CN103756253B - 一种低介电常数的中空碳球/环氧树脂复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种低介电常数的中空碳球/环氧树脂复合材料及其制备方法，属于复合材料领域。其制备步骤为：（1）在氮气保护下，将中空酚醛微球在高温炉中碳化得到中空碳球；（2）将聚合物包覆在中空碳球表面；（3）将聚合物包覆的中空碳球加入环氧树脂中，搅拌均匀，再与固化剂混合后脱除气泡，在模具中加热固化，制得中空碳球/环氧树脂复合材料。该中空碳球/环氧树脂复合材料具有轻质、低介电常数，以及良好的导热性、尺寸稳定性和化学稳定性等优点，聚合物包覆的中空微球可均匀地分散在环氧树脂中，与树脂基体形成有效的界面结合，保障了介电材料的安全性，可以应用于电子封装材料、集成电路等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种环氧树脂复合材料，特别是涉及一种含有中空碳球的低介电常数环氧树脂复合材料及其制备方法，属于复合材料领域。
技术背景
随着大规模集成电路的发展，电子器件朝着小型化、高速化、高集成度和低能耗方向发展。然而，由于层间电容、金属导线电阻和导线间电容造成的信号延迟效应，限制了超大规模集成电路的发展，减小信号的延迟效应除了需要降低金属导线本身的影响，还要降低绝缘介质层的影响。
环氧树脂是一种重要的热固性树脂，具有良好的热稳定性、尺寸稳定性及优良的电绝缘性能，已广泛应用于复合材料、高性能胶粘剂、集成电路和电子封装材料等领域。环氧树脂是制造印制电路板用基材、覆铜箔层压板的重要基体树脂，但因其介电常数相对较高，不能满足高性能层压板的要求，无法保证信号传输的可靠性，急需降低环氧树脂的介电常数以满足其作为电子材料的应用需求。
降低环氧树脂的介电常数，目前主要有三种途径：第一种途径是利用某些有机物或无机物本身的低介电常数特性，将其与环氧树脂混合，但是一般的有机物不耐高温，与金属的黏附力不足，而无机粒子的引入也会影响材料体系在集成电路中的应用；第二种途径是向树脂中掺入特殊元素，如氟元素，能够有效削弱材料体系的偶极子极化，从而达到降低介电常数的目的，但是这种方法操作复杂，成本较高；第三种途径是在树脂当中制造孔穴，利用空气的低介电常数降低材料的平均介电常数，目前广泛研究的低介电常数材料大多是通过第三种途径得到。但是，如果材料中含有大量的气孔，会导致其导热性变差，一般只有SiO2的几十分之一，在微电子电路使用过程中可能会由于系统温度的大幅升高而引发事故。同时，由于普通发泡材料的孔穴尺寸和形状无法精确控制，会引起材料强度的大幅度下降，难以满足电子材料生产和使用的要求。
与其他中空材料相比，微米级中空碳球具有比表面积大、比重小、耐高温、耐酸碱、导热、抗压性能好和尺寸可控等一系列优点。将适当尺度和含量的中空碳球引入环氧树脂中，可以有效地提高材料内部的孔隙率，降低环氧树脂的介电常数，同时避免了多孔结构引起的导热性能差的问题，从而得到满足电子行业使用要求的低介电常数环氧树脂复合材料。
本专利通过将不同含量的聚合物包覆中空碳球加入到环氧树脂中，采用浇注成型的方法，制备了一种低介电常数的中空碳球/环氧树脂复合材料。该复合材料具有轻质、低介电常数、良好的热传导性、尺寸稳定性和化学稳定性等优点，聚合物包覆的中空微球均匀地分散在环氧树脂中，与树脂基体形成有效的界面结合，保障了介电材料的安全性，适于在电子封装材料、集成电路等领域的应用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种低介电常数的中空碳球/环氧树脂复合材料及其制备方法，具体技术内容如下。
一种低介电常数的中空碳球/环氧树脂复合材料，其特征在于，所述的中空碳球/环氧树脂复合材料为环氧树脂中均匀分布有中空碳球，中空碳球的外面包裹一层聚甲基丙烯酸甲酯或聚甲基丙烯酸缩水甘油酯；中空碳球与环氧树脂的质量比为1:100～1:20。
本发明上述包括以下组分和步骤：
组分1：中空碳球，粒径为20-50um。
组分2：用于中空碳球包覆的聚合物单体，包括甲基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸缩水甘油酯。
