TWI738513B - 改性雙馬來醯亞胺樹脂、其製備方法、預浸材、銅箔基板及電路板 - Google Patents
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Abstract
本發明公開一種改性雙馬來醯亞胺樹脂、其製備方法、預浸材、銅箔基板及電路板,其中改性雙馬來醯亞胺樹脂是由一具有非極性骨幹結構的雙胺類化合物與馬來酸酐反應而成,分子結構中含有更多的非極性和疏水性基團。與一般雙馬來醯亞胺樹脂相比,本發明的改性雙馬來醯亞胺樹脂在特性上更能滿足實際應用的需求。
Description
本發明涉及一種雙馬來醯亞胺樹脂,特別是涉及一種綜合性能更優異的改性雙馬來醯亞胺樹脂、其製備方法及其應用,例如預浸材、銅箔基板及電路板。
近年來,隨著電子產品的發展趨勢朝向多功能化和小型化,對電路板各方面的要求也越來越高,於是電路板逐漸走向多層化、佈線高密度化及訊號傳輸高速化。眾所周知,高分子材料的介電特性如介電常數(Dk)和介電損耗(Df)是影響訊號傳輸速度及訊號質量的重要指標;對於傳輸速度而言,高分子材料的介電常數值越低,則訊號的傳輸速度越快;對於訊號完整性而言,高分子材料的介電損耗值越低,訊號在傳輸過程中的損失越少。在特定的應用場合(如高頻印刷電路板),高分子材料需要具有很低的介電常數(Dk)和介電損耗(Df),除此之外,也需要具有高耐熱性、良好的成型工藝性以及優異的綜合力學性能與耐環境老化性能。
銅箔基板(copper clad laminate,CCL)為印刷電路板主要原料,其組成包括熱塑性樹脂、補強材及銅箔等。熱塑性樹脂如聚醯亞胺(PI)、聚苯醚、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、超高分子量聚乙烯、聚苯硫醚、聚醚酮等,雖然具有優異的介電性能和不錯的韌性,但是這些樹脂的成型工藝性和溶劑溶解性都較差,且因為熔點高、熔體黏度較大及對纖維的黏接性不好而不利於加工,限制了他們的應用範圍。另外,環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯等因為耐熱性和耐濕熱性較差、介電損耗較高等原因,也難以滿足一些特殊應用場合的要求。
雙馬來醯亞胺(BMI)由於結構緻密剛強,具備優異物理特性,包括熱穩定性佳、機械性質強、高玻璃轉移溫度(Tg)及高的堅硬度(toughness)等,常被使用於銅箔基板。然而,一般結構的雙馬來醯亞胺樹脂本身很脆且韌性很低,導致加工性不佳;此外,一般結構的雙馬來醯亞胺樹脂更因為溶劑溶解性偏低、介電常數偏高而難以應用。
為了提高應用性,BMI必須經過改性。BMI的改性途徑較多,有芳香族二元胺和環氧樹脂改性BMI、熱塑性樹脂改性BMI、橡膠改性BMI、含硫化合物改性BMI、烯丙基化合物改性BMI、幾種不同結構的BMI共混改性、鏈延長型BMI以及合成新型BMI等。經過改性的BMI儘管能改善某種特定的特性,但是經常無法兼顧特定應用所需的不同特性;例如,經過改性的BMI在韌性上有所提高,卻無法降低介電常數和介電損耗。
本發明所要解決的技術問題在於,針對現有技術的不足提供一種改性雙馬來醯亞胺樹脂及其製備方法,此種改性雙馬來醯亞胺樹脂具有更優異的綜合性能,從而更能滿足實際應用的需求。本發明還提供了此種改性雙馬來醯亞胺樹脂的應用,包括預浸材、銅箔基板及電路板。
為了解決上述的技術問題,本發明所採用的其中一技術方案是提供一種改性雙馬來醯亞胺樹脂,其具有式(1)所示的結構:
在式(1)中,X和Y各自獨立表示式(2)或式(3)所示的基團,Z表示式(4)、式(5)或式(6)所示的基團,且n為1至20的正整數;
其中,R
1在式(2)中和R
4在式(3)中各自獨立表示苯甲基或具有1至10個碳原子的烷基,且R
2和R
3在式(2)中以及R
5和R
6在式(3)中各自獨立表示氫原子或具有1至10個碳原子的烷基。
| 式(1) |
| 式(2) | |
| 式(3) | |
| 式(4) | |
| 式(5) | |
| 式(6) |
在本發明的一實施例中,所述改性雙馬來醯亞胺樹脂在10 GHz下的介電常數(Dk)小於2.6,且介電損耗(Df)小於0.003。
