CN115417808B - 一种蒽醌季铵盐类化合物及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蒽醌季铵盐类化合物，其特征在于，结构如下所示：R选自以下基团的一种：n为1‑18的整数；Y为Cl、F、Br、I、HSO3、HSO4、CF3CO3、BF4、OTf、HCO3。本发明的蒽醌类季铵盐类化合物具有良好的电镀性能，这种季铵盐化合物由于通过结构中的含氮正离子及其大平面结构，可以在电极表面进行较大面积的吸附和覆盖从而增加阴极极化，抑制铜颗粒在镀层表面的过度沉积，从而对铜表面起到整平效果。
Description
技术领域
本发明属于化学合成技术领域，具体地说，涉及一种蒽醌季铵盐类化合物及其制备方法与应用。
背景技术
金属铜由于其具有较高导电性、强导热性及延展性优良等特点，质地柔软且化学性质较为稳定，因此在实际电子产品工业生产中得到了极为广泛的应用。电镀铜工艺更是由于其适用范围广，操作较简便等优势在计算机、电子、机械等许多工业生产领域得到了人们的认可。
在当今的电子信息化时代，半导体工业、芯片产业飞速发展，金属铜在电镀工业被大量应用在电子信息产品领域之中。例如集成电路(Integrated Circuit，IC)的封装，以及印刷线路板(Printed Circuit Board，PCB)的制造还有大规模集成芯片的生产开发等等都需要用到电镀铜技术，然而随着电子信息产品越来越向精细化与小型化发展，所以电镀工业生产对所镀铜层的品质有了越来越高的要求，铜镀层的粗糙程度和整平程度与毛刺现象也越来越受到消费者们的关注，因此如何通过优化生产，改进添加剂等手段来降低铜镀层的粗糙度，让电镀铜工业朝着更为精细化的方向发展是未来人们需要探索的目标。
整平剂相对于其他电镀添加剂最具有商业价值，种类也最多，也是这几年人们研究最多的电镀添加剂之一。在实际工业生产中，单单利用加速剂和抑制剂进行电镀铜所镀的铜层从平整性的角度来说已无法满足如今的使用需求，因此整平剂在电镀铜中越来越重要。在电镀铜的过程中加入整平剂，可以促进溶液中铜离子的均匀沉积，让析出的金属铜镀层厚度相同，从而可以得到平整性较好的电镀产品。常见的整平剂分子主要分为带电荷类化合物以及共价键类化合物，染料类分子在整平剂中占据着十分重要的地位，其中，蒽醌类黄色染料在整平剂的报道中很少。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种蒽醌季铵盐类化合物。
本发明的另一个目的是提供一种所述蒽醌季铵盐类化合物的制备方法。
本发明的再一个目的是提供一种所述蒽醌季铵盐类化合物在制备电镀添加剂中的应用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的第一个方面提供了一种蒽醌季铵盐类化合物，结构如下所示：
R选自以下基团的一种：
n为1-18的整数；
Y为Cl、F、Br、I、HSO3、HSO4、CF3CO3、BF4、OTf、HCO3。
较优选的，所述蒽醌季铵盐类化合物中，n选自1、2、3、4、5、6。
更优选的，所述蒽醌季铵盐类化合物结构如式B所示：
n选自1、2、3；
R选自以下基团的一种：
最优选的，所述蒽醌季铵盐类化合物选自以下结构的一种：
本发明的第二个方面提供了一种所述蒽醌季铵盐类化合物的制备方法，包括以下步骤：
将摩尔比为1:(2～16)：(2～6)的1,5-二羟基蒽醌、二溴代烷烃、碱和适合的溶剂混合，在无水无氧的条件下回流反应4～12h，抽滤，除去溶剂，得到粗产物，经过柱层析得到化合物1；
将摩尔比为1：(2～16)的化合物1、含叔胺化合物和合适的溶剂混合，加热搅拌回流反应8～48h，用乙酸乙酯析出，抽滤得到化合物B。
所述二溴代烷烃为1,4-二溴丁烷。
所述溶剂为乙腈、DMF。
所述碱为碳酸铯。
所述1,5-二羟基蒽醌、二溴代烷烃、碱的摩尔比为1：10：6。
所述含叔胺化合物选自吡啶、联吡啶、喹啉。
所述化合物1、含叔胺化合物的摩尔比为1：10。
本发明的第三个方面提供了一种所述蒽醌季铵盐类化合物在制备电镀添加剂中的应用。
所述电镀添加剂为电镀整平剂。
