JP2021503514A - 低い熱膨張係数を有するポリイミド組成物 - Google Patents

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Abstract

1ppm/℃以下、または−0.5〜0.5ppm/℃の線熱膨張係数を有するポリイミドと、フルオロポリマーと、を含むポリイミド組成物であって、同ポリイミド組成物は、10GHzの周波数で5以下、または3.5以下の誘電率を有する、ポリイミド組成物。

Description

本発明は、低い熱膨張係数を有するポリイミド組成物に関する。
電子産業では、ポリイミド組成物は、低誘電率、低応力、高弾性率および固有の延性のために、コーティング用途において、そして誘電体層としてしばしば使用される。したがって、ポリイミド層は多くの場合、1つまたは複数の層と物理的および熱的に接触している。そのような多層構成要素を含むデバイスの製造時および使用中に、同デバイスはかなりの加熱および冷却のサイクルを経験する可能性がある。その結果、同多層は加熱と冷却の複数のサイクルを経験し、多くの場合、製造時に摂氏350度(℃)以上の温度範囲をカバーする可能性がある。加熱および冷却のサイクルは、異なる層の間における熱膨張係数(CTE)の値および他の変数の相違の結果として応力を生ずる。これらの応力により、変形、層間剥離および/または亀裂が生じる可能性があり、それはデバイスの性能を低下させる可能性、および/または早期の故障につながる可能性がある。
特定の用途では、ポリイミドCTEの値がデバイスで使用される基板CTEの値に可能な限り一致するように、ポリイミドのCTEを制御することが望ましい場合がある。ポリイミドおよび隣接するまたは近くの部品のCTEの値が類似していると、たとえば銅張積層板の誘電体として使用されるポリイミド組成物の熱サイクルに関連する熱応力を緩和できる。これらのポリイミド組成物は、銅のCTEに一致するようにポリイミド層の熱機械特性を制御するのに役立つガラス布を含んでいる。このような誘電体層の制約は、厚さの制約、ガラス布へのポリイミドの流動性の問題、および誘電体層の面全体にわたる誘電特性の微視的な相違に起因して生じる。
したがって、ガラス布を含まない改良されたポリイミド層は、そのような層が電子機器用途での使用に大きな利益をもたらす可能性があるために望まれる。
本明細書には、ポリイミド組成物が開示されている。
一態様において、ポリイミド組成物は、1ppm/℃以下、または−0.5〜0.5ppm/℃の線CTE(linear CTE)を有するポリイミドと、フルオロポリマーと、を含み;同ポリイミド組成物は、10GHzの周波数で5以下、または3.5以下の誘電率(permittivity)を有し得る。
また、ポリ(アミド酸)(poly(amic acid))、フルオロポリマー、溶媒、および任意に非イオン性界面活性剤を含む組み合わせを形成することと、同組み合わせをキャストすること(casting)と、キャストされた組み合わせを加熱し、溶媒を蒸発させて、ポリ(アミド酸)からポリイミドを形成することと、を含む、ポリイミド組成物を製造する方法が本明細書に開示される。ポリイミド組成物は、1ppm/℃以下、または−0.5〜0.5ppm/℃の線CTEを有するポリイミドおよびフルオロポリマーを含み、ここで、ポリイミド組成物は、10GHzの周波数で5以下、または3.5以下の誘電率を有し得る。
本明細書では、1ppm/℃以下、または−0.5〜0.5ppm/℃の線CTEを有するポリイミドおよびフルオロポリマーを含むポリイミド組成物を含む物品であって、同ポリイミド組成物は、10GHzの周波数で5以下、または3.5以下の誘電率を有し得る物品も開示されている。
上記した特徴および他の特徴は、以下の詳細な説明および特許請求の範囲により例示されている。
驚くべきことに、摂氏温度あたり百万分の1(ppm/℃)以下の線CTEを有するポリイミドおよびフルオロポリマーを含むポリイミド組成物が、10ギガヘルツ(GHz)の周波数にて5以下、または3.5以下の誘電率を有するポリイミド組成物をもたらし得ることが発見された。この低い誘電率を有するポリイミド組成物は、ガラス布(glass fabric)の不在下で達成されるため、この結果は特に驚くべきことである。本明細書において使用される場合、線CTE(線熱膨張係数)は、ASTM E831−06またはASTM D3386−00に従って、1ミル(0.0254ミリメートル)の厚さのサンプルを使用して、−125〜20℃の範囲、または0〜20℃の範囲で決定できる。例えば、本質的にポリイミドからなるサンプルの線CTEはASTM E831−06に従って決定でき、ポリイミド組成物の線CTEはASTM D3386−00に従って決定できる。
ポリイミド組成物は、ポリイミドおよびフルオロポリマーの総体積に基づいて、40〜80体積パーセント(vol%)、または40〜70vol%のポリイミドを含んでいてもよい。ポリイミド組成物は、ポリイミドおよびフルオロポリマーの総体積に基づいて、20〜60vol%、または30〜60vol%のフルオロポリマーを含んでいてもよい。ポリイミド組成物は熱硬化性ポリイミドを含んでいてもよいが、熱可塑性ポリイミドが好ましい。
ポリイミド組成物は、ポリ(アミド酸)、フルオロポリマー、溶媒、および界面活性剤を含む組み合わせを形成することと、同組み合わせをキャストすることと、キャストされた組み合わせを加熱して、溶媒を蒸発させ、ポリ(アミド酸)からポリイミドを形成することと、によって形成され得る。組み合わせは、例えば、溶媒キャスティング、スピンキャスティング、グラビアコーティング、三本ロールコーティング(three roll coating)、ナイフオーバーロールコーティング(knife over roll coating)、スロットダイ押出、またはディップコーティングにより、基材上のフィルムにキャストすることができる。キャスト後、組み合わせを1以上の段階で加熱して、溶媒を除去し、イミド化とも称される脱水環化反応を介してポリ(アミド酸)のアミド酸(amic acid)官能基をイミドに変換できる。加熱は、イミド化反応中の溶媒と水の副産物の蒸発の一方または両方を促進するために真空下で行われる。