在本發明的一實施例中,所述改性雙馬來醯亞胺樹脂的吸水率為0.1%至0.3%。
在本發明的一實施例中,所述改性雙馬來醯亞胺樹脂在丙酮中的溶解度為42%,且在丁酮中的溶解度為40%。
在本發明的一實施例中,還提供一種預浸材,其是將一包含具有式(1)所示結構的改性雙馬來醯亞胺樹脂的樹脂材料施加於一基材上,並將所述樹脂材料乾燥而形成。
在本發明的一實施例中,還提供一種銅箔基板,其包括使用具有式(1)所示結構的改性雙馬來醯亞胺樹脂的預浸材以及一附著於所述預浸材上的銅箔層。
在本發明的一實施例中,還提供一種電路板,其是將所述銅箔基板的所述銅箔層圖案化成線路而形成。
為了解決上述的技術問題,本發明所採用的另外一技術方案是提供一種具有式(1)所示結構的改性雙馬來醯亞胺樹脂的製備方法,其包括:提供一反應器;將一反應溶液置入所述反應器,其中所述反應溶液包含一雙胺類化合物、馬來酸酐以及一溶劑,且所述雙胺類化合物與馬來酸酐的莫耳比為1:2-20;以及將一觸媒加入到所述反應溶液中,使所述雙胺類化合物與馬來酸酐進行一合成反應。
在本發明的一實施例中,所述合成反應是在40至200
oC的溫度下進行1至8小時。
在本發明的一實施例中,所述溶劑為丙酮、甲苯、N,N-二甲基甲醯胺(DMF)或甲基異丁酮(MIBK),且所述觸媒包含醋酸鈉、醋酸酐以及三乙胺。
相較於一般雙馬來醯亞胺樹脂,本發明的改性雙馬來醯亞胺樹脂具有以下有益特性:改性雙馬來醯亞胺樹脂的分子結構中含有更多的非極性和疏水性基團,因此可以改善脆性、提高韌性及提高溶劑溶解性;實際應用時,改性雙馬來醯亞胺樹脂在丙酮中的溶解度為42%,且在丁酮中的溶解度為40%。此外,改性雙馬來醯亞胺樹脂在電場中不易受到極化,具有低介電特性;實際應用時,改性雙馬來醯亞胺樹脂在10 GHz下的介電常數(Dk)小於2.6,且介電損耗(Df)小於0.003。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容,請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式,然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明,並非用來對本發明加以限制。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“改性雙馬來醯亞胺樹脂、其製備方法、預浸材、銅箔基板及電路板”的實施方式,本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用,本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用,在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外,本發明的附圖僅為簡單示意說明,並非依實際尺寸的描繪,事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容,但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外,本文中所使用的術語“或”,應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
為了改善雙馬來醯亞胺樹脂的特性,使其更能滿足實際應用的需求,本發明對馬來醯亞胺樹脂進行改性。進一步而言,本發明使用一具有非極性骨幹的雙胺類化合物來與馬來酸酐進行合成反應,所得到的改性雙馬來醯亞胺樹脂具有式(1)所示的結構:
在式(1)中,X和Y各自獨立表示式(2)或式(3)所示的基團,Z表示式(4)、式(5)或式(6)所示的基團,且n為1至20的正整數;
R
1在式(2)中和R
4在式(3)中各自獨立表示苯甲基或具有1至10個碳原子的烷基,且R
2和R
3在式(2)中以及R
5和R
6在式(3)中各自獨立表示氫原子或具有1至10個碳原子的烷基。
| 式(1) |
| 式(2) | |
