DE2063506A1 - Laminates containing polyimides - Google Patents
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Description
Badische Anilin- & Soda-Fabrik AGBadische Anilin- & Soda-Fabrik AG
Unser Zeichen: O.Z.27 248 E/ef 6700 Ludwigshafen, 22.12.1970 Our reference: OZ27 248 E / ef 6700 Ludwigshafen, December 22nd, 1970
Die Erfindung betrifft Laminate aus Schichten eines anorganischen Werkstoffs und eines hochtemperaturbeständigen Polyimide mit hoher Verbundfestigkeit.The invention relates to laminates composed of layers of an inorganic material and a high-temperature-resistant polyimide high bond strength.
Laminate unter Verwendung von hochtemperaturbeständigen, vollaromatischen Polyimiden haben nur begrenzt Eingang in die Technik gefunden, da diese Polyimide sich nur bei hohen Temperaturen und hohen spezifischen Drucken verarbeiten lassen, denen für die Herstellung von Folien und Platten technische Schwierigkeiten entgegenstehen. Solche Polyimide sind außerdem nur mangelhaft mit anderen üblichen, Laminate aufbauenden Materialien in genügend festen Verbund zu bringen.Laminates using high-temperature-resistant, fully aromatic polyimides have only limited entry into technology found, since these polyimides can only be processed at high temperatures and high specific pressures, those for production of foils and plates oppose technical difficulties. Such polyimides are also poor with to bring other common, laminate-building materials into a sufficiently strong bond.
Eine Ausnahme bildet das stark polare Gruppen enthaltende PoIytetrafluoräthylenperfluorpropylen, welches u.a. zum Herstellen gedruckter Schaltungen verwendet wird. Dabei werden beispielsweise zwischen eine Polyimidfolie auf Basis von Pyromellithsäuredianhydrid und 4,4'-Diaminodiphenyläther und eine Polytetrafluor-· äthylenperfluorpropylen-Folie die Kupferleiterebenen eingelegt. Anschließend wird die Polytetrafluoräthylenperfluorpropylen-Folie unter Anwendung von Temperatur und Druck auf die Polyimidfolie aufkaschiert. Ein Nachteil derartiger gedruckter Schaltungen besteht jedoch darin, daß Polytetrafluoräthylenperfluorpropylen nur eine Dauergebrauchstemperatur von etwa 180 bis 2000C aufweist, so daß die hohe thermische Beständigkeit des Polyimidmaterials von bis zu 2600C in Gegenwart von Luft nicht ausgenutzt werden kann. Auch ist die Haftung zwischen dem Polyimidträgermaterial und dem Leitermaterial nur gering. Damit genügend Kontaktfläche zwischen dem Polyimidträger und der Polytetrafluoräthylenperfluorpropylen-Schicht entsteht, muß die gedruckte Schaltung von beträchtlicher flächenmäßiger Ausdehnung hergestellt werden.An exception is the polytetrafluoroethylene perfluoropropylene, which contains strongly polar groups and is used, among other things, for the production of printed circuits. For example, the copper conductor levels are inserted between a polyimide film based on pyromellitic dianhydride and 4,4'-diaminodiphenyl ether and a polytetrafluoroethylene perfluoropropylene film. The polytetrafluoroethylene perfluoropropylene film is then laminated onto the polyimide film using temperature and pressure. A disadvantage of such printed circuits, however, is that polytetrafluoroethylene perfluoropropylene only has a long-term service temperature of about 180 to 200 ° C., so that the high thermal resistance of the polyimide material of up to 260 ° C. in the presence of air cannot be used. The adhesion between the polyimide carrier material and the conductor material is also only slight. So that there is sufficient contact area between the polyimide carrier and the polytetrafluoroethylene perfluoropropylene layer, the printed circuit must be made of considerable area.
Im Hinblick auf die in der Technik benötigten gedruckten und flexiblen Schaltungen stellte sich daher die Aufgabe, einenWith regard to the printed and flexible circuits required in technology, the task was therefore to create a
565/70 209828/1 044 - 2 -565/70 209828/1 044 - 2 -
- 2 - O.Z. 27 248- 2 - O.Z. 27 248
Verbund zu finden, der die Temperaturdauerbeständigkeitdes hochtemperaturbeständigen Polyimidbasisinaterials erreicht und bei geringer flächiger Ausdehnung gute Verbundfestigkeit besitzt. To find a composite that ensures the long-term temperature resistance of the high temperature resistant polyimide base material and has good bond strength with a small areal expansion.