加熱は、2以上の加熱段階で行うことができる。例えば、加熱は、溶媒を蒸発させるための第1の蒸発段階を含むことができる。第1の蒸発段階は、23〜100℃の蒸発温度で起こり得る。加熱は、150℃以上、または200〜350℃、または250〜310℃の硬化温度で起こり得る脱水環化反応を開始するために、第1の加熱段階の後に起こる第2の加熱段階を含むことができる。
水は、脱水環化反応中に、例えば、真空の存在下もしくは不在下での蒸発により、または水を化学的に除去することにより、除去されてもよい。水の化学的除去は、ジシクロヘキシルカルボジイミドまたは無水物、例えば無水酢酸、の少なくとも1つとの反応を含むことができる。イミド化触媒を使用して、脱水環化反応を促進することができる。イミド化触媒は、例えば、ピリジン、トリエチルアミン、イソキノリン、またはβ−ピコリンのうちの少なくとも1つのような第3級アミンを含むことができる。
ポリ(アミド酸)は、少なくともジアミンモノマーと二無水物モノマーを含むモノマー組成物から得ることができる。ポリ(アミド酸)の重合は、極性の非プロトン性溶媒の存在下で起こり得る。極性の非プロトン性溶媒は、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)またはN,N−ジメチルアセトアミド(DMAC)のうちの少なくとも1つを含むことができる。重合は、70℃以下、または10〜70℃、または20〜30℃の温度で起こり得る。ジアミンの二無水物に対するモル比は、2:1〜1:2、または1.5:1〜1:1.5、または1.1:1〜1:1.1であり得る。
ジアミンモノマーは、1−(4−アミノフェノキシ)−3−(3−アミノフェノキシ)ベンゼン、1−(4−アミノフェノキシ)−4−(3−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(3−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(3−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]ヘキサフルオロプロパン(BDAF)、ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、2,2−ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、4−アミノフェニル−3−アミノ安息香酸、N,N−ビス(4−アミノフェニル)アニリン、N,N−ビス(4−アミノフェニル)−n−ブチルアミン、ビス(3−アミノフェニル)ジエチルシラン、2,2−ビス(3−アミノフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、ビス(4−[4−アミノフェノキシ]フェニル)エーテル、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]−ヘキサフルオロプロパン、2,2’−ビス(4−アミノフェニル)−ヘキサフルオロプロパン(6F−ジアミン)、N,N−ビス(4−アミノフェニル)メチルアミン、2,2−ビス(4−アミノフェニル)プロパン、ビス(p−β−アミノ−t−ブチルフェニル)エーテル、ベンジジン、1,4−シクロヘキシルジアミン(CHDA)、ジアミノベンズアニリド、1,2−ジアミノベンゼン、3,5−ジアミノ安息香酸、4,4’−ジアミノベンゾフェノン、1,4−ジアミノブタン、1,10−ジアミノデカン、4,4’−ジアミノジフェニルジエチルシラン、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルエーテルホスフィンオキシド、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルN−メチルアミン、4,4’−ジアミノジフェニルN−フェニルアミン、4,4’−ジアミノジフェニルプロパン、4,4’−ジアミノジフェニルスルフィド、3,3’−ジアミノジフェニルスルホン、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、1,4−ジアミノブタン、ジアミノデュレン(DMDE)、1,2−ジアミノエタン、1,7−ジアミノヘプタン、1,6−ジアミノヘキサン、1,5−ジアミノナフタレン、1,9−ジアミノノナン、1,8−ジアミノオクタン、1,5−ジアミノペンタン、1,3−ジアミノプロパン、2,6−ジアミノピリジン、3,3’−ジクロロベンジジン、3,3’−ジメトキシベンジジン、p−ビス(1,1−ジメチル−5−アミノペンチル)ベンゼン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、4,4’−イソプロピリデンジアニリン、p−ビス−2−(2−メチル−4−アミノペンチル)ベンゼン、4,4’−メチレンビスベンゼンアミン、4,4’−メチレンビス(シクロヘキシルアミン)(MBCHA)、4,4’−メチレンビス(2−メチルシクロヘキシルアミン)、3,3’−オキシジアニリン、3,4’−オキシジアニリン、4,4’−オキシジアニリン、2,2’−ビス(4−フェノキシアニリン)イソプロピリデン、m−フェニレンジアミン、o−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、m−キシレンジアミン、p−キシレンジアミン、アミノ末端ポリジメチルシロキサン、アミノ末端ポリプロピレンオキシド、またはアミノ末端ポリブチレンオキシドのうちの少なくとも1つを含み得る。
