CN108586748B - 一种苯并环丁烯官能化有机硅聚合物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种苯并环丁烯官能化有机硅聚合物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于高性能树脂技术领域，具体为含苯并环丁烯官能团的有机硅聚合物及其制备方法和应用。本发明有机硅聚合物由一种或者多种硅氧烷水解缩合而得到。该材料具有良好的光刻性能，在电子封装、光电器件、集成电路领域有着的广阔应用前景。可直接进行应用，也可以通过加入其他有机、无机改性剂进行改性。如作为封装材料，应用于太阳能电池、显示器件、LED、MEMS等电子器件或者光电器件。也可用作光学器件或者光学薄膜材料，还可作为半导体、集成电路领域用的低介电层间介质材料、低介电光刻胶等。还可以用于高性能树脂复合材料的制备。

Description

一种苯并环丁烯官能化有机硅聚合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于高性能树脂技术领域，具体涉及含苯并环丁烯官能团的有机硅树脂及其制备方法和应用。
背景技术
苯并环丁烯是一种优秀的聚合物材料，加热后可发生开环聚合，生成高交联、耐高温的低介电聚合物材料。陶氏化学开发了一系列CYCLOTENE Advanced ElectronicsResins的光刻胶，都是基于DVS-BCB预聚体制备的。DVS-BCB是利用DVS和4-溴苯并环丁烯通过Heck反应制备的小分子。基于DVS-BCB的光刻胶通常是DVS-BCB经过预聚获得一定分子量大小的预聚体，然后加入光敏剂配置而成。预聚条件的控制是个重要的因素。基于DVS-BCB的光刻胶具有优异的热稳定性，介电常数小，在1MHz处为2.65。然而，其热膨胀系数还是相对比较大，有数据报道其热膨胀系数为62μm/(m×oC)。需要开发新型的耐高温的光刻胶。
发明内容
本发明的目的在于提供一种性能优异、制备方便的苯并环丁烯官能化的有机硅聚合物及其制备方法和应用。
本发明提供的苯并环丁烯（BCB）官能化的有机硅聚合物，是由一种或者多种硅氧烷水解缩合而得到，其结构式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，R1，R2，R3分别选自甲基、乙基、丙基、烯丙基、异丙基、环己基、苯基，氢原子、碳碳双键、羟丙基、氯丙基、氨丙基等；m，n取整数；其中m大于2，优选为3~100；n大于等于0，优选为1-100。
本发明中，BCB官能化的有机硅聚合物，其中至少包含BCB官能化的有机硅M，其结构式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
R4是甲氧基、乙氧基或异丙氧基等。
典型的有机硅M分子式如下之一种：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
本发明中，除有机硅M外，其他硅氧烷单体可以是二苯基二甲氧基硅烷、二苯基二乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、二乙基二乙氧基硅烷、甲基苯基二乙氧基硅烷或氯甲基甲基二甲氧基硅烷等。
本发明中，所述有机硅M是带有双键的硅氧烷和4-溴苯并环丁烯通过Heck反应制备得到。如M1是通过甲基乙烯基二甲氧基硅烷和4-溴苯并环丁烯通过Heck反应制备的。这种反应需要在惰性气氛中（N2、Ar气）进行，这种Heck反应的溶剂为干燥溶剂，可选用甲苯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、乙腈、二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺等。催化剂可选用醋酸钯、四（三苯基膦）钯、钯碳、二苯基磷二茂铁二氯化钯、四三苯基膦钯、二氯二三苯基膦钯、钯碳等。配体选用三苯基膦或者三（邻甲苯基）膦，碱吸收剂可选用三乙胺、碳酸钾、碳酸钠、碳酸铯、吡啶、咪唑等。反应温度50~150oC，反应时间2h~48h，优选为3h~12h。
反应结束后，通过抽滤等方式过滤沉淀，滤饼用非极性溶剂（如甲苯、环己烷、石油醚等）洗涤，合并滤液，旋蒸浓缩。浓缩液经油泵减压蒸馏提纯得到单体M。
本发明中，M单体合成聚合物是通过酸或者碱催化剂作用下的水解缩合反应进行。当催化剂是碱时，可以是四甲基氢氧化铵（水溶液或者乙醇溶液），也可以是碱胶（利用氢氧化钾和有机硅反应制备）等。当催化剂为酸时，可以是甲酸、乙酸、甲磺酸等。