所述电镀为铜电镀。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明的蒽醌类季铵盐类化合物具有良好的电镀性能，这种季铵盐化合物由于通过结构中的含氮正离子及其大平面结构，可以在电极表面进行较大面积的吸附和覆盖从而增加阴极极化，抑制铜颗粒在镀层表面的过度沉积，从而对铜表面起到整平效果。
本发明的蒽醌类季铵盐类化合物具有良好的电镀性能并且可以与其他电镀添加剂发生协同作用，通过实施例中循环伏安曲线证明了该类化合物在电镀过程中对铜具有良好的抑制能力，极化曲线证明了该类化合物对电镀铜体系具有良好的极化能力，恒电流计时添加曲线对其电镀整平性能进行了验证，并且与市售电镀整平剂JGB的循环伏安曲线作对比，蒽醌类季铵盐对铜离子的抑制能力明显优于市售整平剂JGB。
附图说明
图1为不同浓度的化合物B-1对铜沉积影响的循环伏安曲线示意图。
图2为不同浓度的化合物B-2对铜沉积影响的循环伏安曲线示意图。
图3为不同浓度的化合物B-3对铜沉积影响的循环伏安曲线示意图。
图4为含有不同浓度化合物B-1电解液的极化曲线示意图。
图5为含有不同浓度化合物B-2电解液的极化曲线示意图。
图6为含有不同浓度化合物B-3电解液的极化曲线示意图。
图7为不同转速下化合物B-3的恒电流计时添加曲线示意图。
图8为市售整平剂JGB的循环伏安曲线示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明实施例中所用试剂如表1所示：
表1
| 试剂名称 | 厂家 | 纯度 | 规格 |
| 1,5-二羟基蒽醌 | 上海贤鼎生物科技有限公司 | 90％ | 25g |
| 1,4-二溴丁烷 | 安徽泽升科技有限公司 | 98％ | 25g |
| 乙腈 | 上海泰坦科技股份有限公司 | 99％ | 5L |
| 碳酸铯 | 上海阿拉丁生化科技股份有限公司 | 99.9％ | 100g |
| 联吡啶 | 上海贤鼎生物科技有限公司 | 98％ | 25g |
| 喹啉 | 上海麦克林生化科技有限公司 | 98％ | 500g |
| 吡啶 | 上海麦克林生化科技有限公司 | 99.5％ | 500ml |
| 乙酸乙酯 | 上海泰坦科技股份有限公司 | 99％ | 5L |
实施例1
化合物1的制备方法如下：
将1,5-二羟基蒽醌(1mmol)、乙腈(30ml)、碳酸铯(6mmol)、1,4-二溴丁烷(10mmol)依次加入100ml的三口烧瓶中，在无水无氧的条件下，温度为80℃的条件下反应8h。冷却至室温，抽滤，用DCM洗涤，取滤液与100～200目的硅胶制成干样。通过柱层析进行纯化，洗脱剂为PE和DCM(1:1，v/v)，得到目标化合物1，黄色固体，收率28％。1H NMR(400MHz,Chloroform-d)δ7.81(d,J＝6.7Hz,2H),7.60(t,J＝8.1Hz,2H),7.17(d,J＝8.5Hz,2H),4.12(t,J＝6.0Hz,4H),3.52(t,J＝6.4Hz,4H),2.29–1.94(m,8H).13C NMR(101MHz,Chloroform-d)δ182.46,159.06,137.42,134.94,121.03,119.73,117.79,68.38,33.83,29.33,27.69.
化合物B-1的制备方法：
将化合物1(1mmol)、吡啶(10mmol)依次加入100ml三口烧瓶中，加入15mL乙腈作为溶剂，在氩气保护下，温度为80℃的条件下搅拌反应24h，冷却至室温，将反应液倒入200ml乙酸乙酯中，有沉淀析出。过滤，用乙酸乙酯洗涤，取滤饼真空干燥，得到浅黄色粉末化合物B-1，收率90％。1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ9.27–9.20(m,4H),8.66(t,J＝7.8Hz,2H),8.27–8.19(m,4H),7.83(t,J＝8.0Hz,2H),7.73(d,J＝7.8Hz,2H),7.54(d,J＝8.5Hz,2H),4.86(t,J＝7.2Hz,4H),4.23(t,J＝6.0Hz,4H),2.33–2.21(m,4H),1.90–1.79(m,4H).13CNMR(101MHz,DMSO-d6)δ181.58,158.55,145.53,144.81,136.68,135.53,128.23,120.05,118.88,118.69,68.27,60.31,27.71,24.88.
