DE2342801A1 - Verfahren zum beschichten von oxydierten anorganischen substraten mit polyimid - Google Patents
Verfahren zum beschichten von oxydierten anorganischen substraten mit polyimidInfo
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Description
Amtliches Aktenzeichen:
Aktenzeichen der Anmelderinj
Neuanme!dung GE 973 006
Verfahren zum Beschichten von oxydierten anorganischen Substraten mit Polyimid
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von oxydierten
anorganischen Substraten mit Polyimid durch Aufbringen einer Lösung einer aus Pyromellitsäureanhydrid und einer aromatischen
Aminkomponente entstandenen Polyamidocarbonsäure in einem Lösungsmittelgemisch
und anschließendes Erhitzen des Substrats auf etwa 300 0C.
Polyimide haben sehr hohe Schmelzpunkte und sind thermisch, insbesondere
auch in Gegenwart von Sauerstoff, sehr stabil. Ein Film aus Polyimid weist bei einer Behandlung mit Luft bei 275 C nach
12 Monaten noch gute mechanische Eigenschaften auf. Bemerkenswert '
sind auch die ausgezeichneten dielektrischen Eigenschaften des Polyimide. Deshalb finden Polyimide als Filme bei der Isolierung .
von Motoren, Kabeln, Transformatoren usw., die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, Verwendung. Werden jedoch oxydierte anorganische
Substrate mit Polyimid beschichtet, so treten, insbesondere bei glatten, einseitig beschichteten Platten, Haftprobleme auf. Es
wurde zwar versucht, die Haftung der Polyimidschichten auf oberflächlich oxydierten Halbleitersubstraten durch kurzfristiges
Tempern bei 400 C zu verbessern, jedoch war das Ergebnis nicht befriedigend. Deshalb konnte die an sich sehr wünschenswerte Verwendung
des Polyimids zur Herstellung von elektrisch isolierenden
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und vor Korrosion schützenden Überzügen auf gedruckten Schaltungen,
die auf Keramiksobstrate aufgebracht sind, und auf integrierte
Schaltkreise bisher keine technische Bedeutung erlangen.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein für eine Fabrikation
im großen Maßstab geeignetes Verfahren zum Aufbringen von PoIyimidschichten,
die sich durch gute Haftung auch unter mechanischer, thermischer und chemischer Beanspruchung und unter lang andauernden,
ungünstigen Umweltbedingungen auszeichnen, auf oxydierte anorganische Substrate anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß vor dem Aufbringen der gelösten Polyamidocarbonsäure
das Substrat mit der Lösung einer organischen Siliziumverbindung in einem organischen Lösungsmittel vollständig benetzt
wird und das Lösungsmittel anschließend unter Ausschluß von Luftfeuchtigkeit verdampft wird.
Die Haftung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf den oxydierten anorganischen Substraten aufgebrachten Polyimidschichten
genügen den gestellten Forderungen. Das Verfahren ermöglicht es also, das Polyimid als Isoliermaterial auch dort zu
verwenden, wo es das Substrat nicht vollständig oder wenigstens ringförmig umgibt, nämlich z.B. dort, wo es darum geht, flache
Strukturen durch Passivierungsschichten elektrisch zu isolieren und vor Korrosion zu schützen. Das Verfahren erschließt damit dem
Polyimid eine breite und vorteilhafte Anwendung auf dem Gebiet der gedruckten. Schaltungen und in der Halbleitertechnik. Aber auch in
den Fällen, in denen eine brauchbare Haftung des Polyimide auf oxydierten anorganischen Substraten, z.B. auf Aluminium-Kabeln,
dadurch erzielt wird, daß man einen das Substrat vollständig oder ringförmig umgebenden Polyimidüberzug aufschrumpfen läßt,
ist es günstig, das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden, weil dann die gute Haftung zwischen Polyimid und Substrat auch bei
großen Temperaturänderungen erhalten bleibt. Es ist anzunehmen, daß Polyimid deshalb schlecht auf einem anorganischen Substrat
haftet, weil ein anorganisches Material sich generell schlecht
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mit einem organischen Material verträgt und weil das anorganische,
Normalbedingungen ausgesetzte Substrat mit einem dünnen Wasserfilm überzogen ist. Die organische Siliziumverbindung reagiert
mit dem Wasserfilm, der dadurch entfernt wird, und ist offenbar in der Lage, eine Bindung mit einem oxydierten anorganischen
Substrat einzugehen und vermittelnd zwischen dem oxydierten anorganischen Substrat und dem organischen Polyimid zu wirken.