其他共水解的硅氧烷单体可以是二苯基二甲氧基硅烷、二苯基二乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、二乙基二乙氧基硅烷、甲基苯基二乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、正硅酸甲酯、正硅酸乙酯等。
必要时加入其他封端剂，通常是小分子量单硅氧烷，如三甲基乙氧基硅烷、三甲基甲氧基硅烷、二苯基甲基乙氧基硅烷、三苯基乙氧基硅烷、三苯基甲氧基硅烷、二甲基乙烯基乙氧基硅烷、二甲基乙烯基甲氧基硅烷、二甲基乙氧基硅烷、二甲基甲氧基硅烷等；也可以是二硅氧烷，如六甲基二硅氧烷（MM）、四甲基二乙烯基二硅氧烷、1,3-二甲基-1,1,3,3-四乙烯二硅氧烷、1,1,3,3-四甲基-1,3-二苯基二硅氧烷、1,3-二乙烯基-1,3-二甲基-1,3-二苯基二硅氧烷、四甲基二硅氧烷、十甲基四硅氧烷等。
本发明中所述的水解缩合反应，可以加入其他溶剂，可以是烷烃溶剂（石油醚、正己烷、环己烷、正庚烷、正辛烷、等）、无水四氢呋喃、水、甲苯、苯、二甲苯、二氧六环、甲基四氢呋喃、二氯甲烷、二甲基四氢呋喃、乙二醇二甲醚、乙二醇二***等中的一种或者多种。
本发明中所述的水解缩合反应，可以先采用简单回流装置，后改用回流带水装置，使水解缩合反应充分进行；也可以先采用简单回流装置，后改用常压或减压蒸馏装置，使反应充分进行；还可以直接采用回流带水装置或者蒸馏装置（常压或者减压）。
本发明所述的水解缩合反应，其反应温度范围为室温到120℃，可采用程序控温；比如先室温反应，后进行升温。
本发明所述的水解缩合反应，其反应时间为1~24小时。
本发明所述的水解缩合反应，反应结束后，如催化剂为四甲基氢氧化铵，可通过升温到130～160℃分解并除去催化剂；也可加入石油醚、二氯甲烷、乙酸乙酯、乙酸丁酯等，进一步进行酸洗（除去碱性催化剂）；如催化剂为酸，则用碱洗，除去酸性催化剂，水洗。然后有机相经干燥剂（无水硫酸镁、无水硫酸钠、无水硫酸钙等）干燥，旋蒸除去溶剂，即得到有机硅聚合物。
本发明中，所述的有机硅聚合物，可用于薄膜制备，也可用于复合材料、光刻胶、光波导材料、胶黏剂等。这种聚合物可在200~350℃时固化，得到耐高温的透明光学材料。
本发明中，所述的有机硅聚合物可利用双叠氮类有机化合物作为光敏交联剂进行光刻。具体是将聚合物和双叠氮类有机化合物配置在有机溶剂当中，然后旋涂（500~5000转/分）成膜，再进行前烘。在紫外光照射下利用掩板进行光刻。光照的区域发生交联，而未光照的地方则没有发生交联，可溶在显影剂当中。显影之后再进行后加热、热固化即可得到固化的图案化图形。
其中溶剂可以是甲苯、二甲苯、均三甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷、正己烷、石油醚、环己烷、正庚烷、正辛烷、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、丙酮、甲基乙基酮、环丁酮等。
所述的双叠氮类有机化合物可以是以下当中的一种或者多种：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
所述的前烘是在烘箱或者热台上加热，温度可以是室温到150℃，时间2--100分钟。
所述的显影剂为石油醚、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、正己烷、环己烷、正庚烷、环己酮、丙酮、甲基乙基酮、乙醇、甲醇、异丙醇、水等中的一种或者多种配置的混合液。
所述的加热、热固化是先在热台上加热除去溶剂，再放置到烘箱或管式炉中，升温固化，可设置从150℃-300℃程序升温，实现聚合物完全固化。
以PVS-BCB聚合物及其光刻为例。
首先利用甲基乙烯基二硅氧烷和4-溴BCB在醋酸钯催化作用下，制备这种具有双硅氧烷官能团的有机硅BCB单体。反应结束后过滤掉沉淀，进一步通过环己烷洗涤，旋蒸浓缩、减压蒸馏得到单体。利用红外、核磁等方法表征确认了其结构。
利用这种单体M1，再加上封端剂，在碱性条件下进行水解、缩聚反应制备线性的低聚物PVS-BCB。
这种低聚合物可通过旋涂成膜，然后在程序升温（180~300℃）之后发生固化；也可以在模具中固化制备块材。这种材料的玻璃化转变温度高于350℃，线膨胀系数为32.8ppm/℃，氮气氛围中热失重温度（升温速率10℃/分）在490℃以上。
