JP5928705B2 - ポリイミド前駆体溶液の製造方法及びこれを用いたポリイミド前駆体溶液、多孔質ポリイミド - Google Patents
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Description
はじめに、本発明のポリイミド前駆体溶液の原料(ポリイミド前駆体合成用組成物)について説明する。
ポリイミド前駆体合成用組成物は、ポリイミド前駆体の原料となるモノマー(テトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物)、気孔を形成する役割を果たす熱分解性有機化合物、及びこれらを溶解する有機溶媒を含有する。以下、各順に説明する。
テトラカルボン酸二無水物としては、炭素数が2〜27の脂肪族基、炭素数4〜10の環式脂肪族基、単環式芳香族基、縮合多環式芳香族基に結合したテトラカルボン酸の二無水物を用いることができる。具体的には、3,4,3’,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(BPDA)、2,3,3’,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(a−BPDA)、ピロメリット酸二無水物(PMDA)、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、4,4’−オキシジフタル酸二無水物、3,3’,4,4’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、ビシクロ(2,2,2)−オクト−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5−シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボンキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン二無水物、5−(2,5−ジオキソテトラヒドロフリル)−3−メチル−3−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸二無水物等が挙げられ、これらは1種又は2種以上混合して用いることができる。これらのうち、芳香族テトラカルボン酸二無水物が好ましく用いられる。
ジアミン化合物としては、芳香族、脂肪族、又は架橋員により連結された芳香族基にアミノ基が結合した化合物であればよいが、芳香族ジアミンが好ましく用いられる。
本発明で用いられる熱分解性有機化合物とは、半減温度350℃以下の有機化合物である。ここで、半減温度350℃以下とは、窒素雰囲気下で10℃/minで昇温したときの質量減少率が50%となるときの温度が350℃以下をいう。例えば、エスアイアイ・ナノテクノジー株式会社製のTG/DTA(示差熱熱重量同時測定装置)を用いて熱重量を測定することにより測定できる。気孔を生ぜしめる有機化合物の熱分解温度が350℃を超えると、イミド化過程での熱分解が不十分となり、その結果、ポリイミド樹脂中に十分な気孔を形成することが困難となる。
本発明のポリイミド前駆体合成用組成物に含有される有機溶媒は、ポリイミド前駆体原料の反応溶媒として用いられる有機溶媒であり、常圧での沸点が150〜210℃の非プロトン性極性溶媒と、常圧での沸点が200〜300℃でのエーテル系溶媒との混合溶媒である。
具体的には、結果物であるポリイミド前駆体の固形分濃度が10〜30質量%程度となるポリイミド前駆体溶液が得られる量とすることが好ましい。
本発明のポリイミド前駆体溶液は、上記本発明のポリイミド前駆体合成用組成物を反応させることにより得られる。
すなわち、本発明のポリイミド前駆体溶液の製造方法は、熱分解温度が350℃以下の熱分解性有機化合物、及び常圧での沸点が150〜210℃の非プロトン性極性溶媒と常圧での沸点が200〜300℃のエーテル系溶媒との混合溶媒の存在下で、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとを反応させる工程を含む。
開環重付加反応が進行し、ポリアミック酸が合成される。この際、熱分解性有機化合物として変性有機化合物を用いている場合には、合成されるポリアミック酸の分子鎖内に、組み込まれる。熱分解性有機化合物が原料モノマーとの反応基を有していない場合には、原料モノマーによりポリアミック酸が合成される。
本発明の多孔質ポリイミドは、上記本発明のポリイミド前駆体溶液を加熱処理することにより得られる。
具体的には、ポリイミド前駆体溶液を基材に塗布し、溶剤を乾燥させることにより、ポリイミド前駆体被膜を形成する。次いで、熱処理すると、ポリイミド前駆体のイミド化が起こるとともに、ポリイミド前駆体分子鎖内に含まれる熱分解性有機化合物(熱分解性有機化合物残基として存在)が熱分解、焼失して、微細な気孔を有する多孔質ポリイミドが形成される。
具体的には、また、ポリイミド前駆体の分子骨格に剛直な構造を導入することによって、線熱膨張係数(CTE)が30ppm/K以下とすることができる。樹脂の線熱膨張係数を上記範囲内で調整することにより、金属やシリコンからなる基材及び導体層との熱膨張係数の差を小さくすることが可能となり、ポリイミド層と金属層との間に残留応力が蓄積することにより生じるクラックや層間剥離などの問題を解決できる。
多孔質ポリイミドの応用品としては、例えば、ポリイミド基材の片面に銅等の金属からなる導体配線を有し、その導体配線上に、多孔質ポリイミド膜をカバーレイフィルム(保護膜)として有する片面フレキシブルプリント配線板を例示できる。
また、ステンレス等の金属箔基材上にポリイミド等の絶縁層を有し、その上に銅等の金属からなる導体配線(回路)を有し、その導体配線上に多孔質ポリイミド膜を保護膜として有する回路付きサスペンション基板などを例示できる。
さらに、前記プリント配線板、サスペンション基板において、ポリイミド基材や絶縁層としてのポリイミド膜にも、本発明の多孔質ポリイミドを用いてもよい。
(1)平均気孔径(μm)
作製したポリイミド樹脂膜の切断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察して、平均気孔径を算出した。
