具体实施方式
一方面,本发明提供了一种新的环氧改性酚醛清漆树脂,该树脂是由酚醛清漆树脂与1分子中具有1个以上环氧基的环氧化合物反应制得,重均分子量为2,000-20,000,优选3,000-9,000。酚醛清漆树脂与环氧化合物的反应比例为(以得到高感度的环氧改性酚醛清漆树脂),优选地,所述环氧化合物的用量不超过酚醛清漆树脂重量的30%。
本发明中的酚醛清漆树脂通常是在酸催化剂的存在下,由甲醛与一种或多种多取代酚缩合反应制得。二者的比例为酚类/甲醛的摩尔比为1/0.5-1/0.9之间,优选1/0.6-1/0.8之间。其中酸催化剂可选自草酸、马来酸、马来酸酐、对苯甲磺酸和硫酸等;酚类化合物可选自邻甲酚、间甲酚、对甲酚、2,4-二甲酚、2,5-二甲酚、3,5-二甲酚和2,3,5-二甲酚等。
本发明所用的环氧化合物为1分子中具有1个以上环氧基的环氧化合物。常用的可举例:含有环氧基的单体,例如环氧丙烷、环氧丙烷甲基醚、环氧丙烷乙基醚、环氧氯丙烷、环氧丙醇、环氧化辛烯-1、苯乙烯氧化物(SO)、丁基缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、甲酚缩水甘油醚、二溴苯基缩水甘油醚、溴代甲酚缩水甘油醚、乙烯基环己烯单环氧化物、2-乙基己基缩水甘油醚、对叔丁基苯基缩水甘油醚等;以及,含有环氧基的树脂,例如双酚A型环氧树脂、氢化双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、可溶可熔酚醛环氧树脂、甲酚可溶环氧树脂、双酚A的可溶可熔环氧树脂、联苯酚型环氧树脂、联二甲苯酚型环氧树脂、三酚基甲烷型环氧树脂、N-缩水甘油型环氧树脂、三缩水甘油胺化合物、2,6-二甲苯酚二聚体二缩水甘油醚、脂肪族环氧树脂、二甲苯类环氧树脂等。
另一方面,本发明提供了一种新的光刻胶组合物,其含有上述环氧改性酚醛清漆树脂、重氮类感光性化合物和有机溶剂。
优选地,每100重量份的该组合物中,含有5-30重量份的环氧改性酚醛清漆树脂。如果用量小于5重量份,则光刻胶组合物粘度太低不容易涂敷成所需的厚度;如果用量大于30重量份,则粘度太高不易均匀涂敷。
本发明组合物中所用的重氮类感光性化合物可单独或混合使用以下物质,例如,2,3,4-三羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-5-磺酸酯、2,3,4,4’-四羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-5-磺酸酯、2,3,4-三羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-4-磺酸酯、2,3,4,4’-四羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-4-磺酸酯。优选地,选用2,3,4-三羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-5-磺酸酯与2,3,4,4’-四羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-5-磺酸酯的混和物,混合重量比为40-60∶60-40。
优选地,本发明的光刻胶组合物中,每100重量份包含2-10重量份的重氮类感光性化合物。以该比例存在时,可得到适当的感光速度。
可根据本发明选用的有机溶剂包括,丙二醇甲醚乙酸酯(PGMEA)、2-甲氧基乙酸乙酯、乳酸乙酯或丙二醇单甲醚、或其混合物。其用量优选每100重量份的组合物含有60-90重量份的有机溶剂。