将双叠氮有机化合物BAC-M和PVS-BCB配置在均三甲苯中，经过光刻制备了光刻图案。实验表明，PVS-BCB具有良好的光刻性能。
这种性能优异、具有光刻性能的低聚物在电子封装、光电器件、集成电路领域有着的广阔应用前景。可直接进行应用，也可以通过加入其他有机、无机改性剂进行改性。如作为封装材料，应用于太阳能电池、显示器件、LED、MEMS等电子器件或者光电器件。也可用作光学器件或者光学薄膜材料，还可作为半导体、集成电路领域用的低介电层间介质材料、低介电光刻胶等。还可以用于高性能树脂复合材料的制备。
附图说明
图1为PVS-BCB 固化后样品的动态力学分析曲线。
图2为PVS-BCB固化后样品的热机械分析曲线。
图3为 BAC-M和PVS-BCB配置光刻胶的光刻图像。
具体实施方式
实施例1，含苯并环丁烯官能团单体M的制备
在三口瓶中，分别加入4-溴苯并环丁烯9.54g，甲基乙烯基二甲氧基硅烷6.79g，三乙胺9ml，乙酸钯0.169g，三（邻甲苯基）膦0.447g，乙腈60ml，氮气保护下90℃加热回流反应24h。反应结束后，旋蒸除去溶剂，加入石油醚搅拌后，过滤。滤液旋蒸除去石油醚，剩余浓缩液进行减压蒸馏得到单体M（收率68%）。
实施例2，酸催化水解法制备M和二苯基二乙氧基硅烷共缩聚聚合物I
将单体M 4.68g，二苯基二乙氧基硅烷1.36g，乙酸0.2g，水0.561g，三甲基乙氧基硅烷0.483g加入到三颈瓶中。90℃加热反应5小时。反应结束后加入20毫升甲苯，分别用饱和的碳酸氢钠水溶液洗三次，去离子水洗一次。无水硫酸钠干燥，过滤。旋蒸除去溶剂，得到粘稠的浅黄色液体。
实施例3，碱催化水解法制备M和二苯基二乙氧基硅烷共缩聚聚合物II
将单体M 4.68g，二苯基二乙氧基硅烷1.36g，四甲基氢氧化铵25%水溶液0.161g，水0.561g，三甲基乙氧基硅烷0.483g加入到三颈瓶中。90℃加热4.5小时，蒸出甲醇和乙醇。反应结束后加入20毫升甲苯，分别用稀盐酸洗三次，饱和的NaCl水溶液洗1次，去离子水洗一次。无水硫酸钠干燥，过滤。旋蒸得到粘稠的浅黄色液体。
实施例4，碱催化水解法制备M和二苯基二乙氧基硅烷共缩聚聚合物II
将单体M 4.68g，二苯基二乙氧基硅烷1.36g，四甲基氢氧化铵25%水溶液0.161g，水0.561g，三甲基乙氧基硅烷0.483g加入到三颈瓶中。90℃加热4.5小时，蒸出甲醇和乙醇。然后加入正己烷共沸带水，继续升温到120℃蒸出溶剂，再升温到150℃分解催化剂四甲基氢氧化铵，油泵脱气，最后得到粘稠的浅黄色液体。
实施例5，碱水解法制备聚合物PVS-BCB
将单体M 4.68g，四甲基氢氧化铵25%水溶液0.186g，三甲基乙氧基硅烷0.483g加入到三颈瓶中。90℃加热4.5小时，蒸出反应生成的甲醇和乙醇。然后加入正己烷共沸带水，继续升温到120℃蒸出溶剂，再升温到150℃分解催化剂四甲基氢氧化铵，真空油泵脱气，最后得到粘稠的浅黄色液体。
实施例6，碱水解法制备聚合物PVS-BCB
将单体M 2.079g，四甲基氢氧化铵25%水溶液0.161g，水0.582g，三甲基乙氧基硅烷0.483g加入到三颈瓶中。90℃加热4.5小时，蒸出甲醇和乙醇。反应结束后加入甲苯，分别用稀盐酸洗三次，饱和的NaCl水溶液洗1次，去离子水洗一次。无水硫酸钠干燥，过滤。旋蒸得到粘稠的浅黄色液体。
实施例7，PVS-BCB本体聚合
将实施例6所制备的PVS-BCB低聚物加入到玻璃模具中，通过升温（200℃，1h；230℃，1h；260℃，1h；300℃，0.5h）固化，得到浅黄色透明块材。利用DMA表征（说明书附图1）发现材料的玻璃化转变温度高于400℃，利用TMA表征发现材料的热膨胀系数为32ppm/℃（见说明附图2）;利用热失重表征发现材料的5%热失重温度为500℃。
实施例8，光刻胶的配置以及光刻
将低聚物PVS-BCB0.254g，均三甲苯0.792g以及双叠氮化合物（BAC-M）0.017g配置在铝箔包覆的小瓶中，搅拌过夜。第二天在光刻间进行光刻工艺操作。首先进行匀胶旋涂，再在热台上90℃进行前烘10min。然后利用紫外灯进行曝光，之后利用显影液进行显影，再进行后固化，得到光刻图案，见说明书附图3。

Claims (12)

1.一种光刻胶，其特征在于，包括含有苯并环丁烯官能化的有机硅聚合物、双叠氮类有机化合物以及有机溶剂；所述苯并环丁烯官能化的有机硅聚合物的结构式如下：
Figure 121166DEST_PATH_IMAGE002
其中，R1，R2，R3分别选自甲基、乙基、丙基、烯丙基、异丙基、环己基、苯基，氢原子、碳碳双键、羟丙基、氯丙基、氨丙基；m，n取整数；其中m大于2；n大于等于0；
