• 沒有找到結果。

電子用之新型環氧樹脂與新型BT樹脂共交聯材料之研究

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "電子用之新型環氧樹脂與新型BT樹脂共交聯材料之研究"

Copied!
183
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

國 立 交 通 大 學

應 用 化 學 研 究 所

博 士 論 文

電子用新型環氧樹脂與 BT 樹脂共交聯材料之研究

Co-cured Materials Based on Novel Epoxies and

Novel BT Resins for Electronic Application

生:王明偉

指導教授:林木獅 博士

中華民國 九十六 年 七 月

(2)

i

電子用新型環氧樹脂與 BT 樹脂共交聯材料之研究

學生:王明偉 指導教授:林木獅 國立交通大學應用化學學系﹙研究所﹚博士班 摘 要 在這本篇論文研究中,我們發展出新型含矽氧烷及亞醯胺基環氧樹脂和氰酸 酯化合物。在第Ⅰ章中我們成功合成含矽氧烷、亞醯胺四官能基環氧樹脂,這項 設計主要目的是希望藉此改善傳統環氧樹脂之機械性、熱穩定性及尺寸安定性。 在第 II 章中,我們將有機-無機混成材料-POSS 導入商用環氧樹脂,藉著 POSS 的高度自由體積及其他特性降低介電常數。 另外,商業上 BT 樹脂是由氰酸脂及 BMI 所混成,他可以提供良好的機械強 度及電氣性質,因此廣泛的被應用於封裝產業。然而,商業用 BT 樹脂存在著不 易硬化、加工困難及介電常數較高等問題;因此,在本論文中第 III,IV 和 V 章主要的研究目標在於利用分子結構設計將低介電常數之官能基如 siloxane, imide 等,設計為高分子主鏈。另外為增加與 BT 樹脂中 BMI 交聯性及反應性吾 人將 allyl C=C 鍵結併入合成新穎的氰酸脂樹脂。吾人利用這種新型含矽氧烷 亞醯胺、乙烯基氰酸脂與等當量 BMI 混合形成新型的 BT 樹脂。然後該新穎的 BT 樹脂在與不同當量的商用環氧樹脂共交聯反應,藉以改善商用環氧樹脂的物性及 電氣性質。

(3)

ii

為了更進一步了解氰酸脂/環氧樹脂最佳應用及共交聯行為過程,在第 III

章中我們利用 FT-IR 觀察交聯過程中官能基變化。而在第 III, IV, and V.章中

我們利用 DSC、TGA、TMA、Gel fraction 測試材料的各種物性,在第 V 章,利用 新穎的 BT 樹脂與商業用環氧樹脂摻混,並進一步與新型的含矽氧烷亞醯胺基環 氧樹脂形成新型的共交聯材料,以改善傳統環氧樹脂缺點,使得這類共交聯材料 達到多數微電子製程應用上的要求。最後在第 VI 章中吾人利用 FT-IR 觀測氰酸 脂、BMI、環氧樹脂三成分間交聯硬化動力學參數之研究,分別探討氰酸脂/BMI、 氰酸脂/環氧樹脂、氰酸脂/BMI/環氧樹脂各成分系統間官能基的變化,發現其中 氰酸脂之反應機構與文獻上發表大致相同,且其中在三個系統中反應級數 n 值極 為相近,趨近於 2。其中自催化反應常數 k2 大約為非催化反應常數 k1 大 10 倍; 在活化能測試上,自催化活化能 E2 及未催化活化能 E1 皆可以得到,且 E2、E1 隨成分增加而逐漸升高,可能是因為多成分共交聯間會有較小的凝膠分率所致。

(4)

iii

Co-cured Materials Based on Novel Epoxies and Novel BT

Resins for Electronic Application

student:Ming-Wei Wang Advisors:Dr. Mu-Shih Lin

Department of Applied Chemistry

College of Science

National Chiao Tung University

ABSTRACT

In this study novel materials based on epoxy and cyanate ester containing

siloxane and imide groups were investiged.Chapter I dealed with siloxane- and

imide-containing tetrafunctional epoxy, which was designed mainly to improve

mechanical performance , thermal stability and dimensional stability. In chapter II,

incorporating POSS moiety into epoxy resin resulted in reduction of dielectric

constant with sacrifice of some other properties. BT resin, ie., blend of cyanate ester

and bismaleimide (BMI), possesses good mechanical strength and is currently used in

packaging material. However, lack of resin curing and dielectric constant are

drawbacks of the commercial BT resin. Therefore, focus on the improvement of resin

curing, dielectric constant and mechanical performance was the important goal in

(5)

iv

a cyanate ester. This cyanate ester was blended with equivalent amounts of modified

BMI to form a novel BT resin. Materials are then prepared by co-curing this novel BT

resin with different epoxies to improve the resin curing and material performances.

For better understanding of optimal application, curing behavior was studied in

chapter III. Properties of the co-cured materials were studied in chapters III, IV, and V.

In chapter V, co-cured materials were also prepared by blending the novel BT resin

with commercial epoxy to form part A resin, which then, further co-cured with

different amounts of a novel epoxy containing siloxane and imide. This co-cured

material possessed most of the properties required for microelectronic application.

Study of curing kinetics is given in chapter VI. In kinetic studies of the three

components system (cyanate ester/ BMI/epoxy), functional group changes basically

were the combination of the two systems ( cyanate ester/epoxy and cyanate

ester/BMI). There was no new chemical bonding found between the two net

works( cyanate ester/epoxy and cyanate ester/BMI). Kinetic parameters found

indicated very similar to one another among the three different systems. The rate

constant of catalytic reaction (k2) was approximately 10 times higher than that of

non-catalytic reaction (k1). Increased activation energies for both catalyzed (E2) and

non-catalyzed (E1) reactions were observed, compared with those of the component

(6)

v

誌 謝

「人因夢想而偉大」這句話從專科時代一直深放在自己內 心裡,每當深夜燈火闌珊、四下靜寂之時,總會想起這句經典名句。 到底夢想些什麼?該如何去圓夢?這二十年多年來,隨著成長的歷練而 不段的重複上演著。 十三年前碩士班時期,在恩師林木獅老師的指導下,踏入探索高 分子科學行列,從最簡單的實驗態度乃至影響實驗結果之過程,林博 士莫不千百般的叮嚀、指導,並從旁協助,如同幼童習車般,先以扶 持,俟平穩後,放手令其穩健行駛。在老師諄諄教誨下得以一窺高分 子化學之美及材料物性科學之奧秘。退伍後,初入社會的年輕小夥 子,有幸踏入國內傳統產業龍頭-台塑企業,從基層做起一直至小主 管,從中確實學習台塑企業的「知福、惜福、造福」理念,徹底自內 心審視人生及未來;然社會治安驟變,適時發生舉目震驚之聳動治安 案件,在夢想的驅使下,個人又做出另一項重大決定,就是投身警界, 貢獻一己之長。 在中央警察大學學習相關刑事技能及鑑識科學的同時,欣聞恩師 林木獅博士告知碩士班時期之論文發表於國際期刊,此時,心中盪漾 著莫名的感動與驕傲,深覺高分子科學領域與生活科學密不可分,在 恩師林木獅博士鼓勵下及警大指導老師駱宜安教師支持下,於 89 年