本发明的光刻胶组合物中还可根据需要加入一些添加剂,如着色剂、染色剂、抗条纹剂、增速剂、增粘剂、速度增强剂和表面活性剂。
根据个别工序的特点加入添加剂可提高光刻胶组合物涂敷时的性能。
又一方面,本发明提供了一种制备所述环氧改性酚醛清漆树脂的方法,包括:
a)在酸性条件下,将甲醛与一种或多种酚化合物进行缩合反应,得到固态酚醛清漆树脂;
b)将步骤a)的树脂与环氧化合物在有机溶剂中反应,得到固体树脂;
c)将步骤b)的固体树脂溶于水溶性有机极性溶剂中,然后加入水,去除上清液,得到沉淀物;
d)将步骤c)的沉淀物加热熔融后倒入水中,水洗后过滤得到环氧改性酚醛清漆树脂。
步骤a)通常在酸催化剂的存在下,由甲醛与一种或多种多取代酚反应而实现。其中酸催化剂可选自草酸、马来酸、马来酸酐、对苯甲磺酸和硫酸等;酚类化合物可选邻甲酚、间甲酚、对甲酚、2,4-二甲酚、2,5-二甲酚、3,5-二甲酚和2,3,5-二甲酚等。二者的比例为酚类/甲醛的摩尔比为1/0.5-1/0.9之间,优选1/0.6-1/0.8之间。
步骤b)中使用的环氧化合物为1分子中具有1个以上环氧基的环氧化合物。常用的可举例:含有环氧基的单体,例如环氧丙烷、环氧丙烷甲基醚、环氧丙烷乙基醚、环氧氯丙烷、环氧丙醇、环氧化辛烯-1、苯乙烯氧化物(SO)、丁基缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、甲酚缩水甘油醚、二溴苯基缩水甘油醚、溴代甲酚缩水甘油醚、乙烯基环己烯单环氧化物、2-乙基己基缩水甘油醚、对叔丁基苯基缩水甘油醚等;以及,含有环氧基的树脂,例如双酚A型环氧树脂、氢化双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、可溶可熔酚醛环氧树脂、甲酚可溶环氧树脂、双酚A的可溶可熔环氧树脂、联苯酚型环氧树脂、联二甲苯酚型环氧树脂、三酚基甲烷型环氧树脂、N-缩水甘油型环氧树脂、三缩水甘油胺化合物、2,6-二甲苯酚二聚体二缩水甘油醚、脂肪族环氧树脂、二甲苯类环氧树脂等。
优选地,步骤b)中环氧化合物的用量不高于30重量%,以固态酚醛清漆树脂的重量计。
步骤b)中的有机溶剂为乙二醇醚类,例如乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、二乙二醇单甲醚、二乙二醇单乙醚、二乙二醇单丁醚;丙二醇醚类,例如丙二醇单甲醚、丙二醇单乙醚、丙二醇单丁醚、二丙二醇单甲醚、二丙二醇单乙醚、二丙二醇单丁醚等;乙酸乙酯、乙酸丁酯;乙二醇醚酯类,例如乙二醇单乙醚乙酸酯、乙二醇单丁醚乙酸酯、二乙二醇单甲醚乙酸酯、二乙二醇单乙醚乙酸酯、二乙二醇单丁醚乙酸酯;丙二醇醚酯类,例如丙二醇单甲醚乙酸酯、丙二醇单乙醚乙酸酯、丙二醇单丁醚乙酸酯、二丙二醇单甲醚乙酸酯、二丙二醇单乙醚乙酸酯、二丙二醇单丁醚乙酸酯等;酮类,例如丁酮、环己酮、异佛尔酮等;芳香溶剂,例如甲苯、二甲苯、四甲苯等;石油系溶剂,例如石脑油、氧化石脑油、溶剂石脑油等,这些溶剂均可单独或二种以上合并使用。反应温度和时间不是关键,但优选地,在70-130℃下进行3-16小时,更优选在90-110℃下进行5-12小时。
步骤c)中的水溶性有机极性溶剂优选为丙酮或C1-C3烷基醇,更优选为乙醇。该水溶性有机极性溶剂的用量占固体树脂重量的20-150%,水(优选纯水)用量占固体树脂重量的5-150%。
步骤d)中,水(优选去离子水)的用量为加热熔融沉淀物重量的1-20倍。
本发明的光刻胶组合物优选可按以下方式使用以制造LCD电路:
首先,选择浸渍、喷涂、甩胶、辊涂或旋涂的方法将本发明的光刻胶组合物涂敷在基板上。基板一般选择硅、铝、氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、钼、二氧化硅、掺杂的二氧化硅、氮化硅、钽、铜、多晶硅、陶瓷、铜/铝混合物或聚合树脂;
然后,在70-130℃的温度下将上述基板进行前烘。前烘的目的就是在光刻胶组合物中的固体成分没有热分解的情况下蒸发溶剂。通过前烘尽量把溶剂的浓度降到最低,使保留在基板上的光刻胶组合物的涂层厚度小于2μm;
接着,使用适当的掩膜对涂敷光刻胶组合物的基板进行选择性曝光,形成所需的图案。之后将曝光的基板浸入碱性显影水溶液,直到曝光部位的光刻胶全部或大部分溶解为止。合适的显影水溶液包括含有碱性氢氧化物、氢氧化铵或氢氧化四甲基铵(TMAH)的水溶液;
然后,从显影液中取出基板,对基板进行后烘。后烘的目的是提高光刻胶膜对基板的粘合力以及胶膜的耐化学药品性。后烘的温度要在小于光刻胶膜层的软化点,优选在90-140℃下进行;
完成上述步骤后,用蚀刻溶液或气态等离子进行蚀刻,蚀刻基板上没有光刻胶胶层的部分,基板上有胶层的部分被保护。之后使用适当的剥离剂将基板上的光刻胶胶层除去。从而在基板上形成需要的微细电路图案。
下面通过实施例进一步详细叙述本发明。应当理解的是,这些实施例仅为示例说明目的,而并非以任何方式限制本发明的范围。
实施例
环氧改性酚醛树脂的合成
合成例1
将45g间甲酚、55g对甲酚、65g甲醛和0.5g草酸加入三口烧瓶中,然后搅拌,形成均匀混合物,将反应混合物在95℃下加热4小时。在室温下冷却熔融物得到酚醛清漆树脂(A)。然后在三口烧瓶中加入树脂(A)100g、F51环氧树脂10g,N,N-二甲基苄胺1g,加热到95-100℃反应8h,得到固体树脂(B)。
将100g/160g以上获得的固体树脂(B)/工业酒精一起加入,并搅拌以得到均匀混合物,然后加入80g纯水,去除上清液后,得到沉淀物。将该沉淀物加热到80℃熔融。在搅拌反应混合物的同时,将其倒入200g去离子水中,随后冷却到30℃。仅收集沉淀的环氧改性酚醛清漆树脂(C)。经GPC(凝胶渗透色谱法)测重均分子量为4000。
合成例2
将由46g邻甲酚、40g对甲酚、8g 2,4-二甲酚和6g 2,5-二甲酚组成的酚化合物加入配有冷凝器、温度计和滴液漏斗的四颈烧瓶中。加入1.0g草酸(酚重量的1%)和60g甲醛,然后将烧瓶加热至95℃下反应8小时。采用蒸馏器代替冷凝器,然后在110℃下蒸发反应2小时。通过在180℃下真空蒸发2小时,除去单体残余物,并在室温下冷却熔融物得到酚醛清漆树脂(D)。然后在三口烧瓶中加入树脂(D)100g、邻甲酚环氧树脂10g、N,N-二甲基苄胺1g,加热到95-100℃反应8h,得到固体树脂(E)。
将100g/160g以上获得的固体树脂(E)/工业酒精一起加入,并搅拌以得到均匀混合物,然后加入80g纯水,去除上清液后,得到沉淀物。
将该沉淀物加热到80℃熔融。在搅拌反应混合物的同时,将其倒入200g去离子水中,随后冷却到30℃。仅收集沉淀的环氧改性酚醛清漆树脂(F)。经GPC测重均分子量为3800。
合成例3
重复合成例2,其中酚化合物的组成换成间甲酚、连苯三酚、丙酮,摩尔比为1∶2∶5,三种化合物总和与甲醛的摩尔比为4∶3。得到环氧改性酚醛清漆树脂(G)。经GPC测重均分子量为3500。
合成例4
重复合成例2,其中邻甲酚与2,5-二甲酚的摩尔比为5∶3。得到环氧改性酚醛清漆树脂(H)。经GPC测重均分子量为4500。
合成例5