二無水物は、ベンゼン−1,2,3,4−テトラカルボン酸二無水物、ベンゼン−1,2,4,5−テトラカルボン酸二無水物(ピロメリット酸二無水物)(PMDA)、2,3,2’,3’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ビフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)スルフィド二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)スルホキシド二無水物、2,6−ジクロロナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物、2,7−ジクロロナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物、ヒドロキノン二無水物、4,4’−(4,4’−イソプロピリデンジフェノキシ)ビス(無水フタル酸)、ナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物、ナフタレン−2,3,6,7−テトラカルボン酸二無水物、4,4’−オキシジフタル酸無水物(ODPA)、4,4’−オキシジフタル酸二無水物、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸二無水物、フェナントレン−8,9,10−テトラカルボン酸二無水物、ピラジン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物、ピロメリット酸二無水物、2,3,6,7−テトラクロロナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物、チオフェン−2,3,4,5−テトラカルボン酸二無水物、またはポリシロキサン含有二無水物のうちの少なくとも1つを含み得る。
ポリ(アミド酸)は、ジアミンと、直鎖(例えば、パラ置換)およびより剛性(例えば、アリーレン環を含む)の一方または両方である二無水物と、から得ることができる。その理由は、ポリマー骨格の線形性を高めることとその可撓性を低下させることとの両方が、得られるポリイミドのCTEの低下をもたらす可能性があるからである。例えば、ジアミンは、パラ置換ジアミン(例えば、p−フェニレンジアミン(p−PDA))を含むことができ、二無水物は、パラ置換二無水物(例えば、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(対称BPDAまたはs−BPDA)またはピロメリット酸二無水物)を含むことができる。二無水物はs−BPDAを含むことができ、ジアミンはp−PDAを含むことができる。二無水物はピロメリット酸二無水物を含むことができ、ジアミンは2,2’−ジメチルベンジジン(DMB)を含むことができる。
熱膨張係数の低減に加えて、これらの線形および/または剛性のモノマーの1つまたは複数の組み込みは、吸湿膨張係数(coefficient of hydroscopic expansion)(CHE)の低減をもたらす可能性もある。吸湿膨張係数は、環境での相対湿度の所定の変化に応じた寸法変化の測定値である。吸湿膨張係数は、たとえば、1つまたは複数のフッ素化基を含む疎水性の繰り返し単位を組み込むことによっても低減させることができる。フッ素化モノマーの例には、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]ヘキサフルオロプロパン(BDAF)、2,2−ビス(3−アミノフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]−ヘキサフルオロプロパン、2,2’−ビス(4−アミノフェニル)−ヘキサフルオロプロパン(6F−ジアミン)、4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物、および2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパンが含まれる。
ポリ(アミド酸)の重合は、架橋剤の存在下で重合することを含み得る。架橋剤は、ポリ(C2−20アルキレン−alt−無水マレイン酸)(例えば、ポリ(エチレン−alt−無水マレイン酸)、ポリ(無水マレイン酸−alt−1−オクタデセン)、またはポリ(イソブチレン−alt−無水マレイン酸)の少なくとも1つ)を含み得る。ポリイミドは、ポリイミドを架橋する少なくとも1つの含酸素炭化水素を含むことができる。含酸素炭化水素は、アクロレイン、ベンズアルデヒド、ブチルアルデヒド、シンナムアルデヒド、クロトンアルデヒド、ジアシルオキシメタン、ジ(C1−6アルコキシ)メタン、1,3−ジオキサン、ジオキソラン、1,3−ジチアン、グリオキサール、ホルムアルデヒド、フルフラール、グリシジルエーテルイソブチルアルデヒド、ラウリンアルデヒド、メチラール、ナフトアルデヒド、1,3−オキサチアナアセトアルデヒド、パラホルムアルデヒド、プロピオンアルデヒド、サリチルアルデヒド、ステアリンアルデヒド、スクシンジアルデヒド、テトラオキサン、トリルアルデヒド、トリオキサン、またはバレルアルデヒドのうちの少なくとも1つを含み得る。含酸素炭化水素は、パラホルムアルデヒド、ホルムアルデヒド、ジオキソラン、またはトリオキサンのうちの少なくとも1つを含み得る。
ポリアミド酸の重合は、エンドキャッパー(endcapper)を添加することを含み得る。エンドキャッパーは、ジアミンと二無水物との反応が完了した後、たとえば24時間後に導入できる。エンドキャッパーは、単官能性アミンまたは単官能性無水物のうちの少なくとも1つを含むことができる。エンドキャッパーは、アミン末端基と反応するために添加される単官能性無水物を含むことができる。エンドキャッパーは、架橋可能な一無水物を含むことができる。
ポリイミドは、嵩高い(bulky)置換基を含むことができる。一般に、嵩高い置換基は、そのサイズのために分子内および分子間の鎖の会合を妨げる傾向がある部分である。嵩高い置換基は、ポリイミド骨格の一部であってもよく、例えば、ポリマー骨格のフェニル基間で共有結合されている部分であってもよい。代替的に、もしくはそれに加えて、嵩高い置換基は、テザー(tether)(すなわち、アルキル基または他の置換基などの連結基)を介して、またはポリイミド骨格への直接結合を介して(例えば、ポリマー骨格のフェニル基に直接結合する)、ポリマー骨格の基に共有結合されてもよい。嵩高い置換基は、イオン結合、水素結合、または他の引力を介してポリマーに結合することもできる。一態様において、嵩高い基はポリイミド組成物全体に分散されていてもよく、嵩高い置換基とポリイミドとの間の化学的相互作用を本質的に有していなくてもよい。前述の相互作用の組み合わせも使用できる。嵩高い置換基をより可撓性のポリイミド組成物に組み込むと、ポリイミドのセグメント移動度(segmental mobility)が低下し、ポリイミドのCTEが低下する可能性がある。