Das Verdampfen des Lösungsmittels unter Ausschluß von Luftfeuchtigkeit soll verhindern, daß die organische Siliziumverbindung
mit der Feuchtigkeit aus der Luft reagiert und dadurch zunehmend unwirksamer wird, und daß sich die Feuchtigkeit wieder
auf das Substrat setzt und dieses damit wieder polyimidabweisend
macht.
Zum Verdampfen des Lösungsmittels für die organische Silizium—
verbindung ist es vorteilhaft, wenn eine ausreichende Menge des Lösungsmittels in einem in seinem oberen Teil mit Kühlschlangen
ausgestatteten Gefäß zum Sieden gebracht wird, die Substrate in dem gebildeten Lösungsmitteldampf gehängt werden und wenn zur
vollständigen Kondensation des an den Substraten vorbeigeströmten Dampfes die Kühlschlangen auf eine unterhalb des Siedepunkts des
Lösungsmittels liegende Temperatur eingestellt werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung des Verfahrens liegt darin, daß mit
ihr auch letzte Feuchtigkeitsspuren, die dem Angriff der organischen Siliziuinverbindung widerstehen konnten, entfernt
werden. Dies wird erreicht, indem ständig frischer, trockener Lösungsmitteldampf an dem Substrat vorbeistreicht und der Dampf
dabei Spuren von Feuchtigkeit aufnimmt.
In vorteilhafter Weise wird als organische Siliziuinverbindung γ -Aminopropyltriäthoxysilan (NH3 - (CH3)3 - Si - (OC3H5)3)
verwendet. Bei Verwendung dieser Verbindung wurden Haftfestigkeiten erreicht, die bisher nicht einmal mit den besten bekannten
Klebstoffen erzielt werden konnten. Die Haftfestig-
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keiten liegen oberhalb 3 kp pro mm . Die Haftfestigkeit konnte
keiten liegen oberhalb 3 kp pro mm . Die Haftfestigkeit konnte
nicht genau bestimmt werden, weil die zum Ankleben der Prüfkörper GE 973 006
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verwendeten Klebstoffe schlechter hafteten wie das Polyimid. Um eine Vorstellung von der Verbesserung der Haftung bei Verwendung
der organischen Siliciumverbindung zu geben, sei erwähnt, daß Polyimidschichten, die ohne Anwendung der organischen Siliciumverbindung
auf oxydierte Substrate aufgebracht worden waren, mit
2
durchschnittlich 0,5 kp/mm hafteten. Es wurde auch festgestellt, daß Polyimidschichten, die nach vorheriger Anwendung der organischen Siliciumverbindung aufgebracht worden waren, und die 3OO Stunden einer Temperatur von 85 0C und 85 %iger Luftfeuchtigkeit ausgesetzt worden waren, noch ausgezeichnet hafteten. Es ist zu vermuten, daß dabei die ausgezeichnete Wirkung der organischen Siliciumverbindung darauf beruht, daß die Polyamidocarbonsäurelösung noch nicht reagiertes Pyromellitsäureanhydrid enthält, das dann einerseits mit der NH_-Gruppe der organischen Siliciumverbindung und andererseits mit der aromatischen Aminkomponente reagiert.
durchschnittlich 0,5 kp/mm hafteten. Es wurde auch festgestellt, daß Polyimidschichten, die nach vorheriger Anwendung der organischen Siliciumverbindung aufgebracht worden waren, und die 3OO Stunden einer Temperatur von 85 0C und 85 %iger Luftfeuchtigkeit ausgesetzt worden waren, noch ausgezeichnet hafteten. Es ist zu vermuten, daß dabei die ausgezeichnete Wirkung der organischen Siliciumverbindung darauf beruht, daß die Polyamidocarbonsäurelösung noch nicht reagiertes Pyromellitsäureanhydrid enthält, das dann einerseits mit der NH_-Gruppe der organischen Siliciumverbindung und andererseits mit der aromatischen Aminkomponente reagiert.
Es ist vorteilhaft, als Lösungsmittel für die organischen Siliciumverbindung Trichlortrifluoräthan (CCl3F3) zu verwenden.
Trichlortrifluoräthan ist ein brauchbares Lösungsmittel für organische Siliciumverbindungen. Im Vergleich zu ähnlich brauchbaren
Lösungsmitteln ist es preisgünstig und mit seiner Anwendung ist kein Sicherheitsrisiko verbunden. Hinzu kommt, daß Trichlortrifluoräthan
mit Wasser ein azeotropes Gemisch bildet, und daß deshalb der Trichlortrifluoräthan-Dampf Feuchtigkeitsspuren von
den Substraten besonders effektiv entfernt.