(7)

vi 再度重回母校-交大,再度投入探索高分子科學奧秘的行列。 在博士班求學二千五百多個日子裡,不斷周旋於學校、家庭與工 作職場三者之間,其中內心及體力上的煎熬,一直不斷的打擊著自 我,也曾幾何時興起乾脆休學的念頭!然在這七年來的過程中,幸而 不時有貴人、長官的提攜、同學及朋友的安慰、家人的鼓勵,在親情 及友情的支持下渡過重重難關,步入更重要的人生階段。 如今論文即將付梓,能夠成功的完成這篇論文對我的人生有著非 比尋常重大意義,特別感謝這幾年來恩師林木獅博士在論文、實驗上 的指導,甚而廢寢忘食、焚膏繼晷地幫明偉修改論文並翻譯成英文發 表於國際高分子期刊上,與國際科學同步。另感謝警察局歷任局長包 括葉局長坤福、林局長德華、周局長壽松、黃局長宗仁、吳主秘資照、 及刑警大隊林大隊長宏儒、交通隊黃隊長奇謀、少年隊林組長文輝、 及鑑識課蔡股長多賀的支持、鼓勵與提攜,讓明偉得以排除萬難在公 餘之際前往學校進修及做實驗;感謝歷屆的學、弟妹慧貞、志浩、婉 婷、小施、仁鴻、張董、小高在論文及實驗上的協助,中山科學院周 博士進益在材料測試上的幫忙,謝謝大家。 最後,感謝含辛茹苦養育我多年的父、母親,不斷鼓勵我追求新 知,也時時給我勉勵、照護,讓我有強健的體魄可以克服長期實驗上 及工作上的辛勞;感謝大哥-明輝每年幫我申報所得稅,讓我可以得

(8)

vii 知節稅之道、大姊-嘉惠、二姐-雅瑩,教導我投資理財觀念、小弟-建富,沒有你我就不可能會踏進警界,也不會有機會完成博士學位; 也感謝我的愛妻-惠玲,為我生下這麼既美麗、可愛又貼心,調皮又 搗蛋的一對女兒宥蓁、宥萱,另外,更感謝我的泰山大人及丈母娘幫 我照顧二位小寶貝,讓我得以無後顧之憂,全心全力於工作、學業上 努力。要感謝的人實在太多太多,今天明偉的成功皆來自於各位貴人 的協助。在此,特別向各位說聲感恩,大家對明偉的幫助,吾將永銘 在心。

謝謝你們!!!

(9)

vii

錄

中文提要 ……… i 英文提要 ……… iii 誌謝 ……… v 目錄 ……… vii 表目錄 ……… xiii 圖目錄 ……… xvi 前言……… 2 一、 含矽氧烷亞醯胺四官能基環氧樹脂之合成、物性及硬化行 為研究……… 5 1.1 摘要……… 6 1.2 簡介……… 6 1.3 實驗部分……… 7 1.3.1 化學藥品……… 7 1.3.2 實驗儀器……… 8 1.4 藥品合成……… 8 1.5 共交聯材料製備……… 10 1.6 結果與討論……… 11 1.6.1 化合物結構鑑定……… 12 1.6.2 動態 DSC 測試……… 18 1.6.3 硬化反應動力學探討……… 19 1.6.4 硬化反應過程中官能基變化……… 22 1.6.5 凝膠分率測試……… 23

(10)

viii 1.6.6 熱膨脹係數測定……… 24 1.6.7 熱安定性探討……… 26 1.6.8 動態機械性質分析……… 28 1.6.9 介電常數測試……… 31 1.7 結論……… 32 1.8 參考文獻……… 33 二、 低介電常數含 POSS 環氧樹脂以含 POSS 硬化劑及含矽氧烷 亞醯胺硬化劑硬化之物性探討研究……… 34 2.1 摘要……… 35 2.2 簡介……… 35 2.3 實驗部分……… 36 2.3.1 化學藥品……… 36 2.3.2 樣品製備……… 37 2.3.3 實驗儀器……… 38 2.4 結果與討論……… 38 2.4.1 動態 DSC 測試……… 41 2.4.2 硬化反應過程中官能基變化……… 42 2.4.3 凝膠分率測試……… 43 2.4.4 玻璃轉移溫度測試……… 44 2.4.5 熱膨脹係數測定……… 45 2.4.6 熱安定性測試……… 46 2.4.7 介電常數測定……… 47 2.5 結論……… 48

(11)

ix 2.6 參考文獻……… 49 三、 含矽氧烷亞醯胺及乙烯基氰酸脂與環氧樹合成共交聯材料 之物性及硬化行為研究……… 51 3.1 摘要……… 52 3.2 簡介……… 53 3.3 實驗部分……… 54 3.3.1 化學藥品……… 54 3.3.2 實驗儀器……… 54 3.3.3 藥品合成……… 55 3.3.4 共交聯材料製備……… 59 3.4 結果與討論……… 60 3.4.1 化合物結構鑑定……… 61 3.4.2 動態 DSC 測試……… 70 3.4.3 硬化反應過程中官能基變化……… 74 3.4.4 凝膠分率測試……… 78 3.4.5 熱安定性探討……… 79 3.4.6 膨脹係數測定……… 81 3.4.7 動態機械性質探討……… 82 3.4.8 介電常數測試……… 85 3.5 結論……… 86 3.6 參考文獻……… 87 四、 環氧樹脂與含矽氧烷亞醯胺之 BT 樹脂合成共交聯材料之

(12)

x 物性及硬化行為研究……… 90 4.1 摘要……… 91 4.2 簡介……… 91 4.3 實驗部分……… 93 4.3.1 化學藥品……… 93 4.3.2 藥品合成……… 94 4.3.3 儀器設備……… 94 4.4 結果與討論……… 95 4.4.1 動態 DSC 測試……… 95 4.4.2 硬化反應過程中官能基變化……… 96 4.4.3 凝膠分率測試……… 99 4.4.4 熱安定性探討……… 100 4.4.5 熱膨脹係數測定……… 102 4.4.6 動態機械性質探討……… 103 4.4.7 介電常數測試……… 106 4.5 結論……… 107 4.6 參考文獻……… 107 五、 新型環氧樹脂及新型 BT 樹脂共交聯材料之合成及物性研 究……… 109 5.1 摘要……… 110 5.2 簡介……… 110 5.3 實驗部分……… 111 5.3.1 化學藥品……… 111

(13)

xi 5.3.2 共交聯材料之製備……… 113 5.3.3 儀器設備……… 113 5.4 結果與討論……… 114 5.4.1 動態 DSC 測試……… 118 5.4.2 凝膠分率測試……… 120 5.4.3 熱安定性探討……… 121 5.4.4 熱膨脹係數測定……… 123 5.4.5 動態機械性質探討……… 124 5.4.6 介電常數測試……… 127 5.5 結論……… 128 5.6 參考文獻……… 129 六、 氰酸脂/BMI/環氧樹脂三成分系共交聯動力學研究…… 131 6.1 摘要……… 132 6.2 簡介……… 133 6.3 實驗部分……… 134 6.3.1 化學藥品……… 134 6.3.2 儀器設備……… 135 6.4 結果與討論……… 135 6.4.1 氰酸脂樹脂硬化反應……… 135 6.4.2 LECY/Epoxy 反應……… 136 6.4.3 LECY/BMI 反應……… 141 6.4.4 LECY/BMI/Epoxy 反應……… 144 6.4.5 動力學研究……… 146