嵩高い置換基は、多面体オリゴマーシルセスキオキサン(一般に「POSS」と称され、本明細書においては「シルセスキオキサン」とも称される)を含むことができる。シルセスキオキサンを組み込みことにより、酸化環境でのポリイミドの耐久性を改善するという追加の利点を有し得る。シルセスキオキサンは、表面に反応性官能基を有し得るシリカコアを備えるナノサイズの無機材料である。シルセスキオキサンは、頂点にケイ素原子を含み、酸素原子を相互接続する立方体または立方体様構造を有し得る。ケイ素原子のそれぞれは、ペンダントR基に共有結合できる。式(I)のシルセスキオキサン(RSi12)は、8個のペンダントR基を有するコアの周りにケイ素原子および酸素原子のケージ(cage)を含む。
各R基は、独立して、水素、ヒドロキシ基、アルキル基、アリール基、またはアルケニル基であってもよく、R基は、1〜12個の炭素原子および1つ以上のヘテロ原子(例えば、酸素、窒素、リン、ケイ素、またはハロゲンのうちの少なくとも1つ)を含むことができる。各R基は、独立して、アルコール、エポキシ基、エステル、アミン、ケトン、エーテル、またはハロゲン化物のうちの少なくとも1つのような反応性基を含むことができる。各R基は独立して、シラノール、アルコキシド、または塩化物のうちの少なくとも1つを含むことができる。シルセスキオキサンの例は、オクタ(ジメチルシロキシ)シルセスキオキサンである。
R基の少なくとも1つは、シルセスキオキサンをポリイミドにつなぐ(tether)ことができる官能基を含むことができる。本明細書で使用されるとき、テザー(tether)とは、ポリイミドをシルセスキオキサンに結合するために使用される分子鎖を指す。テザーの長さ、つまり、列に連結され、シルセスキオキサンとポリマー鎖の間に位置する原子は、3〜10原子、または4〜6原子である。テザリング(tethering)の前に、R基の少なくとも1つは、ポリ(アミド酸)上の官能基、たとえばカルボキシル基と反応できるアミンまたはアルコールなどの反応性官能基を含むことができる。
シルセスキオキサンは、種々の方法を使用してポリイミドに組み込むことができる。シルセスキオキサンは、ポリ(アミド酸)の重合前にモノマーにつなぐことができる。シルセスキオキサンは、ポリ(アミド酸)の形成後にポリ(アミド酸)につなぐことができる。シルセスキオキサンは、2つ以上の反応基、例えば2つ以上のアミン基を含むことができ、ポリ(アミド酸)の骨格に、最終的にはポリイミドの骨格に組み込むためにモノマーと反応させてもよい。
シルセスキオキサンは、モノマーの反応基を介してモノマーまたはポリ(アミド酸)につなぐことができる。例えば、ポリ(アミド酸)は、1つ以上、または1〜2個の付着基、例えばカルボン酸基を含むモノマー(例えばジアミン)に由来する繰り返し単位を含んでいてもよい。そのようなモノマーの例には、それぞれ式IIおよびIIIに示される3,5−ジアミノ安息香酸(DBA)および4,4’−ジアミノ[1,1’−ビフェニル]−2,2’−カルボン酸DBDAが含まれる。
シルセスキオキサンは、重合前にカルボキシル基と反応させることができる。シルセスキオキサンは、ポリ(アミド酸)の重合後にカルボキシル基と反応させることができる。付着点を含むモノマーの相対量を制御すると、分子テザーの量が決定する。
ポリイミドは、xおよびy方向において、E831−06(−125〜20℃、1ミル(0.0254mm)のz方向フィルム厚、または0〜20℃、1ミル(0.0254mm)のz方向フィルム厚)に従って決定されたとき、5ppm/℃以下、または1ppm/℃以下、または−0.5〜0.5ppm/℃、または−0.1〜0.1ppm/℃のCTEを有し得る。
ポリイミド組成物はフルオロポリマーを含むことができる。本明細書で使用される「フルオロポリマー」には、フッ素化α−オレフィンモノマー、すなわち、少なくとも1つのフッ素原子置換基を含むα−オレフィンモノマーに由来する繰り返し単位を含むホモポリマーおよびコポリマー、および任意で、フッ素化α−オレフィンモノマーと反応する非フッ素化エチレン性不飽和モノマー、が含まれる。例示的なフッ素化α−オレフィンモノマーには、CF=CF、CHF=CF、CH=CF、CHCl=CHF、CClF=CF、CCl=CF、CClF=CClF、CHF=CCl、CH=CClF、CCl=CClF、CFCF=CF、CFCF=CHF、CFCH=CF、CFCH=CH、CHFCH=CHFおよびCFCH=CH、ならびにペルフルオロメチルビニルエーテル、ペルフルオロプロピルビニルエーテルおよびペルフルオロオクチルビニルエーテルなどのペルフルオロ(C2−8アルキル)ビニルエーテルが含まれる。フッ素化α−オレフィンモノマーは、テトラフルオロエチレン(CF=CF)、クロロトリフルオロエチレン(CClF=CF)、(ペルフルオロブチル)エチレン、フッ化ビニリデン(CH=CF)、またはヘキサフルオロプロピレン(CF=CFCF)のうちの少なくとも1つを含むことができる。例示的な非フッ素化モノエチレン性不飽和モノマーには、エチレン、プロピレン、ブテン、およびスチレンおよびα−メチル−スチレンのようなエチレン性不飽和芳香族モノマーが含まれる。フルオロポリマーは、ポリ(クロロトリフルオロエチレン)(PCTFE)、ポリ(クロロトリフルオロエチレン−プロピレン)、ポリ(エチレン−テトラフルオロエチレン)(ETFE)、ポリ(エチレン−クロロトリフルオロエチレン)(ECTFE)、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン)(PTFE)、ポリ(テトラフルオロエチレン−エチレン−プロピレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン)(フッ素化エチレン−プロピレンコポリマー(FEP)とも称される)、ポリ(テトラフルオロエチレン−プロピレン)(フルオロエラストマーとも称される)(FEPM)、ポリ(テトラフルオロエチレン−ペルフルオロプロピレンビニルエーテル)、完全にフッ素化されたアルコキシ側鎖を備えたテトラフルオロエチレン骨格を有するコポリマー(ペルフルオロアルコキシポリマー(PFA)とも称される)(たとえば、ポリ(テトラフルオロエチレン−ペルフルオロプロピレンビニルエーテル))、ポリフッ化ビニル(PVF)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ(フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン)、ペルフルオロポリエーテル、ペルフルオロスルホン酸、またはペルフルオロポリオキセタン、のうちの少なくとも1つを含むことができる。フルオロポリマーはポリ(テトラフルオロエチレン)を含むことができる。
