JP2019127503A - 熱架橋性ポリイミド、その熱硬化物および層間絶縁フィルム - Google Patents
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Abstract
Description
また、電子デバイスの構成部材として各種の耐熱絶縁フィルム材料が使用されている。例えば、ガラス、銅、シリコン、ステンレスなどの無機材料との積層時の反り低減を目的として、XY方向(フィルム面方向)において低い線熱膨張係数を示すポリイミドフィルムが広く用いられている。このようなポリイミドを低熱膨張性ポリイミドと称する。フィルム面方向の線膨張係数を低くするためには、XY方向に沿ってポリイミド主鎖が高度に配向する必要がある(例えば非特許文献5参照)。換言すれば、ポリイミド主鎖が面内配向する必要がある。しかしながら、XY方向に低熱膨張性を示すポリイミドフィルムは、原理的にZ方向(膜厚方向)に非常に大きな熱膨張を示す(例えば非特許文献6参照)。
〔1〕下記一般式(1):
〔2〕上記式(2)で表される構造単位を、全X2成分に対して1mol%以上含む〔1〕に記載の熱架橋性ポリイミド。
〔3〕上記〔1〕または〔2〕に記載の熱架橋性ポリイミドを330℃以上で熱処理して得られる熱硬化物。
〔4〕上記〔3〕に記載の熱硬化物からなる、層間絶縁フィルム。
本発明の一実施形態に係る熱架橋性ポリイミドは、下記一般式(1):
本発明の一実施形態に係る熱架橋性ポリイミドを製造する際に使用する35DABAの合成方法について以下に説明する。まず下記式(12):
本発明の一実施形態に係る熱架橋性ポリイミドは、まずその前駆体を重合しておき、これを加熱脱水閉環反応することで得られる。ポリイミド前駆体とはポリアミド酸を指す。脱水閉環反応を熱イミド化反応とも称する。前駆体を製造する方法は特に限定されず、公知の方法を適用することができる。例えば、以下に示す方法でポリイミド前駆体を重合することができる。ジアミンおよびテトラカルボン酸二無水物としては、上述の<熱架橋性ポリイミド>にて説明したものが用いられ得る。
本発明の一実施形態に係る熱架橋性ポリイミドは、上記の方法で得られたポリイミド前駆体を脱水閉環反応(イミド化反応)することにより得られる。使用可能な熱架橋性ポリイミドの形態として、フィルム、各種基板との積層体、粉末および成型体が挙げられる。35DABAで改質する前のベースとなるポリイミドの溶媒溶解性が高い場合は、ポリイミド溶液、即ちポリイミドワニスの形態で得ることも可能である。
<赤外線吸収スペクトル>
フーリエ変換赤外分光光度計(日本分光社製FT−IR4100)を用い、KBrプレート法にて35DABAの赤外線吸収スペクトルを測定した。また透過法にてポリイミド薄膜の赤外線吸収スペクトルを測定した。
日本電子社製NMR分光光度計(ECP400)を用い、重水素化ジメチルスルホキシド(DMSO−d6)を溶媒として、35DABAの1H−NMRスペクトルを測定した。
ネッチジャパン社製示差走査熱量分析装置(DSC3100)を用いて、窒素雰囲気中、昇温速度5℃/分で示差走査熱量分析を行い、得られた融解の吸熱ピーク温度より35DABAの融点を求めた。
NMP中で重合したポリイミド前駆体のワニスを同一溶媒で希釈して0.5重量%溶液を得た。オストワルド粘度計を用いて30℃で、この溶液の還元粘度を測定した。この値は実質的に固有粘度と見なすことができ、この値が高い程、ポリイミド前駆体の分子量が高いことを表す。
TAインスツルメンツ社製動的力学測定装置(Q−800)を用いて、窒素中、周波数0.1Hz、昇温速度5℃/分、室温〜450℃の条件で引張モードにて動的力学分析(DMA)を行うことにより、ポリイミドフィルム(膜厚約20μm)の貯蔵弾性率(E’)および損失弾性率(E”)を測定した。損失弾性率曲線のピーク温度からポリイミドのガラス転移温度(Tg)を求めた。Tgが高いほど、物理的耐熱性が高いことを表す。また、貯蔵弾性率は昇温過程においてTgを越えた直後の低下が緩やかで且つ低下幅が小さいほど、Tg以上の温度域での軟化(熱変形)が抑制されていること、即ち寸法安定性が高いことを表す。
ネッチジャパン社製熱機械分析装置(TMA4000)を用いて、荷重0.5g/膜厚1μm、昇温速度5℃/分における試験片の伸びより、100〜200℃の範囲での平均値としてポリイミドフィルム(膜厚約20μm)のXY方向CTE(αXY)を求めた。この値が低い程、XY方向の熱寸法安定性に優れていることを表す。
ネッチジャパン社製熱重量分析装置(TG−DTA2000)を用いて、窒素中または空気中、昇温速度10℃/分での昇温過程において、ポリイミドフィルム(膜厚約20μm)の初期重量が5%減少した時の温度を測定した。Td 5の値が高いほど、熱安定性が高いことを表す。