Es wurde nun gefunden, daß laminate aus Schichten eines anorganischen Werkstoffs und/oder eines hochteniperaturbeständigen Polyimide dann hohe Temperaturbeständigkeit und hohe Verbund— bzw. Haftfestigkeit aufweisen, wenn sie eine verbindende bzw. haftende Schicht enthalten, die aus einem Polyimid besteht, das aufgebaut ist aus aromatischen Tetracarbonsäuredianhydridsülfonen der allgemeinen FormelIt has now been found that laminates made of layers of an inorganic Material and / or a highly temperature-resistant polyimide then have high temperature resistance and high bond or adhesive strength if they have a connecting or adhesive Contain layer, which consists of a polyimide, which is built up from aromatic Tetracarbonsäuredianhydridsulfonen the general formula
und Diaminoarylsulfonen der allgemeinen Formeland diaminoarylsulfones of the general formula
II H2N [■ Ar-S -]n II H 2 N [■ Ar-S -] n
wobei η jeweils gleich 1, 2 oder 3 ist und wobei dieses Polyimid gegebenenfalls 1 bis 50 Gewichtsprozent andere Polyimide einkondensiert enthalten kann.where η is each 1, 2 or 3 and where this is polyimide optionally 1 to 50 percent by weight of other polyimides may contain condensed.
Die Polyimide dieser Verbund- oder Haftschicht besitzen eine gute Haftfähigkeit zu anorganischen Werkstoffen,wie sie für solche Laminate verwendet werden, insbesondere zu Metallen, Glas und Keramik. Darüber hinaus haben diese Polyimide auch bei Dauertemperaturbelastung eine hohe Wärmeformbeständigkeit. Sie sind wegen ihrer guten Wärmedämmung und schalldämpfenden Eigenschaften als Isolierstoffe zwischen Metallfolien und -platten sowie zum Verbinden von Metall und Keramik vorzüglich geeignet. Schließlich besitzen sie gegenüber anderen vollaromatischen Polyimiden eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit.The polyimides of this composite or adhesive layer have good adhesion to inorganic materials, as they are for such laminates are used, especially on metals, glass and ceramics. In addition, these polyimides also have Long-term thermal stress a high heat resistance. she are because of their good thermal insulation and sound-absorbing properties as insulating materials between metal foils and plates as well as ideally suited for joining metal and ceramics. After all, they are fully aromatic compared to others Polyimides have improved oxidation resistance.
Die erfindungsgemäße Polyimid-Verbundschicht ist aufgebaut aus Polykondensaten aus einem aromatischen Tetracarbonsäuredianhy-The polyimide composite layer according to the invention is composed of Polycondensates from an aromatic tetracarboxylic dianhy-
9828/1044 " 3 "9828/1044 " 3 "
- 3 - O.Z-. 27 248- 3 - O.Z-. 27 248
aridsulfon und einem Diaminoarylsulfid. Dabei kommen als Tetracarbonsäuredianhydridsulfone und Diaminoarylsulfide der allgemeinen Formeln I bzw. II, vor allem solche Verbindungen in Betracht, bei denen die aromatischen Gruppen (Ar), insbesondere Benzol-, Ihiophen-, Naphthalin-, Pyridin- oder Pyrrolreste darstellen. Unter den letracarbonsäuredianhydridsulfonen sind besonders geeignet Tetrabenzolcarbonsäuredianhydridsulfon und Tetrathiophencarbonsäuredianhydridsulfon. Die Anhydridgruppierungen an äen aromatischen Gruppen der Formel I können auch durch ein oder mehrere weitere Arylsulfonbrückenglieder miteinander verbunden sein.aridsulfone and a diaminoaryl sulfide. Suitable tetracarboxylic dianhydride sulfones and diaminoaryl sulfides of the general formulas I and II are above all those compounds in which the aromatic groups (Ar) are, in particular, benzene, ihiophene, naphthalene, pyridine or pyrrole radicals. Among the letracarboxylic acid dianhydride sulfones, tetrabenzenecarboxylic acid dianhydride sulfone and tetrathiophenecarboxylic acid dianhydride sulfone are particularly suitable. The anhydride moieties to AEEN aromatic groups of the formula I can more further Arylsulfonbrückenglieder also be interconnected by one or.