フルオロポリマーは、複数の粒子の形態であり得る。複数の粒子は、10μm以下、または3〜8μmの平均粒子径を有し得る。平均粒子径は、例えば、平均直径を測定することなど、動的光散乱を使用して決定できる。大きすぎる粒子はキャストフィルムに表面粗さの形成をもたらす可能性があり、小さすぎる粒子は組み合わせたものの粘度の著しい増加をもたらし、キャストをより困難にする可能性がある。
ポリイミド組成物は、ポリ(アミド酸)、フルオロポリマー、溶媒、および任意の非イオン性界面活性剤、を含む組み合わせを形成することと、その組み合わせをキャストすることと、キャストされた組み合わせを加熱して溶媒を蒸発させて、ポリアミド酸をイミド化してポリイミドを形成することと、によって形成され得る。組み合わせは、同組み合わせの総体積に基づいて、50〜90vol%、または60〜80vol%の溶媒を含むことができる。溶媒は、アセトアミド、アセトン、アセトニトリル、ジクロロメタン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、酢酸エチル、ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、またはテトラヒドロフランのうちの少なくとも1つを含むことができる。
組み合わせは、同組み合わせの総重量に基づいて、0〜5重量パーセント(wt%)、または1〜4重量パーセントの非イオン性界面活性剤を含むことができる。非イオン性界面活性剤は、1〜25モルのエチレンオキシドおよびエチレンオキシドの狭い同族体分布(homolog distribution)(「狭い範囲のエトキシレート」)またはエチレンオキシドの広い同族体分布(「広い範囲のエトキシレート」)を有するC8−22脂肪族アルコールエトキシレートを含むことができる。非イオン性界面活性剤は、2〜18モルのエチレンオキシドを有するC10−20脂肪族アルコールエトキシレートを含むことができる。この種類の市販の非イオン性界面活性剤の例は、ダウ社(Dow)から市販されている、狭い分子量分布を備えた、TERGITOL(登録商標)15−S−9(C11−15直鎖第2級アルコールと9モルのエチレンオキシドとの縮合生成物)およびTERGITOL(登録商標)24−L−NMW(C12−14直鎖第1級アルコールと6モルのエチレンオキシドとの縮合生成物)である。使用できる他の非イオン性界面活性剤には、C6−12アルキルフェノールのポリエチレン、ポリプロピレン、およびポリブチレンオキシド縮合物、例えば、C6−12アルキルフェノール1モル当たり4〜25モルのエチレンオキシド、またはC6−12アルキルフェノール1モル当たり5〜18モルのエチレンオキシドを有する化合物、が含まれる。この種類の市販の界面活性剤には、ダウ社(Dow)からのIGEPAL(登録商標)CO−630、TRITON(登録商標)X−45、TRITON(登録商標)X−114、TRITON(登録商標)X−100、TRITON(登録商標)X102、TERGITOL(登録商標)TMN−10、TERGITOL(登録商標)TMN−100X、およびTERGITOL(登録商標)TMN−6(すべてポリエトキシル化2,6,8−トリメチル−ノニルフェノールまたはその組み合わせ)が含まれる。
ポリイミド組成物は、複数の中空のマイクロスフェアまたはセラミックフィラー(ceramic filler)の少なくとも1つをさらに含むことができる。存在する場合、複数の中空のマイクロスフェアおよびセラミックフィラーを組み合わせに追加することができる。中空のマイクロスフェアは、セラミック中空マイクロスフェア、ポリマー中空マイクロスフェア、またはガラス中空マイクロスフェア(アルカリホウケイ酸ガラス製のものなど)のうちの少なくとも1つを含むことができる。ポリイミド組成物は、同ポリイミド組成物の総体積に基づいて、1〜70vol%、または5〜70vol%、または10〜50vol%の中空マイクロスフェアを含むことができる。中空マイクロスフェアは、300マイクロメートル(μm)以下、または15〜200μm、または20〜100μm、または20〜70μm、または30〜65μm、または40〜55μm、または35〜60μmの平均外径を有し得る。
ポリイミド組成物は、誘電率、散逸率、熱膨張係数、およびポリイミド組成物の他の特性を調整するために選択できる誘電性フィラーを含むことができる。誘電性フィラーは、二酸化チタン(ルチルおよびアナターゼなど)、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、シリカ(溶融アモルファスシリカを含む)、コランダム、ウォラストナイト、BaTi20、固体ガラススフェア、中空ガラススフェア、中空セラミックスフェア、石英、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ベリリア、アルミナ、アルミナ三水和物、マグネシア、マイカ、タルク、ナノクレイ、または水酸化マグネシウムのうちの少なくとも1つを含むことができる。
誘電性フィラーは、シリコン含有コーティング、例えば有機官能性アルコキシシランカップリング剤で表面処理することができる。ジルコン酸塩またはチタン酸塩のカップリング剤を使用できる。カップリング剤は、ポリイミド組成物中のフィラーの分散を改善し、完成したポリイミド組成物の吸水性を低下させることができる。ポリイミド組成物は、同ポリイミド組成物の総体積に基づいて、10〜80vol%、または20〜60vol%、または40〜60vol%の誘電性フィラーを含むことができる。