其中，BCB官能化的有机硅聚合物，包含BCB官能化的有机硅M，其结构式如下：
Figure 772728DEST_PATH_IMAGE004
R4是甲氧基、乙氧基或异丙氧基；具体为如下分子式之一种：
Figure 349202DEST_PATH_IMAGE006
所述双叠氮类有机化合物是以下结构式化合物中的一种或者多种：
Figure 603466DEST_PATH_IMAGE008
所述有机溶剂选自甲苯、二甲苯、均三甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷、正己烷、石油醚、环己烷、正庚烷、正辛烷、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、丙酮、甲基乙基酮、环丁酮。
2.根据权利要求1所述的光刻胶，其特征在于，所述苯并环丁烯官能化的有机硅聚合物由如下制备方法得到：由一种或者多种硅氧烷单体，在酸或者碱催化剂作用下，经过水解缩合反应，制备得到苯并环丁烯官能化的有机硅聚合物；所述的硅氧烷单体至少一种为含BCB官能化的有机硅M，该有机硅M的结构式如下：
Figure 886680DEST_PATH_IMAGE010
R4是甲氧基、乙氧基或异丙氧基；具体为如下结构式之一种：
Figure 302618DEST_PATH_IMAGE012
。
3.根据权利要求2所述的光刻胶，其特征在于，所述的催化剂中，碱为四甲基氢氧化铵或碱胶；酸为硫酸、甲酸、乙酸或甲磺酸。
4.根据权利要求2所述的光刻胶，其特征在于，所述的水解缩合反应中，使用如下溶剂中的一种或者多种：烷烃溶剂、四氢呋喃、水、甲苯、苯、二甲苯、二氧六环、2-甲基四氢呋喃、二氯甲烷、2,5-二甲基四氢呋喃、乙二醇单甲醚、乙二醇二甲醚、乙二醇二***。
5.根据权利要求2所述的光刻胶，其特征在于，所述的水解缩合反应中，先采用简单回流装置，后改用回流带水装置，使水解缩合反应充分进行；或者先采用简单回流装置，后改用常压或减压蒸馏装置，使反应充分进行；或者直接采用回流带水装置或者蒸馏装置。
6.根据权利要求2所述的光刻胶，其特征在于，所述的水解缩合反应，其反应温度范围为室温到120℃，反应时间为1~24小时。
7.根据权利要求6所述的光刻胶，其特征在于，所述的水解缩合反应结束后，如催化剂为四甲基氢氧化铵，通过升温到130～160℃分解并除去催化剂；或者加入石油醚、二氯甲烷、乙酸乙酯或乙酸丁酯，进一步进行酸洗，除去碱性催化剂；如催化剂为酸，则用碱洗，除去酸性催化剂；然后水洗；最后用有机相经干燥剂干燥，旋蒸除去溶剂，得到有机硅聚合物。
8.如权利要求1所述的光刻胶的使用方法，其特征在于， 具体步骤为：将有机硅聚合物和双叠氮类有机化合物配置在有机溶剂当中，然以500~5000转/分转速旋涂成膜，再进行前烘；在紫外光照射下利用掩板进行光刻；光照的区域发生交联，而未光照的地方则没有发生交联，可溶在显影剂当中；显影之后再进行后加热、热固化，即得到固化的图案化图形。
9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述的前烘是在烘箱或者热台上加热，温度是室温到150℃，时间2--100分钟。
10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述的显影剂为石油醚、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、正己烷、环己烷、正庚烷、环己酮、丙酮、甲基乙基酮、乙醇、甲醇、异丙醇、水中的一种，或者其中多种配置的混合液。
11.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述的加热、热固化是先在热台上加热除去溶剂，再放置到烘箱或管式炉中，升温固化，设置从150℃-300℃程序升温，实现聚合物完全固化。
12.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述的苯并环丁烯官能化的有机硅聚合物为PVS-BCB聚合物，该PVS-BCB聚合物由如下过程制备得到：
首先由甲基乙烯基二硅氧烷和，4-溴BCB在醋酸钯催化作用下，制备得到具有双硅氧烷官能团的有机硅BCB单体；然后利用这种单体M1，再加上封端剂，在碱性条件下进行水解、缩聚反应，制备得到线性的低聚物，记为PVS-BCB聚合物。
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