(14)

xii (1)LECY/Epoxy 系統動力學分析……… 148 (2)LECY/BMI 系統動力學分析……… 151 (3)LECY/BMI/Epoxy 系統動力學分析……… 154 6.5 結論……… 157 6.6 參考文獻……… 158 七、 總結……… 160

(15)

xiii

表 目

錄

一、 含矽氧烷亞醯胺四官能基環氧樹脂之合成、物性及硬化行為

研究……… 5

1.1 Curing conditions of samples……… 10

1.2 The maxium exothermic temp. of samples (MDA)…… 19

1.3 Kinetic data of samples ……… 21

1.4 Gel fraction results of samples ……… 24

1.5 Thermal expansion coefficients of samples ……… 26 1.6 Thermogravimetric analysis of samples ……… 27 1.7 Storage modulus and glass transition temperatures of

samples……… 29

1.8 DMA results (peak height and area of Tanδ) of samples 31 1.9 Dielectric constant and dissipation factor of samples 32

二、 低介電常數含 POSS 環氧樹脂以含 POSS 硬化劑及含矽氧烷亞

醯胺硬化劑硬化之物性探討研究……… 34

2.1 Gel fractions of cured samples……… 44

2.2 Coefficients of thermal expansion (CTE) and Tg's for

samples ……… 47

2.3 Dielectric constants for systems I and II ……… 48

三、 含矽氧烷亞醯胺及乙烯基氰酸脂與環氧樹合成共交聯材料

(16)

xiv

3.1 Data for Maximum exothermic peaks for BT/epxy

samples ……… 72

3.2 Co-curing stages of samples.……… 74

3.3 Absorbances associated with functional group changes during co-curing of the blend ( BT resin/epoxy in equivalent ratio) at 190 o C.……… 75

3.4 Gel fraction results of samples ……… 78

3.5 Thermal stability of samples. ……… 80

3.6 CTE values of samples. ……… 81

3.7 Storage modulus(E") and glass transition temperature (Tg) of samples.……… 83

3.8 Values of peak hight, peak width and peak area. …… 84

3.9 Values of dielectric constant and dissipation factor of samples……… 86

四、 環氧樹脂與含矽氧烷亞醯胺之 BT 樹脂合成共交聯材料之物 性及硬化行為研究……… 90

4.1 Increase (+) and decrease (-) of absorbance associated with the corresponding functional groups.………… 97

4.2 Gel fractions of samples.……… 100

4.3 Tempeartures of 5 weight loss and char yields of samples……… 100

4.4 CTE of samples before Tg ……… 102 4.5 Storage modulus(E") and glass transition

(17)

xv

temperatures (Tg's) found from DMA thermograms……… 104

4.6 Damping peak height, peak width and peak area…… 105

4.7 Dielectric constants and dissipation factors of samples……… 106

五、 新型環氧樹脂及新型 BT 樹脂共交聯材料之合成及物性研 究……… 109

5.1 Maximum exothermic peaks for epoxy/BT resin curing……… 119

5.2 Gel fractions of samples.……… 121

5.3 GA thermograms of samples……… 122

5.4 Values of CTE for samples ……… 123

5.5 Storage modulus(E") and glass transition temperature (Tg) form DMA……… 125

5.6 Peak height, peak width and peak area of samples…… 126

5.7 Measured dielectric constant and dissipation factor for various samples ……… 128

六、 氰酸脂/BMI/環氧樹脂三成分系共交聯動力學研究 …… 131 6.1 Kinetic parameters for LECY/Epoxycuring system… 150 6.2 Kinetic parameters for curing LECY/BMIsystem … 153 6.3 Kinetic parameters for curing LECY/BMI/Epoxy system 157

(18)

xvi

圖 目

錄

一、 含矽氧烷亞醯胺四官能基環氧樹脂之合成、物性及硬化行為 研究……… 5 1.1 1 H NMR spectrum of compound Ⅰ……… 12

1.2 FT-IR spectrum of compound Ⅰ……… 13

1.3 FT-IR spectrum of compound Ⅱb ……… 14

1.4 1

H-NMR spectrum of compound Ⅱb ……… 15

1.5 FT-IR spectrum of compound Ⅲ ……… 16

1.6 1

H-NMR spectrum of compound Ⅲ ……… 17

1.7 Dynamic DSC of samples(GA-240/Ⅲ/MDA) ……… 18

1.8 Typical dynamic DSC of sample (GA-240/Ⅲ/MDA

=0.8/0.2/1) with different heating rate ……… 20 1.9 Plot of ln(Φ/Tm2

)vs 1/Tm of sample……… 21

1.10

FT-TR of sample GA-240/Ⅲ/MDA=0.8/0.2/1) ……… 22 1.11

FTIR absorbance spectra for the reactions of sample E

(GA-2 40/Ⅲ/MDA =0.8 / 0.2 / 1 )at 180 o

C for various

times (At, t in mins) ……… 23

1.12 TMA thermograms of samples(GA-240/Ⅲ/MDA) ………… 25 1.13 TGA thermograms of samples(GA-240/Ⅲ/MDA) ………… 27

1.14 Tanδof samples(GA-240/Ⅲ/MDA) ……… 28

(19)

xvii

二、 低介電常數含 POSS 環氧樹脂以含 POSS 硬化劑及含矽氧烷亞

醯胺硬化劑硬化之物性探討研究……… 34

2.1 1 H-NMR spectrum of POSS-A……… 40

2.2 Figure 2.2 FT-IR spectrum of POSS-A……… 40

2.3 Dymamic DSC of system Ⅱ(ERL-4221/anhydride/POSS-A= 1/0.8 /0.05) ……… 41

2.4 FT-IR spectrum of system Ⅱ……… 42

2.5 Difference spectra of system Ⅱ……… 43

2.6 DSC thermograms of system Ⅱ ……… 44

2.7 Typical TMA thermogram of system Ⅱ……… 45

2.8 TGA thermograms for system Ⅱ……… 46

三、 含矽氧烷亞醯胺及乙烯基氰酸脂與環氧樹合成共交聯材料 之物性及硬化行為研究……… 51

3.1 1 H-NMR spectrum of compound I……… 64

3.2 FT-IR spectrum of compound I……… 65

3.3 1 H-NMR spectrum of compound Ⅱ ……… 65

3.4 FT-IR spectrum of compound Ⅱ ……… 66

3.5 1 H-NMR spectrum of compound Ⅲ ……… 66

3.6 FT-IR spectrum of compound Ⅲ……… 67

3.7 1 H-NMR spectrum of compound Ⅳ ……… 67

3.8 FT-IR spectrum of compound Ⅳ ……… 68

3.9 1H-NMR spectrum of compound Ⅴ ……… 68

(20)

xviii

3.11 FT-IR spectrum of compound Ⅴ ……… 69

3.12 FAB Mass spectrum of compound Ⅴ……… 70

3.13 Dynamic DSC thermograms for various BT/epoxy samples 71 3.14 Successive absorbance changes (At , t in mins) of the blend (epoxide/c=c/cyano=1/1/1) during co-curing reaction at 250 o C ……… 76

3.15 FTIR difference spectra (At – Ao, t in mins ) of the blend (epoxide/c=c/cyano=1/1/1) during co-curing reaction at 250 o C ……… 77