Als Diaminoarylsulfide der Formel II sind besonders bevorzugt 4,4t-Diaminodiphenylsulfid und 3,3I-Diaminodiphenylsulfid, Die Arylaminogruppen können auch durch eine oder mehrere weitere Arylsulfidbrückenglieder miteinander verbunden sein.As Diaminoarylsulfide of formula II are more preferably 4.4 and 3.3 t -Diaminodiphenylsulfid I -Diaminodiphenylsulfid The arylamino groups can also be interconnected by one or more further Arylsulfidbrückenglieder.
Neben diesen, die Verbund- bzw. Haftschicht aufbauenden Polyimiden können diese Polyimide noch weitere Dicarbonsäuredianhydride und Diamine zu 1 bis 50, vorzugsweise 20 bis 30 Gewichtsprozent, bezogen auf die Polyimide der Verbund schicht, einkondensiert enthalten, die durch die allgemeinen Formeln III bzw. IV beschrieben werden können:In addition to these polyimides that form the composite or adhesive layer these polyimides can also contain further dicarboxylic acid dianhydrides and diamines at 1 to 50, preferably 20 to 30 percent by weight, based on the polyimides of the composite layer, condensed included, which by the general formulas III or IV can be described:
yy /N/ N
III °\ C/11 - X - Ar\C<°III ° \ C / 11 - X - Ar \ C <°
IV H2EF - Ar - Y - Ar -gIV H 2 EF - Ar - Y - Ar -g
CH-i J In diesen Formeln stehen X für - CO, -0-, -S- und - C - , CH- i J In these formulas, X stands for - CO, -0-, -S- and - C -,
> Ar - X - Ar< für > Ar - X - Ar <for
Y für - O -, -CH0-, -C-, -SO0- und -CO- undY for - O -, -CH 0 -, -C-, -SO 0 - and -CO- and
c. t 4 c. t 4
0H3 . 0H 3.
209828/1044 ~4~209828/1044 ~ 4 ~
_ 4 - O.Z. 27 248_ 4 - O.Z. 27 248
- Ar - Y - Ar - fur -(/ \- und- Ar - Y - Ar - fur - (/ \ - and
Besonders geeignete "Verbindungen der Formel II sind Pyromellithsäuredianhydrid , 3,3' ^^'Benzophenontetracarbonsäureäianhydrid, Bisphenoltetracarbonsäureäianhydrid und 2,3,6,7 ~Naphthalintetracarbonsäuredlarihydrid. Particularly suitable "compounds of the formula II are pyromellitic dianhydride , 3,3 '^^' benzophenone tetracarboxylic acid anhydride, Bisphenol tetracarboxylic acid anhydride and 2,3,6,7 ~ naphthalenetetracarboxylic acid dihydride.
Besonders geeignete Verbindungen der Formel IV sind 4,4-Diaminodiph.enylath.er, 4,4'-Diaminobenzophenon, 4,4'-Diaminodiphenylsulfon, m-Phenylendiamin, 2,7-Diamlnonaph thalin und 4,4'-Diaminödiphenylmethan. Particularly suitable compounds of the formula IV are 4,4-Diaminodiph.enylath.er, 4,4'-diaminobenzophenone, 4,4'-diaminodiphenyl sulfone, m-phenylenediamine, 2,7-diamino naphthalene, and 4,4'-diaminodiphenylmethane.