重复合成例1,其中间甲酚、对甲酚与甲醛的重量比为4∶6∶6。将100g由此得到的酚醛清漆树脂、E20环氧树脂5g、100g PGMEA、N,N-二甲基苄胺1g加热到95-100℃反应8h,得到环氧改性酚醛清漆树脂(I)。经GPC测重均分子量为4000。
合成例6
重复合成例1,其中F51环氧树脂的用量为30g。得到环氧改性酚醛清漆树脂(J)。经GPC测重均分子量为4200。
合成例7
将由间甲酚与3,5-二甲酚的摩尔比为6.5∶2.8组成的560g酚类化合物和4g草酸加入三口烧瓶中,然后搅拌并加热到95℃,在1小时内滴加280g甲醛,在95℃下反应5小时。在室温下冷却熔融物得到酚醛清漆树脂(K)。然后在三口烧瓶中加入树脂(K)100g、丁基缩水甘油醚10g,N,N-二甲基苄胺1g,加热到95-100℃反应8h,得到固体树脂(L)。
将100g/160g以上获得的固体树脂(L)/工业酒精一起加入,并搅拌以得到均匀混合物,然后加入80g纯水,去除上清液后,得到沉淀物。将该沉淀物加热到80℃熔融。在搅拌反应混合物的同时,将其倒入200g去离子水中,随后冷却到30℃。仅收集沉淀的环氧改性酚醛清漆树脂(M)。经GPC测重均分子量为4000。
光刻胶组合物的制备
组合例1
将以下组分在室温下混合搅拌均匀,制备LCD电路光刻胶组合物I
2,3,4,4′-四羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-4-磺酸酯 2.0g
2,3,4,4′-四羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-5-磺酸酯 2.5g
环氧改性酚醛清漆树脂(C) 15.0g
乳酸丁酯 10.0g
丙二醇甲醚乙酸酯 60.0g
组合例2
将以下组分在室温下混合搅拌均匀,制备LCD电路光刻胶组合物II
2,3,4-三羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-5-磺酸酯 1.5g
2,3,4,4′-四羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-4-磺酸酯 2.5g
环氧改性酚醛清漆树脂(F) 15.0g
丙二醇甲醚乙酸酯 70.0g
组合例3
将以下组分在室温下混合搅拌均匀,制备LCD电路光刻胶组合物III
2,3,4,4′-四羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-5-磺酸酯 6g
环氧改性酚醛清漆树脂(C) 24.0g
丙二醇甲醚乙酸酯 70.0g
组合例4
采用与组合例3相同的方法制备光刻胶组合物IV,不同在于加入环氧改性酚醛清漆树脂(F)。
组合例5
采用与组合例3相同的方法制备光刻胶组合物V,不同在于加入环氧改性酚醛清漆树脂(I)。
组合例6
将以下组分在室温下混合搅拌均匀,制备LCD电路光刻胶组合物VI
2,3,4-三羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-5-磺酸酯 3.0g
2,3,4,4′-四羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-4-磺酸酯 4.0g
环氧改性酚醛清漆树脂(G) 30.0g
丙二醇甲醚醋酸酯 60.0g
组合例7
将以下组分在室温下混合搅拌均匀,制备LCD电路光刻胶组合物VII
2,3,4-三羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-5-磺酸酯 3.0g