ポリイミド組成物は、x方向およびy方向において、50ppm/℃以下、または45ppm/℃以下、または25ppm/℃以下、または20〜42ppm/℃のCTEを有し得る。本明細書で使用される場合、xおよびy方向は、ポリイミド組成物から形成された平坦な層の広い表面に平行であり、z方向は、その広い表面に垂直である。ポリイミド組成物は、150ppm/℃以下、または70〜110ppm/℃、または75ppm/℃以下のz方向におけるCTEを有し得る。
ポリイミド組成物は、10GHzの周波数で3以下の誘電率(permittivity)(しばしば誘電率(dielectric constant)と称される)を有し得る。
ポリイミド組成物は、10GHzの周波数で0.006以下の誘電損失(多くの場合、散逸率または損失正接と称される)を有し得る。ポリイミド組成物は、10GHzの周波数で0.001〜0.006、または0.005以下の誘電損失を有し得る。本明細書で使用される場合、誘電率および誘電損失は、室温、たとえば23℃で決定することができる。
ポリイミド組成物は、層の形態であり得る。層は、10ミリメートル(mm)以下、または0.1〜5mm、または1〜3mmのz方向の厚さを有し得る。層は、10mm以下、または0.05〜5mm、または0.05〜1mmのz方向厚さを有し得る。
物品はポリイミド組成物を含むことができる。物品は、ヒートシンク、接着層、銅張積層板、回路、または回路アセンブリであってもよい。物品は、特に電子デバイスに有用である。
以下の実施例は単なる例示であり、本開示に従って作られた物品またはデバイスを、本明細書に記載されている材料、条件、またはプロセスパラメータに限定することを意図していない。
CTEは、厚さ1ミル(0.0254ミリメートル)のサンプルを使用して、−125℃〜20℃の温度範囲にわたりASTM D3386−00によって決定した。
吸水率は、乾燥したサンプルを室温の水に24時間浸し、サンプルを取り出し、ペーパータオルでサンプルの表面を軽くたたいて余分な水を除去することによって決定した。浸水後の質量の差が報告されている。
実施例1および実施例2
NeXolve(アラバマ州ハンツビル(Huntsville)所在)から市販されているNOVASTRAT905のポリ(アミド酸)前駆体、平均粒子径6μmの複数のPTFE粒子、TRITON(登録商標)X−100およびDMACを含む組み合わせを形成することにより、2つのポリイミド組成物を調製した。この組み合わせは、ポリ(アミド酸)前駆体の総重量に基づいて3重量%のTRITON(登録商標)X−100と、組み合わせの総体積に基づいて、60〜80vol%のDMACと、を含んでいた。PTFE粒子に対するポリ(アミド酸)前駆体の相対量は、vol%(vol%)で表1に示されている。組み合わせをフィルムにキャストし、溶媒を蒸発させ、キャストされたフィルムを300℃に加熱してポリイミドを形成した。誘電特性と熱特性とを測定し、表1に示す。
以下に述べるのは、本開示の非限定的な態様である。
態様1:ASTM E831−06またはASTM D3386−00に従って、厚さ1ミル(0.0254ミリメートル)のサンプルを使用して、−125℃〜20℃で決定されるとき、1ppm/℃以下、または−0.5〜0.5ppm/℃の線CTEを有するポリイミド;およびフルオロポリマー;を含むポリイミド組成物であって、同ポリイミド組成物は、10GHzの周波数で5以下、または3.5以下の誘電率を有する、ポリイミド組成物。
態様2:ポリイミドが、p−フェニレンジアミンまたは2,2’−ジメチルベンジジンのうちの少なくとも1つを含むジアミンから得られる、態様1のポリイミド組成物。
態様3:ポリイミドが、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物またはピロメリット酸二無水物のうちの少なくとも1つを含む二無水物から得られる、前述の態様のいずれか1つ以上のポリイミド組成物。
態様4:シルセスキオキサンをさらに含む、前述の態様のいずれか1つ以上のポリイミド組成物。
態様5:シルセスキオキサンがポリイミドにつながれている、態様4のポリイミド組成物。
態様6:フルオロポリマーが、動的光散乱によって決定されるとき、10μm以下、または3〜8μmの平均粒子径を有する複数の粒子の形態である、前述の態様のいずれか1つ以上のポリイミド組成物。
態様7:フルオロポリマーが、ポリ(クロロトリフルオロエチレン)、ポリ(クロロトリフルオロエチレン−プロピレン)、ポリ(エチレン−テトラフルオロエチレン)、ポリ(エチレン−クロロトリフルオロエチレン)、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン−エチレン−プロピレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン−プロピレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン−ペルフルオロプロピレンビニルエーテル)、完全にフッ素化されたアルコキシ側鎖を備えたテトラフルオロエチレン骨格を有するコポリマー、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリ(フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン)、ペルフルオロポリエーテル、ペルフルオロスルホン酸、またはペルフルオロポリオキセタンのうちの少なくとも1つを含む、前述の態様のいずれか1つ以上のポリイミド組成物。
態様8:フルオロポリマーがポリ(テトラフルオロエチレン)を含む、前述の態様のいずれか1つ以上のポリイミド組成物。
態様9:ポリイミド組成物が、ポリイミドおよびフルオロポリマーの総体積に基づいてまたはポリイミド組成物の総体積に基づいて、40〜80vol%、または40〜70vol%のポリイミドを含む、前述の態様のいずれか1つ以上のポリイミド組成物。
態様10:ポリイミド組成物が、ポリイミドおよびフルオロポリマーの総体積に基づいてまたはポリイミド組成物の総体積に基づいて、20〜60vol%、または30〜60vol%のフルオロポリマーを含む、前述の態様のいずれか1つ以上のポリイミド組成物。
態様11:複数の中空マイクロスフェアまたはセラミックフィラーのうちの少なくとも1つをさらに含む、前述の態様のいずれか1つ以上のポリイミド組成物。
態様12:ポリイミド組成物が0重量パーセントのガラス布を含む、前述の態様のいずれか1つ以上のポリイミド組成物。