作製したポリイミド樹脂膜の厚み及び重量を測定し、次の式から気孔率を算出した。式中のSは樹脂膜サンプルの面積、Tは膜厚、Wは測定した樹脂の重量、Dはポリイミドの密度を表す。ポリイミドの密度は気孔のないポリイミドフィルムから算出した。
気孔率(%)= 100−100×(W/D)/(S×T)
インピーダンスアナライザの容量法により、測定周波数1GHzで測定した。低誘電率膜としては、誘電率3.2以下であることが望まれる。
エスアイアイ・ナノテクノジー株式会社製のTG/DTA(示差熱熱重量同時測定装置)を用いて、窒素雰囲気下で室温から10℃/minで昇温し、熱重量を測定した。質量減少率が50%となるときの温度を熱分解温度とした。
(1)ポリイミド前駆体溶液No.1−No.4
非プロトン性極性溶媒として、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc:沸点165℃)を使用し、エーテル系溶媒としてトリエチレングリコールジメチルエーテル(沸点:216℃)又はテトラエチレングリコールジメチルエーテル(沸点:275℃)を用いた。非プロトン性極性溶媒とエーテル系溶媒とを1:1(質量比)で混合して、混合溶媒とした。
アミン変性PPG1:重量平均分子量2000の両末端をジアミンで変性したポリプロピレングリコール、熱分解温度300℃
アミン変性PPG2:重量平均分子量4000の両末端をジアミンで変性したポリプロピレングリコール、熱分解温度300℃
得られた多孔質ポリイミドの断面を走査電子顕微鏡SEMで観察し、平均気孔径を求めた。さらに、誘電率を上記方法に従って、測定、算出した。結果を表1に示す。また、撮像したNo.2の顕微鏡写真を図1に示す。写真において、黒色部分が気孔である。
混合溶媒に代えて、非プロトン極性溶媒のみを使用し、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(ODA)及び熱分解性有機化合物の配合量を表1のようにした以外は、ポリイミド前駆体溶液No.1と同様にして合成したポリイミド前駆体溶液を用いて、ポリイミド樹脂膜(多孔質ポリイミド)を作製した。得られた多孔質ポリイミドの断面を走査電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、平均気孔径は1μm〜10μmと大きく、また、気孔の分布が偏っていた。さらに、誘電率を上記方法に従って、測定した。結果を表1に示す。また、撮像した顕微鏡写真を図2に示す。
(3)ポリイミド前駆体溶液No.6
混合溶媒に代えて、テトラエチレングリコールジメチルエーテルのみを使用し、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(ODA)及び熱分解性有機化合物の配合量を表1のようにし、さらにピロメリット酸二無水物(PMDA)を滴下したところ、ODA、PMDAが溶解せず、重合反応が進行しなかった。
非プロトン極性溶媒存在下で、熱分解有機化合物は添加配合せずに、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(ODA)にピロメリット酸二無水物(PMDA)を滴下することで環化付加重合反応を進行させ、ポリイミド前駆体溶液を合成した。得られたポリイミド前駆体溶液を、No.1と同様にして、銅箔上に塗工し、得られたポリイミド前駆体被膜を同様に加熱硬化させて、気孔のないポリイミド樹脂膜を得た。このポリイミド樹脂膜の誘電率を測定した結果を表1に示す。
一方、熱分解性有機化合物及びエーテル系溶媒の存在下で、ポリイミド原料モノマー及び熱分解性有機化合物を添加配合しても、ポリイミド原料モノマーが溶解しないため、懸濁液となり、重合反応自体が進行せず、ポリイミド前駆体溶液を合成できなかった(No.6)。
Claims (7)
- ポリエーテルの両末端にアミンが結合したジアミン化合物からなる熱分解温度が350℃以下の熱分解性有機化合物、及び常圧での沸点が150〜210℃の非プロトン性極性溶媒と常圧での沸点が200〜300℃のエーテル系溶媒とが質量比40:60〜60:40で含有されている混合溶媒の存在下で、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとを反応させる工程を含む、ポリイミド前駆体溶液の製造方法。
- 前記エーテル系溶媒は、トリエチレングリコールジメチルエーテル又はテトラエチレングリコールジメチルエーテルであり、前記プロトン性極性溶媒はN−メチル2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、またはγ−ブチロラクトンである請求項1に記載の製造方法。
- 前記熱分解性有機化合物、前記テトラカルボン酸二無水物、および前記ジアミンの総量100質量部に対する、前記熱分解性有機化合物の配合量は、20〜50質量部である請求項1又は2に記載の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の方法により製造されるポリイミド前駆体溶液を350℃以上に加熱してイミド化する工程
を含む多孔質ポリイミドの製造方法。 - テトラカルボン酸二無水物、ジアミン、ポリエーテルの両末端にアミンが結合したジアミン化合物からなる熱分解温度が350℃以下の熱分解性有機化合物、及び常圧での沸点が150〜210℃の非プロトン性極性溶媒と常圧での沸点が200〜300℃のエーテル系溶媒とが質量比40:60〜60:40で含有されている混合溶媒を含有するポリイミド前駆体合成用組成物。
- 常圧での沸点が150〜210℃の非プロトン性極性溶媒と常圧での沸点が200〜300℃のエーテル系溶媒とが質量比40:60〜60:40で含有されている混合溶媒に、テトラカルボン酸二無水物、ジアミン、及びポリエーテルの両末端にアミンが結合したジアミン化合物からなる熱分解温度が350℃以下の熱分解性有機化合物が反応してなるポリイミド前駆体が、溶解しているポリイミド前駆体溶液。
- 請求項6のポリイミド前駆体溶液を350℃以上で加熱して、脱水環化して、平均気孔径0.001〜0.5μmの多孔質ポリイミドを得る多孔質ポリイミドの製造方法。
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