−40℃〜100℃での冷熱サイクル試験(JIS C 0025に準拠)を行ったところ、剥離やクラックは発生せず良好な密着性を示した。さらに、40℃、90%RHで10日間保持後の封止サンプルに対して260℃で10秒間はんだ耐熱試験(JIS C 60068−2−20に準拠)を行ったところ、剥離やクラックは発生せず良好な密着性を示した。
【0046】
(板状サンプルの作製)
上記封止材と同様の原料、条件で1mm厚の板状サンプルを作製した。このサンプルを用いて波長300〜800nmの平均透過率を測定したところ87%であった。また、飽和吸水率を測定したところ0.10wt%であった。
【0047】
(比較例1)
市販のフレキシブル基板表面を市販のアミン系プライマーで処理した。封止・接着用に市販されているシリコーン樹脂を用いてこの基板に塗布し、封止サンプルを作製した。この封止サンプルを用いて−40℃〜100℃での冷熱サイクル試験、および、40℃、90%RHで10日間保持した後に260℃で10秒間はんだ耐熱試験を行ったところ、剥離およびクラックが全数にわたって発生した。
【0048】
(比較例2)
市販のプリント配線されたプラスチック基板表面を市販のエポキシ系プライマーで処理した。封止・接着用に市販されているエポキシ樹脂を用いてこの基板に塗布し、封止サンプルを作製した。この封止サンプルを用いて−40℃〜100℃での冷熱サイクル試験、および、40℃、90%RHで10日間保持した後に260℃で10秒間はんだ耐熱試験を行ったところ、剥離およびクラックが全数にわたって発生した。
【0049】
(比較例3)
市販のプリント配線されたプラスチック基板表面を市販のアミン系プライマーで処理した。封止・接着用に市販されているウレタン樹脂を用いてこの基板に塗布し、封止サンプルを作製した。この封止サンプルを40℃、90%RHで10日間保持したところ、剥離が発生した。さらにこのサンプルを用いて260℃で10秒間はんだ耐熱試験を行ったところ、剥離およびクラックが全数にわたって発生した。
【産業上の利用可能性】
【0050】
バックライト、表示板、ディスプレイ、各種インジケーター等に使用されている発光ダイオード(LED)等の半導体発光素子の封止、太陽電池モジュールにおける太陽電池素子の封止、光通信用の受光部の封止等に使用されている透明封止材や、半導体パッケージと放熱板の接着剤等に使用することができる。また、PDPを始めとするディスプレイ部品の封着・被覆用材料、光スイッチや光結合器を始めとする光情報通信デバイス材料、光学機器材料、光機能性(非線形)光学材料、接着材料等、低融点ガラスが使われている分野、エポキシ等の有機材料が使われている分野に利用可能である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
有機置換基で修飾されたシロキサン骨格を有する主剤と硬化剤を混合し、被着体に塗布し、加熱硬化させることを特徴とする有機無機ハイブリッド透明封止材。
【請求項2】
Sn系、Ti系、Al系、Zn系、Zr系、Bi系、Fe系、Co系、Mn系、P系、Ni系の有機金属化合物のうち少なくとも1種類以上を硬化剤として添加することを特徴とする請求項1に記載の有機無機ハイブリッド透明封止材。
【請求項3】
硬化剤の添加量が50wt%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の有機無機ハイブリッド透明封止材。
【請求項4】
200℃以下の温度で加熱することにより硬化することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の有機無機ハイブリッド透明封止材。
【請求項5】
硬化後に200℃以下の熱あるいは水蒸気によって硬度が変化しないことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の有機無機ハイブリッド透明封止材。
【請求項6】
硬化後に飽和吸水率が0.3wt%以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の有機無機ハイブリッド透明封止材。
【請求項7】
硬化後に被着体に対して良好な密着性を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の有機無機ハイブリッド透明封止材。
【請求項8】
有機置換基として飽和炭化水素基を含有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の有機無機ハイブリッド透明封止材。
【請求項9】
有機置換基として芳香族または芳香族を含む炭化水素基を含有することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の有機無機ハイブリッド透明封止材。
【請求項10】
主剤原料中に平均分子量が2000以下の熱可塑性シロキサンオリゴマーを含有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の有機無機ハイブリッド透明封止材。
【請求項11】
硬化後に波長350〜800nmにおいて平均透過率が80%以上であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の有機無機ハイブリッド透明封止材。
【請求項12】
被着体の表面にプライマー処理を施すことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の有機無機ハイブリッド透明封止材。

【公開番号】特開2009−215344(P2009−215344A)
【公開日】平成21年9月24日(2009.9.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−57419(P2008−57419)
【出願日】平成20年3月7日(2008.3.7)
【出願人】(000002200)セントラル硝子株式会社 (1,198)
【Fターム(参考)】