| 式(3) | |
| 式(4) | |
| 式(5) | |
| 式(6) |
值得一提的是,本發明的改性雙馬來醯亞胺樹脂為線性聚合物,且分子結構中含有更多的非極性和疏水性基團,因此在一些特性上可以得到改善,例如脆性、韌性、溶劑溶解性、電氣特性及吸水性等。經實驗證實,改性雙馬來醯亞胺樹脂在丙酮中的溶解度為42%,且在丁酮中的溶解度為40%;又,改性雙馬來醯亞胺樹脂在10 GHz下的介電常數(Dk)小於2.6,且介電損耗(Df)小於0.003;另外,改性雙馬來醯亞胺樹脂的吸水率為0.1%至0.3%。
參閱圖1所示,本發明的改性雙馬來醯亞胺樹脂是由以下步驟製備得到的:步驟S1,提供一反應器;步驟S2,將一反應溶液置入反應器,其中反應溶液包含一具有非極性骨幹結構的雙胺類化合物與馬來酸酐;以及步驟S3,將一觸媒加入到反應溶液中,使雙胺類化合物與馬來酸酐進行一合成反應。
進一步而言,反應器內部可設有一攪拌混合器,用以攪拌反應溶液,使反應溶液中所含的成分均勻混合在一起。配置反應溶液時,可將雙胺類化合物與馬來酸酐溶於一溶劑中,且優選為一極性非質子溶液,例如丙酮、甲苯、N,N-二甲基甲醯胺(DMF)或甲基異丁酮(MIBK)。優選地,反應溶液中雙胺類化合物與馬來酸酐的莫耳比為1:2-20,雙胺類化合物具有式(7)、式(8)、式(9)、式(10)或式(11)所示的結構。
| 式(7) | |
| 式(8) | |
| 式(9) | |
| 式(10) | |
| 式(11)。 |
步驟S3中,所添加的觸媒包含醋酸鈉、醋酸酐及三乙胺,而雙胺類化合物與馬來酸酐是在觸媒的作用下進行麥克加成(Michael Addition)反應,反應條件包括:常壓、40至200
oC的反應溫度及1至8小時的反應時間;大約在反應1至3小時後,反應溶液中會先生成有雙馬來醯亞胺酸,再繼續反應1至5小時,反應溶液中的雙馬來醯亞胺酸就會形成雙馬來醯亞胺樹脂。實際應用時,可在反應前向反應器通入氮氣,以去除反應器內的空氣和水氣;另外,可在反應中使用脫水劑去除生成的水,以提高反應轉化率,脫水劑可為對甲苯磺酸鹽類。然而,以上所述只是可行的實施方式,而並非用以限定本發明。
反應完成後,可使用一弱鹼溶液(如碳酸氫鈉水溶液)將反應溶液中和,然後再使用一醇類將樹脂顆粒或溶液析出,析出後的反應溶液經過濾及真空乾燥後即得到雙馬來醯亞胺樹脂的粉狀固體產物。
實驗例1
取164g的具有式(7)所示結構的雙胺類化合物(下稱雙胺類化合物A)及9.8g的馬來酸酐溶於500ml的甲苯中,用於配製反應溶液,其中雙胺類化合物A與馬來酸酐的莫耳比為4:1。將反應溶液置入內部設有攪拌混合器的1000ml四頸圓底反應燒瓶,然後向反應燒瓶通入氮氣以去除空氣及水氣。在常壓下,啟動攪拌混合器並將轉速設定在300 rpm,雙胺類化合物A以分次投入的方式於半小時內投料完畢。
將反應溫度升高到60
oC,使反應溶液中的所有固體溶解,此時反應溶液呈黃褐色;然後加入4g的醋酸鈉、140ml的醋酸酐及28ml的三乙胺到反應溶液中作為觸媒。將反應溫度進一步升高到90
oC,使雙胺類化合物A與馬來酸酐在反應溶液中發生合成反應,反應時間為8小時,結束後反應溶液的外觀從原本清澈的黃褐色變成黏綢的深褐色。從反應溶液中析出深褐色的樹脂粉末,再去除其中未反應單體及殘留酸等不純物後,即得高純度的深褐色雙馬來醯亞胺樹脂粉末(簡稱BMI-A樹脂)。使用BMI-A樹脂製成銅箔基板進行物性測試,結果如表1所示。
實驗例2
取147g的具有式(8)所示結構的雙胺類化合物(下稱雙胺類化合物B)及9.7g的馬來酸酐溶於500ml的N,N-二甲基甲醯胺(DMF)中,用於配製反應溶液,其中雙胺類化合物B與馬來酸酐的莫耳比為4:1。將反應溶液置入內部設有攪拌混合器的1000ml四頸圓底反應燒瓶,然後向對反應燒瓶通入氮氣以去除空氣及水氣。在常壓下,啟動攪拌混合器並將轉速設定在300 rpm,雙胺類化合物B以分次投入的方式於半小時內將投料完畢。
將反應溫度升高到60
oC,使反應溶液中的所有固體溶解,此時反應溶液呈黃褐色,然後加入6g的醋酸鈉、150ml的醋酸酐及30ml的三乙胺到反應溶液中作為觸媒。將反應溫度進一步升高到90