3.16 TGA thermograms of samples……… 80

3.17 TMA thermograms of samples……… 82

3.18 Storage modulus versus temperature of samples … 84 3.19 Damping peak (tanδ) of samples……… 85

四、 環氧樹脂與含矽氧烷亞醯胺之 BT 樹脂合成共交聯材料之物 性及硬化行為研究……… 90

4.1 Exothermic peaks for Co-cured epoxy/BT samples… 95 4.2 Successive IR absorbance (At, t in mins.) changes for BT resin/epoxy cured at 250 o C……… 98

4.3 Difference spectr (At-Ao, t in mins.) of BTrein/epoxy cured at 250 oC……… 99

4.4 TGA thermograms for co-cured samples……… 101

4.5 TMA thermograms of samples ……… 103

(21)

xix

五、 新型環氧樹脂及新型 BT 樹脂共交聯材料之合成及物性研

究……… 109

5.1 1 H-NMRspectrum of the novel epoxy VII……… 116

5.2 13 C-NMRspectrum of thecompound VII……… 116

5.3 FT-IR spectrum of compound VII ……… 117

5.4 Fab Mass spectrum of compound VII……… 117

5.5 Dynamic DSC thermograms for the epoxy/BT resin blends……… 119

5.6 Sequences of Alder-Ene Reaction……… 120

5.7 TGA thermograms of samples……… 122

5.8 TMA thermograms for samples ……… 124

5.9 DMA thermograms showing Storage modulus versus tempera -ture for samples………126

5.10 DMA thermograms showing dampin peaks(Tan δ) of samples ……… 127

六、 氰酸脂/BMI/環氧樹脂三成分系共交聯動力學研究 …… 131

6.1 FTIR absorbance spectra for the reactions of LECY/ Epoxy at 140 o C.for various time (At, t in mins.)… 137 6.2 Difference spectra (At–Ao, t is in mins.) for the reaction of LECY /Epoxy at 140 o C for various time…… 141

6.3 FTIR absorbance spectra for the reactions of LECY/BMI at 160 oC for various times (At, t in mins) ……… 143

(22)

xx

thereactions of LECY/ BMI at 160 o

C……… 144 6.5 FT-IR absorbance spectra for the reactions of LECY/BMI

/EPOXY at 140 o

C for various time (At, t in mins) … 145

6.6 Difference spectra (At-Ao, t in mins) the reaction of

LECY/ BMI/ Epoxy at 140 o

C for various time……… 146 6.7 Plot of conversion,α, versus reaction time t for the

LECY/Epoxy System……… 148

6.8 Plot of dα/dt vs αfor LECY/Epoxy system ……… 149 6.9 Plot of ln[(dα/dt)/(1-α)n

-k1] vs lnα for LECY/Epoxy

system……… 149

6.10 Plot of ln k vs 1/T for LECY/Epoxy system……… 150 6.11 Plot of conversion,α, versus reaction time t for the

LECY/BMI System……… 151 6.12 Plot of dα/dt vs αfor LECY/BMI system……… 152 6.13 Plot of ln[(dα/dt)/(1-α)n

-k1] vs lnα for LECY/BMI

system……… 152

6.14 Plot of ln k vs 1/T for LECY/BMI system……… 153 6.15 Plot of conversion,α, versus reaction time t for the

LECY/BMI/Epoxy System……… 155 6.16 Plot of dα/dt vs αfor LECY/BMI/Epoxy system………… 155 6.17 Plot of ln[(dα/dt)/(1-α)n-k1] vs lnα for LECY/BMI

/Epoxy system……… 156 6.18 Plot of ln k vs 1/T for LECY/BMI/Epoxy system………… 156

(23)

1                  

Co‐cured Materials Based on Novel Epoxies 

and Novel BT Resins for Electronic Application 

                           

(24)

2

INTRODUCTION 

      We are in the midst of an electronics era. Almost every aspect of  our  daily  life  has  been  touched  or  assisted  by  electronic  devices.  This  electronic  revolution  is  only  possible  through  our  ability  to  miniaturize  integrated circuits (ICs). Polymers play a significant role in achieving the  current  state‐of‐the‐art  in  microelectronics.  They  are  not  only  found  in  final products such as housing of components, packaging of IC chips and  intermetallic  dielectric  layers,  but  also  employed  extensively  in  major  processing  steps.    Some  specialty  polymers  most  commonly  used  in  microelectronics  are  polyimides,  silicones,  and  epoxies.  Traditionally,  liquid  photoresists  and  polyimides  are  used  in  the  fabrication  of  ICs.    Printed  circuit  boards  (PCBs)  require  composite  substrates  reinforced  with  epoxy  and/or  phenolics.  IC  encapsulating  materials  and  die  attach  adhesives  are  also  primarily  epoxy  composites.  Polyimides  and  polyesters  are  employed  in  flexible  circuit  board  manufacture.  Siloxane  and polyimides are used in intermetallic dielectric layers. High resistivity,  high  breakdown  voltage,  low  dielectric  constant  and  easy  of  processing  make  these  polymers  particularly  suitable  as  insulating  layers  in  multi‐level interconnections, intermetallic dielectrics and IC packaging.        Low  dielectric  constant  results  in  short  media  propagation  times,  low  signal  coupling  and  high  characteristic  impedance  lines.    Other  rationale  for  the  adoption  of  these  specialty  polymers  are  resin  curing,  moisture diffusion, mechanical strength, thermal stability,…,etc.   

Furthermore,  for  optimal  processing,  an  accurate  knowledge  of  the  kinetics  of  curing  and  polymer  conversion  as  functions  of  curing 

(25)

3

temperature are vital. 

      In  this  study,  novel  materials  based  on  epoxy  and  cyanate  ester  containing  siloxane  and  imide  groups  are  designed  and  prepared,  and  are  expected  to  possess  most  of  the  above  properties  for  potential  microelectric  application.  Chapter  I  deal  with  siloxane‐  and  imide‐containing  tetrafunctional  epoxy,  which  are  designed  mainly  to  improve  dielectric  constant,  dissipation  factor,  thermal  stability  and  mechanical strength. In chapter II, incorporating of POSS into epoxy resin  results  in  reduction  of  dielectric  constant  with  sacrifice  of  some  other  properties. BT resin, i.e., blend of cyanate ester and bismaleimide (BMI),  possesses  good  mechanical  strength  and  is  currently  used  in  packaging  material.    However, lack of resin curing and dielectric constant are the  drawback  of  the  commercial  BT  resin.  Therefore,  focus  on  the  improvement  of  resin  curing,  dielectric  constant  and  further  performance improvement is the goal of studies in chapters III, IV and V,  where  siloxane  ,  imide  and  allyl  groups  are  incorporated  into  cyanate  ester,and  blended  with  equivalent  amounts  of  modified  BMI  to  form  novel  BT  resin.  Co‐cured  materials  are  then  prepared  by  co‐curing  this  unique  BT  resin  with  different  amounts  of  epoxy  to  improve  the  resin  curing and material performances.    In chapter V, co‐cured materials are  also prepared by blending BT resin with commercial epoxy to form part A  resin,  which  then,  further  co‐cured  with  different  amounts  of  siloxane  and  imide  containing  epoxy  resin  (VII).    This  novel  material  possesses  most  of  the  properties  required  for  microelectronic  application.    For  better  understanding  of  optimal  application,  polymer  conversion  and 

(26)