2,3,4,4′-四羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-4-磺酸酯 4.0g
环氧改性酚醛清漆树脂(H) 5.0g
乳酸丁酯 15.0g
丙二醇甲醚醋酸酯 70.0g
组合例8
将以下组分在室温下混合搅拌均匀,制备LCD电路光刻胶组合物VIII
2,3,4,4′-四羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-4-磺酸酯 2.0g
2,3,4,4′-四羟基二苯甲酮-1,2-重氮萘醌-5-磺酸酯 2.5g
环氧改性酚醛清漆树脂(M) 15.0g
乳酸丁酯 10.0g
丙二醇甲醚乙酸酯 60.0g
比较例1
采用与组合例3中相同的方法合成光刻胶组合物,不同在于加入酚醛清漆树脂(A)。
比较例2
采用与组合例3中相同的方法合成光刻胶组合物,不同在于加入酚醛清漆树脂(D)。
光刻胶组合物的性能测试
将配好的光刻胶组合物试样滴加到厚度为0.7mm的ITO玻璃上,然后通过旋转匀胶台在一定速度下旋转它们。将旋涂好的玻璃基板放在100℃的热板上前烘90秒,在玻璃基板上得到厚度为1.50μm的光刻胶膜层。将基板使用掩膜在平行紫外光曝光,然后浸入0.4%的氢氧化钠水溶液中显影60秒,获得光刻胶图案,再将基板在120℃热板上烘烤120秒,之后用蚀刻液在45℃下进行蚀刻,蚀刻后剥离剩余光刻胶,观察测量所得光刻胶图案。
为了评价、比较各组合例中的本发明LCD电路光刻胶组合物与各比较例中的光刻胶组合物在感光性、留膜率、耐热性、粘附性、显影对比度、分辨率和电路线宽均匀性方面的差别,现将各自的评价结果列于表1。评价方法如下:
1.感光性和留膜率
原始膜层厚度=损失厚度+留膜厚度
留膜率=(留膜厚度/原始膜层厚度)
在相同显影条件下,根据曝光能量通过计算膜层完全溶解所需的能量测量感光性。在100℃下进行前烘,然后在曝光显影步骤之后测量留膜率。
2.耐热性
在温度为120℃的条件下进行120秒后烘,利用扫描电子显微镜确认图案形成效果。
3.粘附性
在涂敷ITO的玻璃基板上形成图案(微细线宽)后,用蚀刻液进行处理,去除暴露部分的ITO,测定蚀刻液蚀刻的没有暴露的ITO层的厚度,试验粘附性。
表1
测试项目 |
感光性Eth(mj/cm2) |
留膜率% |
耐热性℃ |
粘合性μm |
组合例1 |
11 |
97 |
115 |
0.78 |
组合例2 |
12 |
96 |
117 |
0.81 |
组合例3 |
11 |
97 |
121 |
0.77 |
组合例4 |
12 |
98 |
120 |
0.75 |
组合例5 |
10 |
96 |
116 |
0.80 |
组合例6 |
11 |
95 |
112 |
0.88 |
组合例7 |
10 |
96 |
118 |
0.79 |
组合例8 |
11 |
95 |
119 |
0.80 |
比较例1 |
10 |
90 |
100 |
1.25 |
比较例2 |
11 |
92 |
95 |
1.01 |
如表1所示,使用本发明制造的LCD电路光刻胶组合物与比较例制造的光刻胶组合物相比,感光性、留膜率、耐热性和粘合性更加优异。
4.曝光宽容度
在ITO玻璃基板上涂敷光刻胶,在100℃下进行前烘,然后利用20微米线宽的掩膜板曝光,在相同显影条件下显影,测定曝光能力与所形成的光刻胶胶膜的线宽的关系(见表2)。
表2
如表2所示,使用本发明制造的LCD电路光刻胶组合物与比较例制造的光刻胶组合物相比,曝光宽容度更大。