实施例2
化合物B-2的制备方法如下：
将化合物1(1mmol)、联吡啶(10mmol)依次加入100ml三口烧瓶中，加入15mL乙腈作为溶剂，在氩气保护下，温度为80℃的条件下搅拌反应24h，冷却至室温，将反应液倒入200ml乙酸乙酯中，有沉淀析出。过滤，用乙酸乙酯洗涤，取滤饼真空干燥，得到浅黄色粉末化合物B-2，收率95％。1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ9.48–9.27(m,4H),8.97–8.85(m,4H),8.77–8.62(m,4H),8.18–7.98(m,4H),7.81(d,J＝8.1Hz,2H),7.71(d,J＝8.7Hz,2H),7.59–7.50(m,2H),4.91(t,J＝7.1Hz,4H),4.24(t,J＝6.0Hz,4H),2.38–2.28(m,4H),1.96–1.86(m,4H).13C NMR(101MHz,DMSO-d6)δ181.54,158.51,152.22,150.97,145.36,140.80,136.64,135.52,125.40,121.93,120.01,118.87,118.69,68.24,59.95,27.69,24.94.
实施例3
化合物B-3的制备方法如下：
将化合物1(1mmol)、喹啉(10mmol)依次加入100ml三口烧瓶中加入15mL乙腈作为溶剂，在氩气保护下，温度为80℃的条件下搅拌反应24h，冷却至室温，将反应液倒入200ml乙酸乙酯中，有沉淀析出。过滤，用乙酸乙酯洗涤，取滤饼真空干燥，得到浅黄色粉末化合物B-3，收率95％。1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ9.76–9.69(m,2H),9.35(d,J＝8.3Hz,2H),8.73(d,J＝9.0Hz,2H),8.53(d,J＝8.4Hz,2H),8.32–8.21(m,4H),8.06(t,J＝7.6Hz,2H),7.82(t,J＝8.1Hz,2H),7.64(d,J＝7.6Hz,2H),7.54(d,J＝8.4Hz,2H),5.32(t,J＝7.4Hz,4H),4.27(t,J＝5.9Hz,4H),2.41–2.29(m,4H),2.05–1.93(m,4H).13C NMR(101MHz,DMSO-d6)δ181.42,158.52,149.69,147.45,137.42,136.60,135.50,130.77,129.78,122.24,119.95,119.13,119.05,118.76,118.67,68.22,56.98,26.31,25.31.
应用实施例1
化合物B-1～B-3的循环伏安曲线测试。
配制一含75g/L CuSO4·5H2O、200g/L H2SO4、50mg/L氯离子的硫酸铜溶液，用铂盘旋转电极作为工作电极，铂丝作为对电极和Ag/AgCl作为参比电极，转速为2000转的情况下，在上述溶液中分别加入化合物B-1～B-3，测试其循环伏安曲线，结果如图1～3所示，图1为不同浓度的化合物B-1对铜沉积影响的循环伏安曲线示意图。图2为不同浓度的化合物B-2对铜沉积影响的循环伏安曲线示意图。图3为不同浓度的化合物B-3对铜沉积影响的循环伏安曲线示意图。结果表明化合物B-1～B-3可以吸附在阴极表面，并在阴极表面形成一层阻挡层，阻碍了铜的沉积，从而增大了铜沉积反应的阻力，并且随着化合物B-1～B-3浓度的增加，抑制效果增强。
应用实施例2
化合物B-1～B-3的极化曲线测试。
配制一含75g/L CuSO4·5H2O、100g/LH2SO4、50mg/L氯离子的硫酸铜溶液，以Pt旋转电极作为工作电极，铂棒作为对电极和Ag/AgCl作为参比电汇极，转速为2000转的情况下，在上述溶液中分别加入化合物B-1～B-3，浓度分别是0、2、4、6、8、10μmol/L，做极化曲线测试。结果如图4～6所示，图4为含有不同浓度化合物B-1电解液的极化曲线示意图。图5为含有不同浓度化合物B-2电解液的极化曲线示意图。图6为含有不同浓度化合物B-3电解液的极化曲线示意图。结果表明化合物B-1～B-3可以增强体系的阴极极化，溶液中不加入化合物B-1～B-3的时候，电位由正向负值移动即铜的沉积电流，当加入化合物B-1～B-3后，电位产生更大的负值位移，并且随着化合物B-1～B-3在体系中的浓度增加，电位负值越来越大，表明化合物B-1～B-3可以抑制铜离子的沉积。