4

curing behavior are also investigated in chapter III. Properties of siloxane  and  imide  containing  BT  /  epoxy  co‐cured  material  are  studied  in  chapters III, IV, and V.    Study of curing kinetics is given in chapter VI.                                             

(27)

5      

  Chapter    I   

 

Synthesis, Curing Behavior and properties of Siloxane and 

Imide‐containing Tetrafunctional Epoxy   

 

                                     

(28)

6

1.1    ABSTRACT 

      A  novel  tetrafunctional  epoxy  resin  contain  siloxane  and  imide  groups,  i.e.,  N,N,N’,N’‐tetraglycidyl‐bis(4‐aminophenyl)‐5,5’  (1,1,3,3‐  tetramethyl‐1,1,3,3‐disiloxane‐bisnorbornane‐2,3‐dicaroximide,  was  synthesized and characterized. The curing behavior of this resin and the  properties  of  the  its  cocured  material  with  commercial  tetraglycidyl  m‐xylenediamine (GA‐240) was studied. Functional group changes during  cocuring reactions were investigated with FTIR. Kinetic parameters were  analyzed  with  dynamic  DSC.  Thermal  properties  were  measured  with  TGA, TMA and DMA. Curing kinetics revealed that this novel tetrafuctinal  epoxy indicated a lower activation energy and lower curing temperature  than GA‐240. The cocured materials, due to the presence of siloxane and  imide  groups  in  the  polymer  matrix,  show  higher  glass  transition  temperature,  better  dimensional  stability  and  toughness,  and  also  enhanced properties than pure GA‐240.  Key words: siloxane and imide‐containing tetrafunctinal epoxy, co‐cured  materials, electronic packaging, toughness, enhanced properties.    1.2    INTRODUCTION        Epoxy resin, because of its easy processing and excellent adhesion,  is  one  of  the  most  widely  used  thermosets,  especially  in  the  field  of  package  and  PC  board  in  electronics  industry.  Demand  for  the  epoxy  resin  in  the  new  era  of  electronic  application  lies  in  improved  thermal  properties,  better  toughness,  lower  dielectric  constant,  lower  curing  temperature and easy processing, etc. Furthermore, the vertsification of 

(29)

7

the  bulk  state  curing  would  result  in  internal  residual  stress  in  the  polymer  matrix, and  subsequently  leads to  device failure. Siloxane,  due  to its flexibility, when incorporated in the epoxy chain, would therefore  improve the toughness and lower the internal residual stress. In addition,  since  siloxane  is  an  excellent  water  repelling  material,  an  epoxy  resin  containing  such  a  siloxane  group  would  somehow  show  a  lower  dielectric constant. Similar ideal of molecular design was also applied to  imide  group  for  its  good  mechanical  property  and  long  term  reliability.  Tetrafunctional  epoxide  was  deliberately  designed  in  this  new  resin  to  enhance  the  cross‐linking  and  further  improve  its  glass  transition  temperature  and  mechanical  properties.  Synthesis  and  characterization  of  other  tetrafunctioinal  epoxies  can  also  be  referred  from  literature  [1(a), 1(b)].Since the commercially available tetraglycidyl m‐xylediamine  ( electronic grade, GA‐240) is relatively hard and brittle, When GA‐240 is  blended  with  this  siloxane  and  imide‐containing  tetrafunctional  epoxy,  the cocured material apparently show enhanced thermal properties and  toughness,  but  lower  residual  stress.  In  this  work,  we  would  like  to  report such a study.    1.3    EXPERIMENTAL  1.3.1    Chemicals        5‐norbornane‐2,3‐dicarboxylic anhydride (i.e., nadic anhydride)    was purchased from Merck Co.. Tetramethyldisiloxane was bought from  Lancaster Co., catalyst. Platnum‐cyclovinyl‐methylsiloxane complex (as  catalyst for hydrosilation) was provided from UCT, and 4,4’‐methylene 

(30)

8 dianiline, from CVC, epichlorohydrin from Tedia Co., and 4‐nitroaniline  from Janssen Co.. Solvents toluene and N,N‐dimethyl‐ formamide were  purified by adding calcium chloride and were distilled. All other  chemicals were used directly without further purification.    1.3.2    Instruments        All 1H‐NMR spectra were obtained with Varian Unity 300MHz NMR,  using CDCl3 as solvent.    IR spectra were obtained from Avatar 360 FT‐IR 

(Nicolet Co.) with a resolution of 4 cm‐1.    Dynamic differential scanning  calorimeter (DSC) thermograms were performed with Seiko Instrument  DSC 200 under 100ml/min of nitrogen flow with heating rates of 3, 5, 10  and 15 oC/min. Thermogravimetric analyzer (TGA) and thermo‐  mechanical    analyzer (TMA) thermograms were performed with Du  Pont TA 2950 and 2940 with a heating rate of 10 oC/min. Samples with  dimension of 4 x 1 x 0.2 cm were tested with dynamic mechanical  analyzer (DMA) at 1 Hz with a heating rate of 3 oC/min., temperature  ranging from 30 to 300 oC.    Dielectric constants of cured samples were  measured with a DEA Du Pont 2970 dielectric analyzer at 1MHz.    1.4    Preparation of Materials    Synthesis of 5,5’‐(1,1,3,3‐tetramethyl‐1,1,3,3‐disiloaxanedialyl)  bisnorbornane‐2,3‐ dicarboxylic anhydride (I)    Nadic anhydride  (131.33g, 0.8mole) in 500 ml of toluene, to which tetramethyldisiloxane  (53.6 g, 0.4 mole) and catalyst platinum‐cyclovinyl methyl‐siloxane  complex were added and stirred at 80 oC for 46 hours.    The reaction  mixture was concentrated to precipitate the product.    The product was 

(31)

9 recrystallized from ether, giving a white crystal with mp. Of 135‐7 oC (70  % yield), which shows    1H‐NMR(CDCl 3,ppm):δ:0.03~0.05(m,12H),0.63~0.68(m, 2H),1.56~1.68(m,8H),2.75~2.78(m,2H),2.85(m,2H), 3.39~3.43(m,4H) 

IR: anhydride νc=o 1856, 1780 cm‐1; siloxane νsi‐o‐si 1082 cm‐1,νc‐si 1225 

cm‐1.    Synthesis of N,N’‐bis(4‐aminophenyl)‐5,5’‐(1,1,3,3‐tetramethyl‐ 1,1,3,3‐  disiloxanedialyl)‐bisnorbornane‐2,3‐dicarboximide (IIb)    Into a three  necked flask, I (11.58 g, 0.025 mole) in 20 ml DMF and 4‐nitroaniline  (7.60 g, 0.055 mole) in 20 ml DMF were charged.    Reaction proceeded  at ambient temperature for 6 hours, then benzene was added,  imidization proceeded in a Dean‐Stark apparatus.    After removal of  water, a yellow solid (IIa) was obtained .    IIa (7.07 g, 0.01 mole)was  dissolved in 300 ml ethanol and Pd/C (0.4 g) was added under Hydrogen  atmosphere to reduce the nitro group into NH2 at room temperature for  24 hours.    A red product of IIb was obtained (5.67 g, 88% yield).  1H‐NMR(CDCl 3,ppm)shows:δ:0.00~0.01(m,12H),0.61(m, 2H),1.54~1.61(m,8H),2.72(m,2H),2.78(m,2H),3.15(m, 4H),3.66(s,4H),6.59~6.63(d,4H),6.87~6.90(d,4H) 

IR: imide, νc=o 1768, 1705 cm‐1; siloxane, νsi‐o‐si 1082 cm‐1,νc‐si 1225 cm‐1. 