oC,使雙胺類化合物B與馬來酸酐在反應溶液中發生合成反應,反應時間為8小時,結束後反應溶液的外觀從原本清澈的黃褐色變成黏綢的深褐色。從反應溶液中析出深褐色的樹脂粉末,再去除其中未反應單體及殘留酸等不純物後,即得到高純度的深褐色雙馬來醯亞胺樹脂粉末(簡稱BMI-B樹脂)。使用BMI-B樹脂製成銅箔基板進行物性測試,結果如表1所示。
實驗例3
取184g的具有式(9)所示結構的雙胺類化合物(下稱雙胺類化合物C)及12.38g的馬來酸酐溶於450ml的甲基異丁酮(MIBK)中,用於配製反應溶液,其中雙胺類化合物C與馬來酸酐的莫耳比為4:1。將反應溶液置入內部設有攪拌混合器的1000ml四頸圓底反應燒瓶,然後向對反應燒瓶通入氮氣以去除空氣及水氣。在常壓下,啟動攪拌混合器並將轉速設定在300 rpm,雙胺類化合物C以分次投入的方式於半小時內將投料完畢。
將反應溫度升高到60
oC,使反應溶液中的所有固體溶解,此時反應溶液呈黃褐色,然後加入5g的醋酸鈉、175ml的醋酸酐及35ml的三乙胺到反應溶液中作為觸媒。將反應溫度進一步升高到90
oC,使雙胺類化合物C與馬來酸酐在反應溶液中發生合成反應,反應時間為9小時,結束後反應溶液的外觀從原本清澈的黃褐色變成黏綢的紅褐色。從反應溶液中析出紅褐色的樹脂粉末,再去除其中未反應單體及殘留酸等不純物後,即得到高純度的紅褐色雙馬來醯亞胺樹脂粉末(簡稱BMI-C樹脂)。使用BMI-C樹脂製成銅箔基板進行物性測試,結果如表1所示。
實驗例4
取184g的具有式(10)所示結構的雙胺類化合物(下稱雙胺類化合物D)及15.54g的馬來酸酐溶於300ml的丙酮中,用於配製反應溶液,其中雙胺類化合物D與馬來酸酐的莫耳比為4:1。將反應溶液置入內部設有攪拌混合器的1000ml四頸圓底反應燒瓶,然後向對反應燒瓶通入氮氣以去除空氣及水氣。在常壓下,啟動攪拌混合器並將轉速設定在300 rpm,雙胺類化合物D以分次投入的方式於半小時內將投料完畢。
將反應溫度升高到60
oC,使反應溶液中的所有固體溶解,此時反應溶液呈黃褐色,然後加入4g的醋酸鈉、140ml的醋酸酐及28ml的三乙胺到反應溶液中作為觸媒。將反應溫度進一步升高到90
oC,使雙胺類化合物D與馬來酸酐在反應溶液中發生合成反應,反應時間為12小時,結束後反應溶液的外觀從原本清澈的黃褐色變成黏綢的紅褐色。從反應溶液中析出紅褐色的樹脂粉末,再去除其中未反應單體及殘留酸等不純物後,即得到高純度的紅褐色雙馬來醯亞胺樹脂粉末(簡稱BMI-D樹脂)。使用BMI-D樹脂製成銅箔基板進行物性測試,結果如表1所示。
實驗例5
取184g的具有式(11)所示結構的雙胺類化合物(下稱雙胺類化合物E)及17.47g的馬來酸酐溶於430ml的N,N-二甲基甲醯胺(DMF)中,用於配製反應溶液,其中雙胺類化合物E與馬來酸酐的莫耳比為4:1。將反應溶液置入內部設有攪拌混合器的1000ml四頸圓底反應燒瓶,然後向對反應燒瓶通入氮氣以去除空氣及水氣。在常壓下,啟動攪拌混合器並將轉速設定在300 rpm,雙胺類化合物E以分次投入的方式於半小時內將投料完畢。
將反應溫度升高到60
oC,使反應溶液中的所有固體溶解,此時反應溶液呈黃褐色,然後加入4g的醋酸鈉、140ml的醋酸酐及28ml的三乙胺到反應溶液中作為觸媒。將反應溫度進一步升高到90
oC,使雙胺類化合物E與馬來酸酐在反應溶液中發生合成反應,反應時間為10小時,結束後反應溶液的外觀從原本清澈的黃褐色變成黏綢的淺黃色。進行析出純化工藝,從反應溶液中析出淺黃色的樹脂粉末,再去除其中未反應單體及殘留酸等不純物後,即得到高純度的淺黃色雙馬來醯亞胺樹脂粉末(簡稱BMI-E樹脂)。使用BMI-E樹脂製成銅箔基板進行物性測試,結果如表1所示。
比較例
使用市售的雙馬來醯亞胺樹脂(商品名:BMI-5100,大和化成工業公司製)製成銅箔基板進行物性測試,結果如表1所示。
表1
| 實驗例1 (BMI-A) | 實驗例2 (BMI-B) | 實驗例3 (BMI-C) | 實驗例4 (BMI-D) | 實驗例5 (BMI-E) | 比較例 (BMI-5100) | |