Es ist vorteilhaft, daß bei Anwendung des Verfahrens auch auf Quarz eine sehr gute Haftung von Polyimid erreicht werden kann.
Dadurch wird Polyimid als Passivierungsmaterial für integrierte Schaltungen auf Siliziumbasis attraktiv, das einen besonders guten
Korrosionsschutz und damit eine lange Lebensdauer der Schaltkreise gewährleistet.
Schließlich empfiehlt sich das Verfahren zum Aufbringen eines besonders wirkungsvollen Korrosionsschutzes auf Gegenstände aus
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- 5 Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Bei einer typischen Durchführung des Verfahrens wird das Substrat,
das mit Polyimid beschichtet werden soll, in eine 0,5 %ige Lösung von γ-Aminopropyltriäthoxysilan (NH_ - (CH3), - Si - (OC3H5)_) in
Trichlortrifluoräthan (CCl3F3) getaucht. Es sei an dieser Stelle
angemerkt, daß auch verdünntere oder konzentriertere Lösungen der organischen Siliciumverbindung verwendet werden können und daß es
auch möglich ist, die Lösung auf das Substrat aufzusprühen. Die Substrate bleiben etwa 30 Sekunden in der Lösung und werden anschließend
etwa drei Minuten lang zum Trocknen in einem offenen oder auch mit einem Deckel verschlossenen Gefäß über dem siedenden
Lösungsmittel aufgehängt, wobei das verdampfte Lösungsmittel, nachdem es an den Substraten vorbeigeströmt ist, an Kühlschlangen
im oberen Teil des Gefäßes kondensiert wird und in dieser Form
wieder in das siedende Lösungsmittel zurückfließt. Da das Lösungsmittel unter Normalbedingungen bei 47,6 C siedet, läßt sich mit
fließendem Leitungswasser in den Kühlschlangen ein zur vollständigen Kondensation des gebildeten Dampfes ausreichender
Kühleffekt erzielen.
Nach dem vollständigen Entfernen des Lösungsmittels vom Substrat
wird entweder sofort oder nach bis zu zweistündigem Lagern in trockener Atmosphäre eine Lösung einer aus einer aromatischen
Aminkomponente und Pyromellitsäureanhydrid entstandenen Polyamidocarbonsäure in einem Lösungsmittelgemisch, das als Hauptbestandteil
N-Methyl-2-Pyrrolidon oder Dimethylacetamid enthält, aufgesprüht
oder sofern es sich um flache Substrate handelt, aufgeschleudert oder mittels Siebdruck aufgebracht. Als aromatische
Aminkomponente hat sich besonders 4,4'-Diamino-diphenyläther
bewährt.
Anschließend wird das Lösungsmittelgemisch verdampft und die
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verbliebene Schicht entweder in zwei Wärmebehandlungsschritten
bei etwa 130 0C bzw. über 3OQ 0C oder in einem einzigen Wärmebehandlungsschritt
bei über 300 0C zum Polyimid gehärtet. Im teilweise gehärteten Zustand ist das Polyimid noch löslich.
Mit dem beschriebenen Verfahren wurden gut haftende Polyimidüberzüge
auf glatten Oberflächen von Metallen, wie z.B. Aluminium und Oxiden, wie z.B. Quarzglas erzeugt.
Die folgenden Beispiele sollen das beschriebene Verfahren näher erläutern. Bei diesen Beispielen wurde γ-Aminopropyltriäthoxysilan
(NH2 -(CH2J3 - Si - (OC2H5)3) als organische
Siliciumverbindung verwendet.
Auf Oxidsubstrate wurde eine Schicht aus Polyimid aufgebracht. Zehn dieser Substrate wurden vor dem Aufbringen der Polyimidschicht
unter Anwendung des beschriebenen Verfahrens mit der organischen Siliciumverbindung imprägniert. Acht Substrate wurden
nicht mit der organischen Siliciumverbindung behandelt.
Nach dem Härten des Polyimids wurde an allen 18 Proben die Haftung des Polyimids bestimmt. Dazu wurde je ein Metallkörper
auf die Polyimidschicht und auf die der Polyimidschicht entgegengesetzte Oberfläche des Substrats mit Uhu-Plus, einem
von der Firma H. und M. Fischer GmbH in Bühl (Baden) hergestellten
Zwei-Komponentenkleber geklebt. Anschließend wurde der eine Metallkörper fest eingespannt und an dem anderen
unter Messung der notwendigen Kraft bis zum Abreißen gezogen. Unter denselben Bedingungen wurden Versuche mit je 4 Substraten
aus Aluminium durchgeführt.