Die Kondensation der Tetracarbonsäuredianhydridsulfone und Diaminoarylsulfide erfolgt nach üblichen Verfahren. Beispielsweise kann man durch Lösen der Ausgangskomponenten in polaren Lösungsmitteln wie N-Methylpyrrölidon bei Temperaturen unterhalb von 6O0C die entsprechende Polyamid säure in Lösung erhalten, die mit dem Entfernen des Lösungsmittels durch Destillation und weiteres Erhitzen unter Auskondensation die gewünschten polymeren Imidprodukte ergeben. Der Polymerisationsgrad dieser Produkte soll .zweckmäßigerweise über 50 liegen.The tetracarboxylic dianhydride sulfones and diaminoaryl sulfides are condensed by customary processes. For example, it can be prepared by dissolving the starting components in polar solvents such as N-Methylpyrrölidon at temperatures below 6O 0 C the corresponding polyamic acid in the solution obtained, which together with the removal of the solvent by distillation and further heating under condensing the desired polymeric imide products. The degree of polymerisation of these products should expediently be above 50.
Man erhält eine Polyimidfolie, deren Dicke je nach Bedarf eingestellt werden kann. Für die Verwendung zum Herstellen elektrischer gedruckter Schaltungen wird eine lOliendicke von 10 bis 50 pm bevorzugt. ■A polyimide film is obtained, the thickness of which is adjusted as required can be. For use in the manufacture of electrical printed circuits, an oil thickness of 10 to 50 μm preferred. ■
Zusätzlich zum Polyimid kann die Folie noch Füll- und Verstärkungsstoffe in faseriger, körniger oder pulvriger Form in einer für diesen Bereich der Technik üblichen Art und Menge enthalten. In addition to the polyimide, the film can also contain fillers and reinforcing materials in fibrous, granular or powdery form in a type and amount customary for this field of technology.
Die erhaltene Polyimidverbundfolie wird zwischen die zu verbindenden Schichten aus dem anorganischen und dem hochtemperaturbeständigen Polyimidmaterial gelegt und bei einer Temperatur zwischen 300 und 45O0C, vorzugsweise 310 bis 35O0C unter einemThe Polyimidverbundfolie obtained is placed between the layers to be bonded of the inorganic and the high temperature-resistant polyimide material and at a temperature between 300 and 45O 0 C, preferably 310 to 35O 0 C under
209828/1044 - 5 -209828/1044 - 5 -
- 5 - O.Z. 27 248- 5 - O.Z. 27 248
Druck von 1 "bis 100 kp/cm , vorzugsweise 10 Ms 50 kp/cm verpreßt. Die Preßzeit "beträgt 10 Sekunden bis zu mehreren Stunden, vorzugsweise 20 Sekunden Ms 1 Stunde. Als Preßwerkzeuge können vor allem heizbare Plattenpressen Verwendung finden. Es können auch in einem Muffelofen erhitzte Metallplatten nach Zwischenlegen der zu verbindenden Schichten hydraulisch verpreßt werden.Pressure from 1 "to 100 kg / cm, preferably 10 Ms 50 kg / cm pressed. The pressing time "is 10 seconds to several hours, preferably 20 seconds to 1 hour. As pressing tools can especially heatable plate presses are used. Metal plates heated in a muffle furnace can also be used after placing them in between the layers to be connected are pressed hydraulically.
Die miteinander zu verbindenden Schichten bestehen einerseits aus einem anorganischen und einem hochtemperaturbeständigen Polyimidmaterial andererseits. Als anorganisches Material ist vor allem Metall, Keramik und Glas zu nennen, es kommen jedoch auch Graphit, Glimmer, Asbest und ähnliche Werkstoffe in Betracht. The layers to be connected to one another consist on the one hand of an inorganic and a high temperature resistant Polyimide material on the other hand. As an inorganic material is Above all, metal, ceramic and glass should be mentioned, but graphite, mica, asbestos and similar materials can also be used.
Das anorganische Material kann in Form von Platten, aber auch in Form von Geweben Anwendung finden. Zum Herstellen gedruckter Schaltungen wird vorzugsweise Kupfer als Metall verwendet.The inorganic material can be used in the form of plates, but also in the form of fabrics. For making printed Circuits, copper is preferably used as the metal.
