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含可水解硅氧烷的嵌段共聚物、树脂及其制备方法

技术摘要:
本发明公开了式(Ⅰ)所示的含可水解硅氧烷的嵌段共聚物及其制备方法,该嵌段共聚物的制备方法是:将苯乙烯和4‑乙烯基苯并环丁烯溶于甲苯中,加入N‑叔丁基‑N‑(2‑甲基‑1‑苯丙基)‑O‑(1‑苯乙基)羟胺混合,在惰性气氛下,于90℃~120℃搅拌反应36~60h,经提纯制得  全部
背景技术:
集成电路自问世以来,一直飞速发展,不仅追求高频高速、低功耗和多功能,其尺 寸也一直在缩小,如今集成电路已经发展成为高集成度、高密度以及高规整度的超大规模 集成电路(简称ULSI)。由于ULSI中器件的性能和密度不断提高,已经显著地影响了互联布 线结构的特征尺寸,最小的器件尺寸已经缩小到了纳米级别。在最初的集成电路中,主要采 用二氧化硅(SiO2)  (介电常数约为3.9~4.2)作为层间介质材料,而随着集成电路技术的 发展,二氧化硅远不能满足现代集成超大规模集成电路的要求,因此,发展更多符合现代集 成电路要求的低介电材料来取代传统SiO2(ε=3.9~4.2)已成为微电子工业面临的挑战。 除了低的介电常数外,层间介质材料还必须同时满足大量其他的要求,这些要求 包括:高的机械稳定性和热稳定性、良好粘附性、良好的化学稳定性和尺寸稳定性、低吸湿 率和低成本等。在过去的几十年中,涌现了大量的聚合物基低介电材料(例如:聚苯醚、聚酰 亚胺、聚芳醚酮等),它们分子极化率低、结构易设计、成膜性好,且介电常数都低于3.0。但 是纯的聚合物基低介电材料通常热稳定性较差,热膨胀系数高,难以满足集成电路在布线 完成以后需要在450℃以上退火至少一个小时的要求。有机/无机杂化树脂由于有机与无机 相结合的结构,其具有机材料与无机材料的优良特性,无机部分提供耐热性以及低的热膨 胀系数,有机部分提供良好的加工性能以及低的吸湿率,与一般的碳基聚合物材料相比具 有更低的热膨胀系数和吸湿率,使其即使在高温及潮湿的环境下电气性能也优于普通树 脂,介电常数受环境影响小,具有优异的电绝缘性能,可作为芯片和线路板层间介电封装材 料表现出色。但是现有技术中,文献报道中的有机/无机杂化树脂[例如:笼型聚倍半硅氧烷 (简称POSS)、聚硅氧烷、二乙烯基硅氧烷-双苯并环丁烯(简称DVS-bis-BCB)树脂等]仍不能 满足日益发展的电子行业需求,现有技术的有机/无机杂化树脂的热稳定性,低介电性能需 进一步提高,且各项性能可调谐性不高。
技术实现要素:
本发明的目的旨在克服现有技术中的不足,提供含可水解硅氧烷的嵌段共聚物、 树脂及其制备方法。从而提供一种具有优良的热稳定性,低介电性能以及各项性能可调谐 (根据材料学中结构决定性能,可通过调控嵌段共聚物各组分比例以及后期水解实验条件, 以调控最终树脂的性能如低介电性能、热稳定性及力学性能等)的含可水解硅氧烷的嵌段 共聚物及其制备方法、以及(硅基有机/无机杂化)树脂制备方法。 本发明的内容是:含可水解硅氧烷的嵌段共聚物,其特征是:该含可水解硅氧烷的 嵌段共聚物具有(Ⅰ)所示的化学结构式: 4 CN 111574668 A 说 明 书 2/17 页 式(I)中:x=0~50,y=10~200,z=1~200; 该含可水解硅氧烷的嵌段共聚物(Ⅰ)的基本特征为:白色粉末;结构表征如下:红 外光谱IR(KBr压片,cm-1):3059,3025 ,2922 ,2841 ,1601 ,  1493 ,1472 ,1452 ,1192 ,1128, 1084,1028,906,812,757,699,558;1H  NMR(600MHz,CDCl3)δ(ppm):6.61~7.11(-ArH) ,1.45 ~  1.88(-CH2-CHAr-) ,3.10(-CH2-) ,3.58(-Si-O-CH3);分子量为5000~50000,分子量分布 1.2~1.5。 