態様13:ポリイミド組成物が、x方向およびy方向において、ASTM D3386−00に従って決定されるとき、50以下、または45ppm/℃以下、または25ppm/℃以下、または20〜42ppm/℃のCTE;z方向において、ASTM D3386−00に従って決定されるとき、150ppm/℃以下、または70〜110ppm/℃、または75ppm/℃以下のCTE;あるいは10GHzの周波数で0.006以下の誘電損失、のうちの少なくとも1つを有する、前述の態様のいずれか1つ以上のポリイミド組成物。好ましくは、ポリイミド組成物は、10GHzの周波数で0.006以下の、または0.001〜0.006の、または0.005以下の誘電損失を有する。
態様14:前述の態様のいずれか1つ以上のポリイミド組成物を製造する方法であって、ポリ(アミド酸)、フルオロポリマー、溶媒、および任意に非イオン性界面活性剤を含む組み合わせを形成することと、同組み合わせをキャストすることと、キャストされた組み合わせを加熱して溶媒を蒸発させて、ポリアミド酸からポリイミドを形成することと、を含む、方法。
態様15:溶媒が、アセトアミド、アセトン、アセトニトリル、ジクロロメタン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、酢酸エチル、ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、またはテトラヒドロフランのうちの少なくとも1つを含む、態様14の方法。
態様16:組み合わせは、同組み合わせの総体積に基づいて50〜90vol%、または60〜80vol%の溶媒を含む、態様14〜15のいずれか1つ以上の方法。
態様17:組み合わせが、同組み合わせの総重量に基づいて、0〜5重量パーセント、または1〜4重量パーセントの非イオン性界面活性剤を含む、態様14〜16のいずれか1つ以上の方法。
態様18:前述の態様のいずれか1つ以上のポリイミド組成物を含む物品。
態様19:ポリイミド組成物が層の形態にある、態様18の物品。
態様20:層が10mm以下、または0.1〜5mm、または1〜3mmの厚さを有する、態様19の物品。
態様21:層が10mm以下、または0.05〜5mm、または0.05〜1mmの厚さを有する、態様19の物品。
態様22:態様18〜21の物品を含む電子デバイス。
組成物、方法、および物品は、代替的に、本明細書に開示される任意の適切な材料、ステップ、または構成要素を含むか、それらのみからなるか、または本質的にそれらからなることができる。組成物、方法、および物品は、追加的に、または代替的に、そうでなければ組成物、方法、および物品の機能もしくは目的の達成に必要ではない材料(または種)、ステップ、または成分を欠くように、または実質的に含まないように製剤化することができる。
「1つの(a)」および「1つの(an)」という用語は、数量の制限を示すのではなく、むしろ参照されるアイテムの少なくとも1つの存在を示す。「または(or)」という用語は、文脈によって明確に示されていない限り、「および/または(and/or)」を意味する。明細書全体にわたる「1つの態様」、「別の態様」、「いくつかの態様」などへの言及は、その態様に関連して説明された特定の要素(たとえば、特徴、構造、ステップ、または特性)が、本明細書に記載された少なくとも1つの態様に含まれ、その他の態様には存在していても、していなくてもよいことを意味する。加えて、記載された要素は、様々な態様において任意の適切な方法で組み合わされてもよいことを理解されたい。「組み合わせ(combination)」は、混合物、溶液、合金などを含む。
本明細書で特に明記しない限り、すべての試験規格は、この出願の出願日時点で有効な最新の規格、または優先権が主張されている場合、試験規格が現れる最先の優先権出願の出願日で有効な最新の規格である。
同じ成分または特性に向けられたすべての範囲のエンドポイント(endpoints)には、同エンドポイントが含まれ、独立して組み合わせ可能で、すべての中間ポイントと範囲が含まれる。たとえば、「最大25wt%、または5〜20wt%」の範囲には、10〜23wt%などの「5〜25wt%」の範囲のエンドポイントとすべての中間値が含まれる。
化合物は、標準的な命名法を使用して記述される。例えば、示された基によって置換されていない位置は、示された結合または水素原子によってその原子価が満たされると理解される。2つの文字または記号の間にないダッシュ(「−」)は、置換基の結合点を示すために使用される。たとえば、−CHOはカルボニル基の炭素を介して結合される。
別に定義されない限り、本明細書で使用される技術用語および科学用語は、本開示が属する分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。
引用されたすべての特許、特許出願、およびその他の参考文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。しかしながら、本出願の用語が組み込まれた参考文献の用語と矛盾するまたは対立する場合、本願の用語は組み込まれた参考文献の対立する用語よりも優先される。
特定の態様について説明したが、出願人または他の当業者には、現在予期されない、または現在予測することができない代替、修正、変形、改善、および実質的な均等物が生じ得る。したがって、出願され、補正される可能性のある添付の特許請求の範囲は、そのようなすべての代替、修正、変形、改善、および実質的な均等物を包含することを意図している。

Claims (20)

  1. ポリイミド組成物であって、
    厚さ1ミル(0.0254ミリメートル)のサンプルを使用して、ASTM E831−06に従って−125〜20℃で決定されるとき、摂氏温度あたり1ppm以下、または摂氏温度あたり−0.5〜0.5ppmの線熱膨張係数を有するポリイミド;および
    フルオロポリマー;
    を含み、
    前記ポリイミド組成物は、10ギガヘルツの周波数で5以下、または3.5以下の誘電率を有する、ポリイミド組成物。
  2. 前記ポリイミドが、p−フェニレンジアミンまたは2,2’−ジメチルベンジジンのうちの少なくとも1つを含むジアミンから得られる、請求項1に記載のポリイミド組成物。