 

Synthesis  of  N,N,N’,N’‐tetraglycidyl‐bis(4‐aminophenyl)‐5,5’‐(1,1,3,3‐  tetramethyl‐1,1,3,3‐disiloxanedialyl)‐bisnorboenane‐2,3‐dicarboximi‐d e (III)    IIb (20.00 g, 0.031 mole), epichlorohydrin (96.79 ml, 1.24 mole), 

(32)

10

was  refluxed  at  110 o  C  for  8  hours.    Product  III  was  extracted  with  dichloromethane,  washed  with  water  and  dried  with  MgSO4.    A 

greenish solid (20.6 g, 76.7 % of yield) with mp of 127‐31o C was isolated.    1H‐NMR and IR spectra of compound III are given in Figures 1.1 and 1.2,  where 1H‐NMR(CDCl3,ppm)shows:δ:0.04~0.06(m,12H),0.67 (m,2H),1.60(m,8H),1.82~1.87(m,4H),2.57(m,4H),2.78 ~2.85(m,8H),3.16~3.23(m,8H),6.83~6.85(d,4H),7.04 (d,4H)  IR shows: epoxide, ν910 cm‐1. 

This  tetrafunctional  epoxy  (III)  was  titrated  by  the  pyridinium  chloride  method [2] to find an epoxide equivqlent weight (EEW) of 432. 

 

1.5    Preparation of Cocured Materials     

Blends  of  GA‐240/III/MDA  in  equivalent  ratios  of  (A)  1/0/1,  (B)  0.95/0.05/1,  (C)  0.9/0.1/1,  (D)  0.85/0.15/1,  (E)  0.8/0.2/1,  and  (F)  0/1/1  were mixed thoroughly and was each filled into DSC aluminum pan and  scanned from 30 to 300 oC under 100ml/min of nitrogen flow at a    Table 1.1    Curing conditions of samples  Sample  Equivalent    Ratio  Curing Conditions    [Temp(℃)/Time(hr)]      GA‐240/Ⅲ/MDA  A(1/0/1)  150/2 + 180/4 + 200/2  B(0.95/0.05/1)  140/2 + 170/4 + 200/2  C(0.9/0.1/1)  140/2 + 170/4 + 200/2  D(0.85/0.15/1)  130/2 + 160/4 + 200/2  E(0.8/0.2/1)  130/2 + 160/4 + 200/2   

(33)

11

heating  rate  of  10 oC/min.  Maximum  curing  exothermic  peak  for  each  sample was found at (A) 129.9 oC, (B) 173.1 oC, (C) 170.3 oC, (D) 166.6 oC,  (E)  165.2 oC  and  (F)  152.2 oC.    Test  samples  were  then  cured  at  the  three stages shown in Table I.      1.6    RESULTS AND DISCUSSIONS        The synthesis of siloxane and imide containing tetrafunctonal  epoxy (III) is given in the following scheme:    Scheme 1. Synthesis of Tetrafunctional epoxy (III)      O O O Si O Si CH3 CH3 CH3 CH3 H H O O O Si CH3 CH3 O Si CH3 CH3 O O O + 2 Pt complex toluene,80℃         Ⅰ  O Si Si CH3 CH3 CH3 CH3 O O O O O O NO2 H2N + 2 DMF/Benzene H2 Pd / C -H2O Ⅱa Ⅱb O Si Si CH3 CH3 CH3 CH3 N N O O O O O2N NO2 O Si Si CH3 CH3 CH3 CH3 N N O O O O H2N NH2  

(34)

N H2       1.6 Com and act (Fig Fig N N NaOH (aq) 110 ℃         .1    Struc mpound I  d tetramet ive Pd com gure 1.1).  gure 1.1 1 N O O O O N         ctures Det was prepa thyldisilox mplex.    T   In the b H NMR sp Si O Si CH3 CH3 CH3 CH3 N N         terminatio ared from xane in the Trace of th beginning,  pectrum o 12 N O O N O O   III  on  m the hydro e molar ra he reaction the two v f compou NH2 Si O Si CH3 CH3 CH3 CH3 osilylation atio of 2:1  n was mon vinylic H’s  nd Ⅰ.  + N O O n of nadic  under the nitored wi in norbor O C 4 N anhydride e catalysis ith 1H‐NM nene occu Cl O O   s of  MR  urs   

(35)

at δ ppm new wh and evid   abs and abs abs CH3 δ 0.63 ppm m.      Afte w absorpt ile δ 0.03  d those at  dence of p Figure 1.2 sorption o d 1220 ㎝‐ sorption a sorptions a 3 stretchin For the m, and the er 24 hour ion at δ 0 to 0.05 pp δ 0.63 to  producing 2 FT‐IR sp of anhydrid ‐1(anhydr t 1680  ㎝ at 1083 ㎝ ng of the p e structure e two Si‐H rs of react .6 ppm wa pm indicat 3.43 ppm g I.    FT‐IR ectrum of de at 1782 ride,C—O ㎝‐1   (C=C s ㎝‐1(Si—O product co e determi 13 H’s in tetra ion, both  as observe ting 12 H’s m indicatin  spectrum f compoun 2、1852 ㎝ O—C stret stretching) O—Si stret onfirms th ination of  methyldis absorptio ed, indicat s of the 4  g the 4 H’ m of I (Figu nd Ⅰ.  ㎝‐1   anhyd tching).  ) of norbo tching,  ) e structur IIb, the IR siloxane oc on disappe ting 2 H’s  methyl gr ’s on anhy ure1. 2) sh dride,C=O   The disa ornene , th and 1258 re of I.  R absorpti ccurs at δ  eared and  at the C‐S roups on S ydride, an  hows an    O stretchi ppearanc he new  8 ㎝‐1(Si— on at 176 4.7    a    Si,  Si,      ng)  e of    —  8、

(36)

170 imi Figu and 1H‐ silo am 05 ㎝‐1(i de group  ure1. 3 FT   The co d  3369  cm NMR spec oxane  atδ  ine,  and  mide,C= (Figure1.3 T‐IR spectr oupled do m‐1  proves ctrum (Fig 0.00~0.0 δ6.59 ~ =O stretc 3).      rum of com ublet of a s  the  redu gure 1.4) s 01  ppm, ~ 6.90  pp 14 ching)str mpound  asymmetri uction  of  n shows 12  4  H’s  atδ pm  for  t rongly sup Ⅱb.  ic N‐H stre nitro  grou H’s of tetr δ3.66  ppm the  8  H’ pports the etching oc up  into  pr ramethyl g m  for  the  s  on  be e existence ccurs at 3 imary  am groups in  two  prim nzene  rin e of  460  ine.    the  mary  ngs. 