Die hochtemperaturbeetändige Polyimidschicht besteht aus Polyimiden vorzugsweise auf Basis von Pyromellithsäuredianhydrid und aromatischen Diaminen wie Verbindungen der allgemeinen Formel IV, wobei als Diamin ganz besonders zweckmäßig der 4,4'-Diaminodiphenylä:ther Einsatz findet.The high temperature resistant polyimide layer consists of polyimides preferably based on pyromellitic dianhydride and aromatic diamines such as compounds of the general Formula IV, the 4,4'-diaminodiphenyl ether being used as the diamine very particularly expediently.
Dabei kann diese Polyimidschicht noch übliche Füllstoffe und Verstärkungsstoffe,wie z.B. Glasfasern, Kohlenstoff-Fasern und Graphit in der üblichen Art und Menge enthalten.This polyimide layer can also contain conventional fillers and Reinforcing materials, such as glass fibers, carbon fibers and Contains graphite in the usual type and quantity.
Zur Erhöhung der Haftfestigkeit der Verbundschicht auf der hochtemperaturbeständigen Polyimidschicht kann letztere einer Anätzung an der Oberfläche unterworfen werden. Als Ätzmittel bewähren sich die herkömmlichen, Imidbindungen hydrolysierene, Reagenzien, vor allem Lösungen von alkalisch reagierenden Stoffen in Wasser wie z.B. Alkalihydroxide, außerdem Hydrazin und Amine.To increase the adhesive strength of the composite layer on the high-temperature-resistant polyimide layer, the latter can be etched be subjected to the surface. The conventional, imide bonds hydrolyzing, Reagents, especially solutions of alkaline substances in water such as alkali hydroxides, as well as hydrazine and amines.
Die erfindungsgemäß hergestellten Verbünde erreichen Dauerverwendungstemperaturen von 250 bis 3000C. Kurzzeitig ist eine Temperaturerhöhung auf 450 bis 5000C ohne merkliche Beein-The composites according to the invention achieve continuous use temperatures of 250 to 300 0 C. Short term is an increase in temperature to 450 to 500 0 C without any significant affect
209828/ 1OAA - 6 -209828 / 1OAA - 6 -
- 6 - O.Z. 27 248- 6 - O.Z. 27 248
trächtigung der mechanischen Eigenschaften möglich. Die wichtigsten Anwendungsgebiete sind das Herstellen von gedruckten Schaltungen und, infolge des noch thermoplastischen Charakters der verbindendenPolyimidschicht, das Herstellen von hochtemperatur be st and igen laminaten nach dem Schmelzklebeverfahren bei Temperaturen oberhalb von etwa 30O0C für Wärme- und Schalldämpfungszwecke. Impairment of the mechanical properties possible. The most important areas of application are the manufacture of printed circuits and, due to the still thermoplastic character of the connecting polyimide layer, the manufacture of high-temperature-resistant laminates using the hot-melt adhesive process at temperatures above about 30O 0 C for heat and sound insulation purposes.
Eine 50 um starke Polyimidfolie aus Pyromellithsäuredianhydrid und 4,4'-Diaminodiphenylätherwird 25 Minuten lang mit einer 30. GeW.$ enthaltenden wässrigen Katronlaugelösung, bei Zimmertemperatur behandelt, anschließend mit destilliertem Wasser gespült und getrocknet. Zwischen diese so vorbehandelte Folie und eine vorher mit Salpetersäure gereinigte 500 um starke Kupferfolie wird dann eine 35 pm starke Polyimidfolie aus 3,3',4»4I-Diphenylsulfontetracarbonsäuredianhydrid und 4»4'-Diaminodiphenylsulfid gelegt und "bei einer Temperatur vnn 34O0C und einem spezifischen Druck von 10 kp/cm , der die innige Verklebung der einzelnen Schichten herbeiführt, zwischen zwei Eisenblechen 5 Minuten lang in e:te-heizbaren Plattenpresse verpreßt. Die Schälfestigkeit vgl. ASTM D 1781-62 der Kupferfolie auf der als Haftvermittler dienenden Polyimidfolie, gemessen an einem 25 mm breiten Streifen, beträgt 2,5 kp/25 nnn. Die Schalfestigkeit der Polyimidaußenschicht auf dem Haftvermittler beträgt 1,8 kp/25 mm.A 50 μm thick polyimide film made from pyromellitic dianhydride and 4,4'-diaminodiphenyl ether is treated for 25 minutes with an aqueous sodium hydroxide solution containing 30% by weight at room temperature, then rinsed with distilled water and dried. Between these thus pretreated film and a previously cleaned with nitric acid to 500 thick copper film, a 35 pm thick polyimide from 3,3 ', 4 "4 I -Diphenylsulfontetracarbonsäuredianhydrid and 4» 4'-diaminodiphenyl sulfide is then placed and "vnn at a temperature of 34O 0 C and a specific pressure of 10 kgf / cm, which brings about the intimate bonding of the individual layers, between two iron sheets for 5 minutes in e: te-heatable plate press pressed cf. the peel strength ASTM D 1781-62 of the copper foil on the as adhesion promoters.. The polyimide film used, measured on a 25 mm wide strip, is 2.5 kp / 25 mm. The peel strength of the polyimide outer layer on the adhesion promoter is 1.8 kp / 25 mm.