  3. 前記ポリイミドが、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物またはピロメリット酸二無水物のうちの少なくとも1つを含む二無水物から得られる、請求項1または2に記載のポリイミド組成物。
  4. シルセスキオキサンをさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載のポリイミド組成物。
  5. シルセスキオキサンがポリイミドにつながれている、請求項4に記載のポリイミド組成物。
  6. 前記フルオロポリマーが、動的光散乱により決定されるとき、10マイクロメートル以下、または3〜8マイクロメートルの平均粒子径を有する複数の粒子の形態である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のポリイミド組成物。
  7. 前記フルオロポリマーが、ポリ(クロロトリフルオロエチレン)、ポリ(クロロトリフルオロエチレン−プロピレン)、ポリ(エチレン−テトラフルオロエチレン)、ポリ(エチレン−クロロトリフルオロエチレン)、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン−エチレン−プロピレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン−プロピレン)、ポリ(テトラフルオロエチレン−ペルフルオロプロピレンビニルエーテル)、完全にフッ素化されたアルコキシ側鎖を備えたテトラフルオロエチレン骨格を有するコポリマー、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリ(フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン)、ペルフルオロポリエーテル、ペルフルオロスルホン酸、またはペルフルオロポリオキセタンのうちの少なくとも1つを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載のポリイミド組成物。
  8. 前記フルオロポリマーがポリ(テトラフルオロエチレン)を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載のポリイミド組成物。
  9. 前記ポリイミド組成物が、ポリイミドおよびフルオロポリマーの総体積に基づいて、40〜80体積パーセント、または40〜70体積パーセントのポリイミドを含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載のポリイミド組成物。
  10. 前記ポリイミド組成物が、ポリイミドおよびフルオロポリマーの総体積に基づいて20〜60体積パーセント、または30〜60体積パーセントのフルオロポリマーを含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載のポリイミド組成物。
  11. 複数の中空マイクロスフェアまたはセラミックフィラーのうちの少なくとも一方をさらに含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載のポリイミド組成物。
  12. ポリイミド組成物が0重量パーセントのガラス布を含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載のポリイミド組成物。
  13. 前記ポリイミド組成物が、
    x方向およびy方向において、ASTM D3386−00に従って決定されるとき、摂氏温度当たり50ppm以下、または摂氏温度当たり45ppm以下、または摂氏温度当たり25ppm以下、または摂氏温度当たり20〜42ppmの熱膨張係数;
    z方向において、ASTM D3386−00に従って決定されるとき、摂氏温度当たり150ppm以下、または摂氏温度当たり70〜110ppm、または摂氏温度当たり75ppm以下の熱膨張係数;または
    10ギガヘルツの周波数で0.006以下の誘電損失;
    のうちの少なくとも1つを有する、請求項1〜12のいずれか一項に記載のポリイミド組成物。
  14. 請求項1〜13のいずれか一項に記載のポリイミド組成物を製造する方法であって、前記方法は、
    ポリ(アミド酸)、フルオロポリマー、溶媒、および任意の非イオン性界面活性剤を含む組み合わせを形成することと、
    前記組み合わせをキャストすることと、
    キャストされた組み合わせを加熱して溶媒を蒸発させて、ポリアミド酸からポリイミドを形成することと、
    を含む方法。
  15. 前記溶媒が、アセトアミド、アセトン、アセトニトリル、ジクロロメタン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、酢酸エチル、ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、またはテトラヒドロフランのうちの少なくとも1つを含む、請求項14に記載の方法。
  16. 前記組み合わせが、同組み合わせの総体積に基づいて、50〜90体積パーセント、または60〜80体積パーセントの溶媒を含む、請求項14〜15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記組み合わせが、同組み合わせの総重量に基づいて、0〜5重量パーセント、または1〜4重量パーセントの非イオン性界面活性剤を含む、請求項14〜16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 請求項1〜17のいずれか一項に記載のポリイミド組成物を含む物品。
  19. 前記ポリイミド組成物が層の形態である、請求項18に記載の物品。
  20. 前記層が、10ミリメートル以下、または0.1〜5ミリメートル、または1〜3ミリメートル、または0.05〜5ミリメートル、または0.05〜1ミリメートルの厚さを有する、請求項19に記載の物品。
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