In der folgenden Tabelle sind die durchschnittlichen Ergebnisse der Prüfung für jeden Probentyp aufgelistet.
ge 973 006 509815/1 199
Nr.
Substratmaterial
Anzahl
der
Proben
Verwendung der organischen
Si-Verbindung
ja nein
Si-Verbindung
ja nein
durchschnittliche Haftfestigkeit kp/mm^
1
2
3
4
2
3
4
SiO.
SiO.
Al '
Al
SiO.
Al '
Al
10 8 4 4
siehe Bemerkungen im Text.
> 3,2 O,5
> 3,3 2,0
1) D
Die Untersuchung der Proben nach der Prüfung der Haftfestigkeit ergab bei allen Proben, bei denen die Polyimidschicht ohne Vermittlung
der organischen Siliciumverbindung aufgebracht worden war, daß sich bei der Prüfung die Polyimidschicht vom Substrat
gelöst hatte. Die Bestimmung der Haftfestigkeit der unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebrachten Polyimidschichten
war nicht möglich, da sich entweder die Verbindung zwischen dem Klebstoff und der Polyimidschicht bzw. dem Substrat
gelöst hatte, oder das Substrat in zwei Teile gebrochen war. Aus den bei diesen Proben erhaltenen Ergebnissen kann man deshalb nur
ablesen, daß die Haftung zwischen dem Polyimid und dem Substrat besser ist, als die aufgelisteten Werte angeben.
In zwei weiteren Versuchen wurden Oxidsubstrate, auf die Leiterzüge
aus Aluminium aufgebracht worden waren, teils mit und teils ohne eine Imprägnierung durch die organische Siliciumverbindung
mit Polyimid beschichtet.
Die beschichteten Substrate wurden anschließend 300 Stunden lang einer Temperatur von 85 0C bei einer relativen Luftfeuchtigkeit
von 85 % ausgesetzt. Auf den nicht mit der organischen Siliciumverbindung behandelten Proben konnte man nach dieser Behandlung
mit dem Mikroskop eine Art von "Newton1sehen Ringen" erkennen,
was auf einen Luftzwischenraum zwischen dem Substrat und der
GE 973 006
509815/1199
Polyimidschicht, d.h. auf die Ablösung der Polyimidschicht schließen läßt, und außerdem zeigten die Leiterzüge unter dem
Polyimid am Rand der Substrate eine starke Korrosion, was ebenfalls auf eine Ablösung der Polyimidschicht hinweist.
Bei den mit der organischen Siliciumverbindung behandelten Substraten war keine Ablösung und keine Korrosion zu erkennen.
GE 973 006
50981 5/1199
Claims (5)
- PATENTANSPRÜCHEVerfahren zum Beschichten von oxydierten, anorganischen Substraten mit Polyimid durch Aufbringen einer Lösung einer aus einer aromatischen Aminkomponenten und Pyromellitsäureanhydrid entstandenen Polyamidocarbonsäure und anschließendem Erhitzen der Substrate auf etwa 300 0C, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der gelösten Polyamidocarbonsäure das Substrat mit der Lösung einer organischen Siliziumverbindung in einem organischen Lösungsmittel vollständig benetzt wird und das Lösungsmittel anschließend unter Ausschluß von Luftfeuchtigkeit verdampft wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem, in seinem oberen Teil mit Kühlschlangen ausgestatteten Gefäß eine ausreichende Menge des Lösungsmittels zum Sieden gebracht wird, daß die Substrate zum Trocknen in den gebildeten Lösungsmitteldampf gehängt werden, und daß zur vollständigen Kondensation des an den Substraten vorbeigeströmten Dampfes in den Kühlschlangen eine unterhalb desSiedepunkts des Lösungsmittels liegende Temperatur eingestellt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Substrate in die Lösung der organischen Siliciumverbindung getaucht werden.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung der organischen Siliciumverbindung auf die Substrate aufgesprüht wird.
- 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel für die organische Siliciumverbindung Trichlortrifluoräthan (CCl3F3) verwendet wird.GE 9 73 006509815/1199
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IT1015214B (it) | 1977-05-10 |
GB1463128A (en) | 1977-02-02 |
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