Auf eine 200 χ 200 mm große und 0,5 » starke Titanfolie wird ein 0,2 mm starker Eisenrahmen der äußeren Eläehenabmessung 200 χ 200 mm, der inneren Flächenabmessiing 100 χ 100 mm gelegt. In die Mitte des Rahmens wird ein Poljimidpulver, gewonnen aus einem Kond ensat, aus 3,3',4,4'-Diphenylsulfontetracarbonsäuredianhydrid und je 50 Mol-$ 4,4I-Diaminodiplienylsulfid und 4,4'-Di™ aminobenzophenon mit einer Schütthöhe von etwa 0,7 bis 058 mm gebracht» Das Pulver hat ein leervolnHöen von etwa 70 $e Auf die Schüttung wird eine weitere Titanfolie gelegt. Zwischen zwei Eisenblöcken wird bei 4200C und einen Druck von 200 kp/cmA 0.2 mm thick iron frame with an outer surface dimension of 200 × 200 mm and an inner surface dimension of 100 × 100 mm is placed on a 200 200 mm large and 0.5 thick titanium foil. In the middle of the frame is a polyimide powder, obtained from a condensate, from 3,3 ', 4,4'-Diphenylsulfontetracarbonsäuredianhydrid and 50 mol- $ 4,4 I -Diaminodiplienylsulfid and 4,4'-Di ™ aminobenzophenon with a bed height "brought mm from about 0.7 to 0 5 8 the powder has a leervolnHöen of about 70 $ e on the bed is placed a further titanium film. Between two iron blocks is at 420 0 C and a pressure of 200 kp / cm
209 828/1044 - 7 -209 828/1044 - 7 -
ßAD ORtGINAUAD ORtGINAU
_ γ - O.Z. 27 248_ γ - O.Z. 27 248
5 Minuten lang gepreßt.
Der erhaltene Verbund zeigt eine Schälfestigkeit von 2,2kp/25 mm.Pressed for 5 minutes.
The composite obtained shows a peel strength of 2.2 kgf / 25 mm.
Zwischen zwei mit Ghromschwefeisäure gereinigten 3 mm starken Glasplatten wird eine 100 μτα starke Polyimidfolie aus je 50 Mol-$ 3,3lH-,4t~Mphenylsulfontetracarbonsäuredianhydrid und 50 Mol-# 3,3lH-,4r-Benzophenontetracarbonsäurediarihydrid und 4»4'-Diaminodiphenylsulfid gelegt und bei einer Temperatur von 360 C- und einem Druck von etwa 1 kp/cm gepreßt. Es entsteht ein Verbund mit einer Schälfestigkeit von 1,2 kp/25 mm.Between two 3 mm thick glass plates cleaned with chromosulfuric acid, a 100 μτα thick polyimide film made of 50 mol- $ 3.3 l H-, 4 t ~ Mphenylsulfonetetracarboxylic acid dianhydride and 50 mol- # 3.3 l H-, 4 r -benzophenonetetracarboxylic acid diarihydride and 4 »4'-Diaminodiphenylsulfid placed and pressed at a temperature of 360 C- and a pressure of about 1 kp / cm. The result is a bond with a peel strength of 1.2 kp / 25 mm.
209828/10 4209828/10 4
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