(37)

Figu       All  1.5 320 ure1. 4 1H these evid )  at  910 00‐3500 ㎝ H‐NMR spe dence con ㎝‐1(e ㎝‐1 ,(νO‐H) i ectrum of  nfirms the poxy  ring indicates t 15 compoun  structure g  stretchi that III is a nd  Ⅱb.  e of IIb. FT ng)and  an oligome T‐ IR absor broad  a er.      rption (Fig bsorption   gure  n  at 

(38)

        The Hf    ppm δ 3 (4H       Figure1. 5 e 1H‐NMR   at δ 0.67 m (4H),H .16~3.23 H).  5 FT‐IR sp spectrum 7 ppm (2H Hn at δ 2.57 3 ppm (8H ectrum of m (Figure 1 H)  ,Hd.e a 7 ppm (4H H),Hi at δ 16 f compoun 1.6) shows at δ 1.60 p H),Hb.c.l a δ 6.83~6. nd  Ⅲ.  s Hg at δ 0 ppm (8H) t δ 2.78~ 85 ppm (4 .04~0.06 ,Hm:at  ~2.85 ppm 4H),Hh a 6 ppm (12H δ 1.82~1 m (8H),Ha at δ 7.04 p H), 1.87  a.j at  ppm 

(39)

Figu   Wh the Hh’s of i spe of I   O O   ure 1.6 1H here Hh rep e epoxide,  s, and 4 H ntegrated ectrum (Fi II.    A rea N O O H‐NMR spe presents o and from m’s.    If th d areas of  gure 1.6)  asonable s ectrum of  one H on t  the struc he product Hh to Hm = shows thi structure o N O O 17 compoun the benzen cture of III, t III contai = 1: 1. It is s is the ca of III is giv O Si Si CH3 CH3 CH3 CH3 e f g nd  Ⅲ.  ne ring , H , one mole ins tetragl s observed ase, thus c ing in the  N O O a b c d f Hm represe ecule of II lycidyl gro d that 1H‐N conforms t following N h i ents one H I contains oup, the ra NMR  the structu :  O O j k l H on  s 4  atio  ure  m n  

(40)

III w equ mo ver pre O O n =   1.6 are F was titrate uivalent w olecular we ry close to epared is a N 0.95  .2    Dyna Maxim e listed in F Figure1.7  B F ed by the H weight (EEW eight of 17  1, which  a dimmer.  O Si S CH3 CH3 C C N O O amic DSC  mum exoth Figure 1.7 Dynamic D B=0.95/0. F=0/1/1.  HCl‐pyridi W) of 443 728.    The reveals th Si CH3 CH3 N O O hermic pea  and are s DSC of sam 05/1;C=0 18 ne metho was foun e calculate hat the tet N CH CH2 O O CH2 CH OH OH aks for var summarize mples(GA‐ 0.9/0.1/1 od [2], and d, which m ed repeati trafunction O CH2 CH OH CH CH2 OH O n rious blen ed in Table ‐240/Ⅲ/M ;D=0.85/ d an epoxi means III h ing unit, n nal epoxy  N N O O nds of GA‐ e 1.2        MDA),A= 0.15/1;E de  has a  n, is 0.97,  thus  O Si Si CH3 CH3 CH3 CH3 240/III/ M =1/0/1; E=0.8/0.2/ N O O N MDA    /1; O O

(41)

19 Table 1.2 The maxium exothermic temp. of samples (MDA)  Sample  Equivalent    Ratio  Max. exothermic  temp.(℃)        GA‐240/Ⅲ/MDA  A(1/0/1)  179.9  B(0.95/0.05/1)  173.1  C(0.9/0.1/1)  170.3  D(0.85/0.15/1)  166.6  E(0.8/0.2/1)  165.2  F(0/1/1)  152.2    It is obvious that Sample A , GA‐240 cured with equivalent MDA,  shows the highest curing temperature at 179.9  ℃.    As more III  incorporated into GA 240, The curing reaction shifts to lower 

temperature.    Sample F, only    III    cured with equivalent MDA, shows 

a maximum exothermic temperature at 152.2℃.    As III contains a  tertiary amine, (imide group), which played a catalytic effect on the  epoxy cure [3].    This explain the reason why blends containing more  quantity of III would show lower exothermic temperature.      1.6.3    Curing Kinetics  The activation energy of curing reaction can be studied with  dynamic DSC [4‐8].    Figures 1.8 gives the typical dynamic DSC  thermograms for sample E at heating rates of 3℃/min,; 5℃/min,; 10℃ /min , and 15℃/min.    According to the method developed by Kissinger 

(42)

20

[4,5,9], the activation energy, Ea , can be calculated by : 

 

2.303 d log(Φ/Tm2) /d(1/Tm) =  -Ea/R    (1) 

 

where  Tm  is  the  Maximum  peak  temperature  in  K,       

Φ  is  the  heating  rate  in℃/min,  R  is  Gas  constant  (8.314  JK‐1mol‐1),  and        Ea    is the activation energy (KJ/mole).    A plot of ln(Φ/Tm2) versus 1/Tm 

is given in Figure 1.9. The calculated Ea values are listed in Table 1.3. 

       

  Figure  1.8  Typical  dynamic  DSC  of  sample  (GA‐240/Ⅲ/MDA=0.8/0.2/1) 

with different heating rate.       

(43)

21   Figure 1.9    1/Tm V.S ln(Φ/Tm2) of sample (GA‐240/Ⅲ/MDA=0.8/0.2/1)      Table 1.3    Kinetic data of samples    Sample  Equivalent  Ratio  Heating Rate (℃/min)    Ea,  KJ /mole 3  5  10  15      GA‐240/Ⅲ/MDA A(1/0/1)  151  163.1 179.9 193.6  55.51  B(0.95/0.05/1) 142.8 156  173.1 184.9  53.80  C(0.9/0.1/1)  139.6 151.7 170.3 181  52.97  D(0.85/0.15/1) 137.1 148.3 166.6 179.1  51.81  E(0.8/0.2/1)  135.2 147.6 165.2 178.1  50.75       

(44)

22 Result shows that Sample A has the highest activation energy of  55.51 KJ/ mole.    As more III blended into GA‐240, lower activation  energies were found.    This result is in consistent with the finding in  Maximum exothermic peak shift (Figure 1.7 and Table 1.2), because  imide group played a catalytic role during curing reaction. Furthermore,  the tetrafunctonal epoxy III contains a flexible siloxane in the main chain  which may, in part, show higher chain mobility and thus account for its  easy processing.  1.6.4    Functional Group Changes during Curing Reaction  Typical functional group changes during curing reactions  for Sample E is given in Figure 1.10, and the difference spectra using the  absorbanceof Si‐O‐Si at 1050 to 1060 cm‐1 as internal    Figure 1.10 FT‐TR of sample (GA‐240/Ⅲ/MDA=0.8/0.2/1),A=initial;        B=130℃/10mins;C=160 /10mins℃ ;D=160 /20mins℃ ; E=200℃/10mins.  910 A B C  D  E

(45)

23 Figure 1.11 FTIR diffeeence spectra for the reactions of sample E            (GA‐240/Ⅲ/MDA=0.8/0.2/1)at 180 oC for various times  (At, t in mins).      reference, is giving in Figure 1.11 The absorption of epoxide at 910 cm‐1  decreases with time.    The absorptions of NH2 (from the curing agent, 

MDA) at 3460 and 3369 cm‐1   are clearly decreased, and eventually  broadened because of overlapping with the absorption of newly  produced OH group.            1.6.5    Gel Fractions  The fully cured samples were continuously extracted with acetone  in Soxhlet extractor for 24 hours to extract the uncured portions. Gel  fractions of samples are listed in Table 1.4. It is found that all the gel 

(46)

24 fractions of the 5 samples are high enough over 97%, meaning that these  samples are potentially easy to process and contains high cross‐linking.    Table 1.4    Gel fraction results of samples  Sample  Equivalent    Ratio  Gel fraction (%)      GA‐240/Ⅲ/MDA  A (1/0/1)  98.3  B (0.95/0.05/1)  97.6  C (0.9/0.1/1)  97.4  D (0.85/0.15/1)  98.0  E (0.8/0.2/1)  97.1      1.6.6    Coefficients of Thermal Expansion (CTE) 

The  first  thermal  expansion  coefficient  (α1)  of  each  sample  was  measured  from  the  slope  of  TMA  thermogram  before  Tg  ;  the  second  thermal  expansion  coefficient  (α2)  was  read  from  the  slope  of  same  TMA thermogram after Tg (Figure 1.12) and the values are listed in Table  1.5.   