组分3：在室温～50℃范围内为液态的环氧树脂，包括缩水甘油醚型环氧树脂或缩水甘油酯型环氧树脂；
组分4：环氧树脂固化剂，包括胺类固化剂或酸酐类固化剂。
步骤Ⅰ：在氮气保护下，将中空酚醛微球在高温炉中以2℃/min的升温速率从室温加热到800℃～1000℃，保温2h，然后自然冷却至室温，得到组分1。
步骤Ⅱ：采用原子转移自由基聚合工艺，将组分2的聚合物包覆在组分1表面，该工艺属于本领域的公知成熟技术，中空碳球表面的聚合物包覆层厚度为5-20nm。
步骤Ⅲ：将步骤Ⅱ得到的聚合物包覆的中空碳球加入组分3中，搅拌均匀，再与组分4充分混合并脱除气泡，浇注在模具中加热固化，制得中空碳球/环氧树脂复合材料。中空碳球与环氧树脂的质量比为1:100～1:20，环氧树脂与固化剂按照等化学当量比进行混合，即环氧基团数量/固化剂活泼氢数量=1。
本专利设计的低介电常数中空碳球/环氧树脂复合材料，中空碳球尺寸小、形状规则，能够均匀地分散在环氧树脂中，聚合物包覆的中空微球与树脂基体形成有效的界面结合，保障了介电材料的安全性。该复合材料具有轻质、低介电常数、良好的热传导性、尺寸稳定性和化学稳定性等优点，适于在电子封装材料、集成电路等领域的应用。本发明中复合材料的制备工艺流程简单，适于工业化生产和应用。
通过上述技术内容可以得到下面的发明效果。
中空碳球/环氧树脂复合材料的介电常数≤2.29（测试频率为1MHz），导热系数≥0.189W/m·k，线性膨胀系数≤5.8×10-5m/m·℃。
具体实施方式
通过以下实施例和对比例对本发明进行详细说明，但本发明并不限于以下实施例。复合材料的介电常数采用美国Agilent公司的4294A精密阻抗分析仪进行测试，导热系数采用美国EKO公司的HC-74导热系数测量仪进行测试，线性膨胀系数采用美国WATERWSLLC公司的Q400EM热机械分析仪进行测试。
实施例1：
组分1：中空碳球，平均粒径为20um，自制。组分2：甲基丙烯酸甲酯，纯度≥99%，美国Aldrich化学公司生产。组分3：双酚A缩水甘油醚环氧树脂,E-51,中国蓝星集团无锡树脂厂生产。组分4：异佛尔酮二胺固化剂，纯度≥99%，广州市同帮化工有限公司生产。在氮气保护下，将中空酚醛微球（平均粒径为20um，济南圣泉集团股份有限公司生产）在高温炉中以2℃/min的升温速率从室温加热到800℃，保温2h，然后自然冷却至室温，得到中空碳球。采用原子转移自由基聚合工艺，将组分2的聚合物包覆在中空碳球表面，聚合物包覆层平均厚度为5nm。将聚合物包覆的中空碳球加入组分3中，搅拌均匀，再与组分4充分混合并脱除气泡，浇注在模具中加热固化，制得中空碳球/环氧树脂复合材料。中空碳球与环氧树脂的质量比为1:20，环氧树脂与固化剂按照等化学当量比进行混合。
低介电常数中空碳球/环氧树脂复合材料的介电常数是1.21（测试频率为1MHz），导热系数是0.206W/m·k，线性膨胀系数为5.2×10-5m/m·℃（玻璃化温度以下）。
实施例2：
组分1：中空碳球，平均粒径为30um，自制。组分2：甲基丙烯酸缩水甘油酯，纯度≥99%，美国Aldrich化学公司生产。组分3：双酚F缩水甘油醚环氧树脂，Epon862,美国Hexion化工公司生产。组分4：甲基六氢邻苯二甲酸酐固化剂，纯度≥99%，上海邦成化工有限公司生产。在氮气保护下，将中空酚醛微球（平均粒径为30um，济南圣泉集团股份有限公司生产）在高温炉中以2℃/min的升温速率从室温加热到900℃，保温2h，然后自然冷却至室温，得到中空碳球。采用原子转移自由基聚合工艺，将组分2的聚合物包覆在中空碳球表面，聚合物包覆层平均厚度为10nm。将聚合物包覆的中空碳球加入组分3中，搅拌均匀，再与组分4充分混合并脱除气泡，浇注在模具中加热固化，制得中空碳球/环氧树脂复合材料。中空碳球与环氧树脂的质量比为1:40，环氧树脂与固化剂按照等化学当量比进行混合。
低介电常数中空碳球/环氧树脂复合材料的介电常数是1.88（测试频率为1MHz），导热系数是0.196W/m·k，线性膨胀系数为5.4×10-5m/m·℃（玻璃化温度以下）。
实施例3：