ポリイミドフィルムをシリコンウエハー上に乗せ、これをメトラー・トレド社製ホットステージ(FP90/82)中にセットし、次いで100℃から20℃ステップで昇温およびホールドを繰り返しながら、200℃まで昇温した。温度ホールド中にフィルメトリックス社製干渉式薄膜測定装置(F20)を用いて、各温度における膜厚を測定し、得られた温度―膜厚曲線の勾配より、Z方向CTE(αZ)を求めた。
<熱架橋性官能基含有ジアミン(35DABA)の合成>
熱架橋性官能基含有ジアミン(35DABA)は以下のようにして合成した。
FT−IRスペクトル(KBr、cm−1):3350/3168(アミド基、N−H伸縮振動)、1676(アミド基、C=O伸縮振動)、1631(NH2変角振動)、1550(アミド基、C=O伸縮振動+ニトロ基、逆対称伸縮振動)、1345(ニトロ基、対称伸縮振動)
1H−NMRスペクトル(400MHz,DMSO−d6,δ,ppm):9.07(sd、2H、J=2.0Hz、2,6−ArH)、8.96(st、1H、J=2.0Hz、4−ArH)、8.67(s、1H、CONH2)、8.03(s、1H、CONH2)
本分析結果より、生成物は3,5−ジニトロベンズアミド(35DNBA)であることが確認された。
FT−IRスペクトル(KBr、cm−1):3409/3213(NH2基、伸縮振動)、1648(アミド基、C=O伸縮振動)
1H−NMRスペクトル(400MHz,DMSO−d6,δ,ppm):7.44(s、1H、CONH2)、6.90(s、1H、CONH2)、6.23(sd、2H、J=2.0Hz、2,6−ArH)、5.93(st、1H、J=2.0Hz、4−ArH)、4.81(s、4H、3,5−NH2)
元素分析(C7H9ON3、分子量151.17):推定値(%)C;55.62、H;6.00、N;27.80、分析値C;55.67、H;5.97、N;27.73
これらの分析結果より、生成物は下記式(6):
ジアミン成分の共重合組成が35DABA(20mol%):TFMB(80mol%)であるポリイミド共重合体を以下のように作製した。よく乾燥した密閉反応容器中、TFMB(1.60mmol)および35DABA(0.40mmol)を入れ、次いでモレキュラーシーブス4Aで十分に脱水したNMPを入れてTFMBおよび35DABAを溶解した。この溶液にPMDA粉末(2.00mmol)を少しずつ加えながら、重合反応を開始した。初期の全溶質濃度を30重量%として重合を開始したが、重合反応の途中で、溶液粘度が高くなりすぎたため、必要最小限の同一溶媒を適宜段階的に追加しながら、室温で72時間攪拌した。最終溶質濃度は19重量%であった。重合反応中、ゲル化は全く見られず、完全に均一で粘稠なポリイミド前駆体溶液が得られた。NMP中、30℃、0.5重量%の濃度でオストワルド粘度計にて測定したポリイミド前駆体の還元粘度は1.20dL/gであり、十分な高分子量を示す結果であった。
ジアミン成分の共重合組成を35DABA(50mol%):TFMB(50mol%)へ変更した以外は、実施例1に記載した方法と同様にして、ポリイミド前駆体を重合することにより、ゲル化のない均一なワニスを得た。また、実施例1に記載した方法と同様にして、ポリイミドフィルムを作製し、物性を評価した。
ジアミン成分の共重合組成を35DABA(80mol%):TFMB(20mol%)へ変更した以外は、実施例1に記載した方法と同様にして、ポリイミド前駆体を重合することにより、ゲル化のない均一なワニスを得た。また、実施例1に記載した方法と同様にして、ポリイミドフィルムを作製し、物性を評価した。
ジアミンとして、35DABAを使用せず、TFMBを単独で使用した以外は、実施例1に記載した方法と同様にして重合、製膜、熱イミド化および膜物性評価を行った。
ジアミン成分の共重合組成をm−PDA(20mol%):TFMB(80mol%)へ変更した以外は、実施例1に記載した方法と同様にして重合、製膜、熱イミド化および膜物性評価を行った。
ジアミン成分の共重合組成をm−PDA(50mol%):TFMB(50mol%)へ変更した以外は、実施例1に記載した方法と同様にして重合、製膜、熱イミド化および膜物性評価を行った。
ジアミン成分の共重合組成をm−PDA(80mol%):TFMB(20mol%)へ変更した以外は、実施例1に記載した方法と同様にして重合、製膜、熱イミド化および膜物性評価を行った。
表1に物性値をまとめた。
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