本发明的另一内容是:含可水解硅氧烷的嵌段共聚物的制备方法,其特征是包括 下列步骤: a、制备无规共聚物[简称P(4-VBCB-co-St)]: 按苯乙烯(简称St)0~25mmol(较好的是1~25mmol)、4-乙烯基苯基苯并环丁烯 (简称4-VBCB)25~50mmol、N-叔丁基-N-(2-甲基-1-苯丙基)-O-(1-苯乙基)羟胺0.25~ 1mmol的用量配比取各组分原料,取甲苯(质量用量可以是苯乙烯质量的5~20倍)备用; 将苯乙烯和4-乙烯基苯并环丁烯溶于甲苯中,加入N-叔丁基-N-(2-甲基-1-苯丙 基)-O-(1-苯乙基)羟胺(引发剂)混合,(混合原料)在惰性气氛  (氮气)保护下,于90℃~ 120℃温度下搅拌反应36~60h(较好的是在90~  95℃温度下搅拌反应12~24h后再升温至 115~120℃反应24~36h),得到第一物料,对第一物料进行沉淀提纯、干燥,即制得无规共 聚物; 所述(混合原料)在惰性气氛(氮气)保护下,是混合原料在液氮环境下冷冻抽氧, 再通氮气解冻,如此循环三次,以确保体系中氧已除尽;将体系恢复室温后,再将体系升温 搅拌反应。 b、制备含可水解硅氧烷的嵌段共聚物: 按无规共聚物[简称P(4-VBCB-co-St)]1~5g、(4-乙烯基苯基)三甲氧基硅烷(简 称4-EPTMS)1~7mmol的用量配比取各组分原料,取甲苯(质量用量可以是无规共聚物质量 的5~20倍)备用; 将无规共聚物[简称P(4-VBCB-co-St)]溶解于甲苯中,在惰性气氛(氮气)保护下, 加热升温至90℃,加入(4-乙烯基苯基)三甲氧基硅烷,于  90℃~120℃温度下搅拌反应36 ~60h(较好的是在90~95℃温度下搅拌反应12~24h后再升温至115~120℃反应24~ 36h),得第二物料,对第二物料进行沉淀提纯、干燥,即制得含可水解硅氧烷的嵌段共聚物 [简称  P(4-VBCB-co-St)-b-P(4-EPTMS)]; 所述在惰性气氛(氮气)保护下,是:将无规共聚物溶解于甲苯中后,在液氮环境下 冷冻抽氧,再通氮气解冻,如此循环三次,以确保体系中氧已除尽,待体系到室温后,再加热 升温至90℃。 5 CN 111574668 A 说 明 书 3/17 页 所述制得含可水解硅氧烷的嵌段共聚物的基本特征为:白色粉末;结构表征如下: 红外光谱IR(KBr压片,cm-1):3059,3025,2922,2841,1601,  1493,1472,1452,1192,1128, 1084,1028,906,812,757,699,558;1H  NMR(600MHz,CDCl3)δ(ppm):6.61~7.11(-ArH) ,1.45 ~  1.88(-CH2-CHAr-) ,3.10(-CH2-) ,3.58(-Si-O-CH3);分子量为5000~  50000,分子量分 布1.2~1.5。 本发明的另一内容中:步骤a中所述对第一物料进行沉淀提纯、干燥,是:反应结束 待第一物料冷却到室温后将第一物料(粘稠的反应液)稀释于四氢呋喃中,将稀释液(逐滴) 滴加于无水乙醇中进行沉淀,将沉淀抽滤,得到白色沉淀物;再将沉淀物溶于四氢呋喃后同 样用无水乙醇进行沉淀,重复上述步骤3次,以除去第一物料中未反应完全的单体,将最终 得到的白色沉淀物于温度50℃的真空干燥箱中进行干燥。 本发明的另一内容中:步骤b中所述对第二物料进行沉淀提纯、干燥,是:反应结束 待第二物料冷却到室温后将第二物料(粘稠的反应液)稀释于四氢呋喃中,将稀释液(逐滴) 滴加于无水乙醇中进行沉淀,抽滤,得到白色沉淀物;再将沉淀物溶于四氢呋喃后同样用无 水乙醇进行沉淀,重复上述步骤3次,以除去第二物料中未反应完全的单体,将最终得到的 白色沉淀物于温度50℃的真空干燥箱中进行干燥。 