| Tg ( oC) | 215 | 255 | 274 | 204 | 213 | 225 |
| Dk(10GHz) | 2.55 | 2.58 | 2.81 | 2.54 | 2.38 | 2.65 |
| Df(10GHz) | 0.0027 | 0.0035 | 0.0031 | 0.0039 | 0.004 | 0.0041 |
| 溶劑溶解性 | 60% | 65% | 70% | 40% | 40% | 30% |
| 成品外觀 | 深褐色 | 深褐色 | 紅褐色 | 紅褐色 | 淺黃色 |
表1中,玻璃轉移溫度(Tg)是使用示差掃瞄熱分析儀(DSC,型號TA2100)測試得到;介電常數(Dk)和損耗因子(Df)是使用阻抗/材料分析儀(HP Agilent E4991A)在10 GHz的頻率下測試得到;溶劑溶解性是使用丙酮測試得到,以重量百分比表示。
參閱圖2及圖3所示,本發明的改性雙馬來醯亞胺樹脂可用於製作一預浸材1(Prepreg);進一步而言,可通過適當方式將一包含改性雙馬來醯亞胺樹脂的樹脂材料12施加於一基材11(如絕緣紙、玻璃纖維布或其他纖維材料)上,然後將樹脂材料12烘乾至半固化狀態。實際應用時,樹脂材料12可為一樹脂清漆,而施加樹脂材料12的方式可為塗佈或含浸。
參閱圖4所示,上面提到的預浸材1可用於製作一銅箔基板C。進一步而言,可在一或數個預浸材1的一側或兩側層疊銅箔層2,然後進行熱壓合,熱壓合的條件(如溫度、壓力等)可根據樹脂材料12的組成做調整。
參閱圖5所示,上面提到銅箔基板C可用於製作一電路板P。進一步而言,電路板P是將銅箔基板C的銅箔層2圖案化成線路而形成,即銅箔層2經圖案化而形成線路層2’;圖案化的方式可以是微影蝕刻,但不限於此。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例,並非因此侷限本發明的申請專利範圍,所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化,均包含於本發明的申請專利範圍內。
1:預浸材
11:基材
12:樹脂材料
2:銅箔層
2’:線路層
C:銅箔基板
P:印刷電路板
S1至S3:製造方法步驟
圖1為本發明的改性雙馬來醯亞胺樹脂的製備方法的流程圖。
圖2為本發明的預浸材的製造過程示意圖。
圖3為本發明的預浸材的結構示意圖。
圖4為本發明的金屬積層板的製造過程示意圖。
圖5為本發明的電路板的結構示意圖。
S1至S3:製備方法步驟
Claims (11)
- 如請求項1所述的改性雙馬來醯亞胺樹脂,其中,所述改性雙馬來醯亞胺樹脂在10 GHz下的介電常數(Dk)小於2.6,且介電損耗(Df)小於0.003。
- 如請求項1所述的改性雙馬來醯亞胺樹脂,其中,所述改性雙馬來醯亞胺樹脂的吸水率為0.1%至0.3%。
- 如請求項1所述的改性雙馬來醯亞胺樹脂,其中,所述改性雙馬來醯亞胺樹脂在丙酮中的溶解度為42%,且在丁酮中的溶解度為40%。
- 一種預浸材,其是將包含如請求項1所述的改性雙馬來醯亞胺樹脂的一樹脂材料施加於一基材上,並將所述樹脂材料烘乾而形成。
- 一種銅箔基板,其包括如請求項5所述的預浸材以及一附著於所述預浸材上的銅箔層。
- 一種電路板,其是將如請求項6所述的銅箔基板的所述銅箔層圖案化成線路而形成。
- 一種如請求項1所述的改性雙馬來醯亞胺樹脂的製備方法,其包括: 提供一反應器; 將一反應溶液置入所述反應器,其中所述反應溶液包含一雙胺類化合物、馬來酸酐以及一溶劑,且所述雙胺類化合物與馬來酸酐的莫耳比為1:2-20;以及 將一觸媒加入到所述反應溶液中,使所述雙胺類化合物與馬來酸酐進行一合成反應。
- 如請求項8所述的改性雙馬來醯亞胺樹脂的製備方法,其中,所述合成反應是在40至200 oC的溫度下進行1至8小時。
- 如請求項8所述的改性雙馬來醯亞胺樹脂的製備方法,其中,所述溶劑為丙酮、甲苯、N,N-二甲基甲醯胺(DMF)或甲基異丁酮(MIBK),且所述觸媒包含醋酸鈉、醋酸酐以及三乙胺。
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