组分1：中空碳球，平均粒径为50um，自制。组分2：甲基丙烯酸甲酯，纯度≥99%，美国Aldrich化学公司生产。组分3：脂环族缩水甘油酯型环氧树脂，TDE-85,天津津东化工厂生产。组分4：二乙基甲苯二胺固化剂，纯度≥99%，杭州崇舜化学有限公司生产。在氮气保护下，将中空酚醛微球（平均粒径为50um，济南圣泉集团股份有限公司生产）在高温炉中以2℃/min的升温速率从室温加热到1000℃，保温2h，然后自然冷却至室温，得到中空碳球。采用原子转移自由基聚合工艺，将组分2的聚合物包覆在中空碳球表面，聚合物包覆层平均厚度为20nm。将聚合物包覆的中空碳球加入组分3中，搅拌均匀，再与组分4充分混合并脱除气泡，浇注在模具中加热固化，制得中空碳球/环氧树脂复合材料。中空碳球与环氧树脂的质量比为1:100，环氧树脂与固化剂按照等化学当量比进行混合。
该中空碳球/环氧树脂复合材料的介电常数是2.29(测试频率为1MHz)，复合材料的导热系数是0.189W/m·k，线性膨胀系数为5.8×10-5m/m·℃（玻璃化温度以下）。
对比实施例：
为了与中空碳球/环氧树脂复合材料的实施例进行对照，选用不添加中空碳球的纯环氧树脂体系，环氧树脂和固化剂的品种、用量配比，以及树脂体系的混合、浇注和固化工艺均与实施例1相同。
该环氧树脂固化物的介电常数是5.13（测试频率为1MHz），导热系数是0.170W/m·k，线性膨胀系数为7.5×10-5m/m·℃（玻璃化温度以下）。与本发明的实施例1比较，可以突出中空碳球/环氧树脂复合材料的性能优势。
Claims (2)
1.一种低介电常数的中空碳球/环氧树脂复合材料，其特征在于，所述的中空碳球/环氧树脂复合材料为环氧树脂中均匀分布有中空碳球，中空碳球的外面包裹一层聚甲基丙烯酸甲酯或聚甲基丙烯酸缩水甘油酯；
其制备方法包括以下组分和步骤：
组分1：中空碳球；
组分2：用于中空碳球包覆的聚合物的单体，包括甲基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸缩水甘油酯；
组分3：在室温～50℃范围内为液态的环氧树脂；
组分4：环氧树脂固化剂；
步骤Ⅰ：在氮气保护下，将中空酚醛微球在高温炉中以2℃/min的升温速率从室温加热到800℃～1000℃，保温2h，然后自然冷却至室温，得到组分1；
步骤Ⅱ：采用原子转移自由基聚合工艺，将组分2的聚合物包覆在组分1表面，聚合物包覆层厚度为5-20nm；
步骤Ⅲ：将步骤Ⅱ得到的聚合物包覆的中空碳球加入组分3中，搅拌均匀，再与组分4充分混合并脱除气泡，浇注在模具中加热固化，制得中空碳球/环氧树脂复合材料；
组分1的粒径为20-50μm；组分3包括缩水甘油醚型环氧树脂或缩水甘油酯型环氧树脂；组分4包括胺类固化剂或酸酐类固化剂；组分1与组分3的质量比为1:100～1:20；组分3与组分4按照等化学当量比进行混合，即环氧基团数量/固化剂活泼氢数量＝1。
2.制备权利要求1所述的一种低介电常数的中空碳球/环氧树脂复合材料的方法，其特征在于，包括以下组分和步骤：
组分1：中空碳球；
组分2：用于中空碳球包覆的聚合物的单体，包括甲基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸缩水甘油酯；
组分3：在室温～50℃范围内为液态的环氧树脂；
组分4：环氧树脂固化剂；
步骤Ⅰ：在氮气保护下，将中空酚醛微球在高温炉中以2℃/min的升温速率从室温加热到800℃～1000℃，保温2h，然后自然冷却至室温，得到组分1；
步骤Ⅱ：采用原子转移自由基聚合工艺，将组分2的聚合物包覆在组分1表面，聚合物包覆层厚度为5-20nm；
步骤Ⅲ：将步骤Ⅱ得到的聚合物包覆的中空碳球加入组分3中，搅拌均匀，再与组分4充分混合并脱除气泡，浇注在模具中加热固化，制得中空碳球/环氧树脂复合材料；组分1的粒径为20-50μm；组分3包括缩水甘油醚型环氧树脂或缩水甘油酯型环氧树脂；组分4包括胺类固化剂或酸酐类固化剂；组分1与组分3的质量比为1:100～1:20；组分3与组分4按照等化学当量比进行混合，即环氧基团数量/固化剂活泼氢数量＝1。
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