本发明的再一内容是:硅基有机/无机杂化树脂的制备方法,其特征是包括下列步 骤: a、制备硅基有机/无机杂化粒子: 按含可水解硅氧烷的嵌段共聚物[P(4-VBCB-co-St)-b-P(4-EPTMS)]  0.6~2.4g、 有机溶剂60~240mL、去离子水(或蒸馏水)15~60mL、酸或碱3~24mL的用量配比取各组分 原料; 将含可水解硅氧烷的嵌段共聚物溶于有机溶剂中,加入去离子水搅拌混合均匀, 加入酸或碱(作为催化剂),室温下搅拌反应3~7d后,(可以采用蒸馏)除去溶剂,余下物经 干燥(可以置于真空干燥箱中在55℃温度下干燥),得到白色粉末,即为制得的硅基有机/无 机杂化粒子; b、制备硅基有机/无机杂化树脂: 将(步骤a制得的)硅基有机/无机杂化粒子加入模具(可以是聚四氟模具或玻璃模 具)中,置于真空固化箱中,真空状态下加热到150℃保温3~6h进行熔融,使硅基有机/无机 杂化粒子中有机部分达到熔融状态,然后再加热至180℃~250℃温度下进行固化反应8~ 12h,再经自然冷却至室温,即得到硅基有机/无机杂化树脂。 本发明的再一内容中:步骤a中所述(用作聚合物水解催化剂的)酸可以是盐酸(较 好的是pH  3.0~4.0的稀盐酸),所述碱可以是三乙胺或氨水等。 本发明的再一内容中:步骤a中所述有机溶剂可以是四氢呋喃、甲苯、二氧六环、N, N-二甲基甲酰胺等中的一种或两种以上的混合物。 本发明的再一内容中:步骤b中所述加热至180℃~250℃温度下进行固化反应8~ 12h,具体是:(对所述硅基有机/无机杂化粒子进行四个阶段固化反应,包括)加热升温至 180℃保温2~3h进行第一阶段固化反应,再升温至200℃保温2~3h进行第二阶段固化反 应,再升温至220℃保温2~3h进行第三阶段固化反应,再升温至250℃保温2~3h进行第四 阶段固化反应。 6 CN 111574668 A 说 明 书 4/17 页 所述苯乙烯可以购自成都市科龙化学品有限公司,经除阻聚剂纯化处理;4-乙烯 基苯并环丁烯可以为实验室自制或为市售产品;(4-乙烯基苯基)  三甲氧基硅烷可以购自 梯希爱(上海)化成工业发展有限公司;N-叔丁基  -N-(2-甲基-1-苯丙基)-O-(1-苯乙基)羟 胺可以购自Sigma-Aldrich公司。 与现有技术相比,本发明具有下列特点和有益效果: (1)本发明首先通过活性自由基聚合法将苯乙烯及4-乙烯基苯并环丁烯单体制备 成大分子引发剂无规共聚物,在以此大分子引发剂引发单体(4- 乙烯基苯基)三甲氧基硅 烷制得嵌段共聚物;其次将嵌段共聚物用酸或碱催化进行水解-缩合得到硅基有机/无机杂 化粒子;最后将得到的硅基有机/无机杂化粒子经过加热固化,得到硅基有机/无机杂化树 脂;本发明制备的嵌段共聚物各组分比例可调,水解条件可调,从而使最终得到的树脂有机 部分及无机部分的比例可调以达到其性能可调谐的目的;可制备出机械性能、电学性能及 热性能优异的硅基有机/无机杂化树脂材料,可作为芯片和线路板的层间介电封装材料; (2)采用本发明,采用活性自由基法制备含可水解硅氧烷的嵌段共聚物,制备出的 嵌段共聚物分子量可控,分子量分布窄(该嵌段聚合物分子量为5000~50000); (3)本发明制备的嵌段共聚物含有可以水解的硅氧烷基团,可在酸或碱的催化下 进行水解-缩合,从而有机硅氧烷部分变成无机网络状的Si-O-Si  结构,形成硅基有机/无 机杂化树脂材料; (4)采用本发明,制备的嵌段共聚物各组分比例可调,通过其制备的硅基有机/无 机杂化粒子的有机部分与无机部分的比例可调(前期聚合物中聚硅氧烷部分比例所占越 大,则在其水解-缩合后无机Si-O-Si结构所占的比例就越大),因而最终的硅基有机/无机 杂化树脂的热性能、电学性能以及机械性能可调; (5)采用本发明,可制备得到热稳定性能、介电性能及机械性能均优良(热稳定性: 树脂5wt%时的失重温度T5%范围可在350℃~500℃;介电常数范围:2.7~2.0;力学性能: 2GPa~10GPa)的硅基有机/无机杂化树脂,特别适用作为芯片和线路板层间介电封装材料; (6)本发明制备工艺简单,操作容易,实用性强。
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