应用实施例3
测试化合物B-3作为整平剂与PEG和SPS的协同抑制性能。
配制一含75g/L CuSO4·5H2O、100g/LH2SO4、50mg/L氯离子的硫酸铜溶液，以Pt旋转电极作为工作电极，铂棒作为对电极和Ag/AgCl作为参比电极，转速为200rpm和1200rpm分别模拟PCB电镀孔内和孔外的电镀情况，第1000秒在溶液中加入200ppm的分子量为10000的聚乙二醇PEG作为抑制剂，在第2000秒加入2ppm的聚二硫二丙烷磺酸钠(SPS)作为加速剂，在第3000秒加入200μmol/L的化合物B-3水溶液作为整平剂，得到恒电流计时添加曲线，如图7所示，图7为不同转速下化合物B-3的恒电流计时添加曲线示意图。图中具体是不同转速下、电流密度为2A/dm2时的计时添加曲线，横坐标为时间(单位：秒)，纵坐标为电位(单位：伏)，结果表明，在一开始的1000s，体系中没有任何添加剂的情况下，铜的沉积能力只受到转速的影响，当在1000s加入PEG后，电位发生了骤然的下降，表明PEG作为抑制剂主导了铜的沉积速率，在第2000s时加入SPS加速剂，电位发生了一定程度的增加，表明SPS起到了加速铜沉积的作用，在第3000s时加入了化合物B-3，电位又发生了下降，同时在高转速的情况下，电位下降更多，表明化合物B-3在高电流密度的孔外抑制能力大于低电流密度孔内的抑制能力，起到了整平剂的作用。因此，本发明的蒽醌类季铵盐类化合物具有良好的电镀性能，可以作为电镀添加剂使用。
对比例1
市售整平剂JGB的循环伏安曲线
用目前市场上已经商品化的酸性电镀整平剂健那绿(简称JGB)进行循环伏安曲线测试。配制一含75g/L CuSO4·5H2O、200g/L H2SO4、50mg/L氯离子的硫酸铜溶液，用铂盘旋转电极作为工作电极，铂丝作为对电极和Ag/AgCl作为参比电极，转速为2000转的情况下，在上述溶液中分别加入化合物JGB，测试其循环伏安曲线，结果如图8所示，图8为市售整平剂JGB的循环伏安曲线示意图，结果表明市售JGB虽然可以吸附在阴极表面，但是其对铜的抑制能力相对实施例中的化合物效果较弱，当加入浓度至30μmol/L时，JGB对铜的抑制能力不再增加，从对比例中可以证明，本发明实施例中的B-1～B-3是一种优秀的电镀整平剂。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (8)
1.一种蒽醌季铵盐类化合物，其特征在于，结构如下所示：
R选自以下基团的一种：
n为1-18的整数；
Y为Cl、F、Br、I、HSO3、HSO4。
2.根据权利要求1所述的蒽醌季铵盐类化合物，其特征在于，所述蒽醌季铵盐类化合物中，n选自1、2、3、4、5、6。
3.根据权利要求2所述的蒽醌季铵盐类化合物，其特征在于，所述蒽醌季铵盐类化合物结构如式B所示：
n选自1、2、3；
R选自以下基团的一种：
4.根据权利要求3所述的蒽醌季铵盐类化合物，其特征在于，所述蒽醌季铵盐类化合物选自以下结构的一种：
5.一种权利要求4所述的蒽醌季铵盐类化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将摩尔比为1:(2～16)：(2～6)的1,5-二羟基蒽醌、二溴代烷烃、碱和适合的溶剂混合，在无水无氧的条件下回流反应4～12h，抽滤，除去溶剂，得到粗产物，经过柱层析得到化合物1；
将摩尔比为1：(2～16)的化合物1、含叔胺化合物和合适的溶剂混合，加热搅拌回流反应8～48h，用乙酸乙酯析出，抽滤得到化合物B；
所述二溴代烷烃为1,4-二溴丁烷；
所述溶剂为乙腈、DMF；
所述碱为碳酸铯；
所述含叔胺化合物选自吡啶、联吡啶、喹啉。
6.一种权利要求1至4任一项所述的蒽醌季铵盐类化合物在制备电镀添加剂中的应用。
7.根据权利要求6所述的蒽醌季铵盐类化合物在制备电镀添加剂中的应用，其特征在于，所述电镀添加剂为电镀整平剂。
8.根据权利要求7所述的蒽醌季铵盐类化合物在制备电镀添加剂中的应用，其特征在于，所述电镀为铜电镀。
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