(47)

Figu Sin ind rela the co‐ exp co‐ dev dim also mo abo exp ure 1.12 T B Each  TM ce all the icated  in  atively  low e pure GA‐ cured  sam pansion  co cured ma vice  fabric mensional  o  are,  pr olecular int ove  Tg,  th pansion  co TMA therm =0.95/0.0 MA  was  t se sample Table  1.5 w  coeffici ‐240 (sam mples,  It  i oefficient  terials hav cation.    T stability o obably  in teraction  he  co‐cur oefficients mograms o 05/1;C=0 tested  in  es are hig 5,  they  ar ent  of  th ple A in w is  found  t can  be  e ve improv The  low  t of these s n  part,  du of imide g red  mater s  than  the 25 of sample 0.9/0.1/1   a  tempe hly crossl re,  therefo ermal  exp which GA‐2 that  as  III 

effectively ved dimen

thermal  e amples ar ue  to  the

group in I rials  appa e  pure  GA s(GA‐240/ ;D=0.85/ erature  ra inked wit ore,  therm pansion  b 240/III/M is  added y  reduced nsional sta expansion  re due to  e  presence II. When t arently  in A‐240,  pre /Ⅲ/MDA) /0.15/1;E ange  of  3 h high ge mally  stab before  Tg. DA = 1/0/   into  GA‐ d.    That  ability and coefficie high cross e  of  hard the tempe dicate  hig esumably        ),A=1/0/ E=0.8/0.2/ 30  to  280 el fractions ble  and  sh .    Compa /1) with ot 240,  ther means  th d are good nt  and  go s‐linking a d  and  str erature ra gher  ther because        /1;  /1.  0  C.          s as  how  ared  ther  rmal  hese  d for  ood  and,  ong  ises  rmal  the     

(48)

26

flexible  siloxane  moiety  in  this  tetrafunctional  epoxy  III  shows  much  higher mobility, leaving larger free volume in the co‐cured materials.    Table 1.5    Thermal expansion coefficients of samples  Sample  Equivalent    Ratio  CTE1 α1 (μm/m℃)  *  CTE2 α2 (μm/m℃)  **      GA‐240/Ⅲ/MDA A(1/0/1)  79.6  136.9  B(0.95/0.05/1)  56.55  108.4  C(0.9/0.1/1)  55.95  141.7  D(0.85/0.15/1)  53.68  203.3  E(0.8/0.2/1)  55.33  1234.6    *α1: CTE before Tg,    ** α2: CTE after Tg      1.6.7    Thermal Stability  The on‐set tmperature of 5 % weight loss and %residual weight    at  450 o C are found from TGA thermograms (Figure 1.13) and are listed in  Table 1.6.   

(49)

27 Figure 1.13 TGA thermograms of samples(GA‐240/Ⅲ/MDA),A=1/0/1;  B=0.95/0.05/1;C=0.9/0.1/1;D=0.85/0.15/1;E=0.8/0.2/1.      Table 1.6    Thermogravimetric analysis of samples    Sample        Equivalent  Ratio    5% Weight Loss  Temp(℃)  Residue Weight (%) at 450℃      GA‐240/Ⅲ/MDA    A(1/0/1)  302.2  43.3  B(0.95/0.05/1) 278.3  47.8  C(0.9/0.1/1)  283.6  53.4  D(0.85/0.15/1) 257.4  54.8  E(0.8/0.2/1)  251.4  60.7      103

(50)

28 TGA thermogram of Sample A indicates one stage of pyrolysis.  While other samples pyrolyze in two stages but show higher residual  weight, which is probably due to the presence of thermally stable imide  group [10].    1.6.8    Dynamic Mechanical Analyzer  Damping peaks (tanδand Storage Modulus(G') of samples are  giving in Figures 1.14 and 1.15 and data are listed in Table 1.7.        Figure 1.14 Tanδof samples(GA‐240/Ⅲ/MDA),A=1/0/1;B=0.95/0.05/1; C=0.9/0.1/1;D=0.85/0.15/1;E=0.8/0.2/1.     

(51)

29 Figure 1.15 Storage modulus of samples(GA‐240/Ⅲ/MDA),A=1/0/1;    B=0.95/0.05/1;C=0.9/0.1/1;D=0.85/0.15/1;E=0.8/0.2/1.        Table 1.7 Storage modulus and glass transition temperatures of samples  Sample  Equivalent  Ratio  Storage Modulus  (MPa)  Tg (℃)      GA‐240/Ⅲ/MDA A(1/0/1)  1775  217.1  B(0.95/0.05/1) 1210  213.8  C(0.9/0.1/1)  1099  226.3  D(0.85/0.15/1) 636  227.1  E(0.8/0.2/1)  443  185.5,228.5  

(52)

30

GA‐240 has a Tg of 217.1℃, as III incorporated into GA‐240, these 

co‐cured samples still have relatively high Tg’s.    Sample E shows two    Tg’s at 228.5  ℃  and a shoulder at 185.5  ℃  (probably a transition of 

siloxane), indicating possible phase separation.    Therefore,    20% of III  is the maximum amount that can be incorporated into GA‐240, or  otherwise, more III might cause drawback in the mechanical property  because of phase separation [11].      Sample A has a storage modulus of  1775 MPa, other samples indicate storage modulus decreases as III  incorporated.    This is because the existence of soft siloxane in the  samples.    However, the rubber siloxane play a toughness role in the  samples [11].    In general, high cross‐inking materials are hard and  brittle.    The siloxane portions in III, when incorporated into a high  cross‐linking    material, clearly improve the toughness of these samples,  as can be seen from the increased damping peak height and the area of  Tanδ in Table VIII. This phenomenon has been discussed in literature  [12,13].    Furthermore, it appears that the G’ profiles of samples A, C  and D near Tg’s are not regular (Figure 1.14).    This phenomenon  happens presumably because of incomplete cure.    As incompletely  cured samples are reheated during DMA test, probably post‐cure would  occur to some extent, leading to some fluctuations as observed from the  G’ profiles.         

(53)

31 Table 1.8    DMA results (peak height and area of Tanδ) of samples  Sample  Equivalent  Ratio  Peak height  Area of Tanδ       GA‐240/Ⅲ/MDA  A(1/0/1)  0.24  13.8  B(0.95/0.05/1) 0.37  20.6  C(0.9/0.1/1)  0.40  25.4  D(0.85/0.15/1) 0.45  29.0  E(0.8/0.2/1)  0.48  34.4      1.6.9    Dielectric Constants  Dielectric constants and dissipation factor of cured samples were  measured with a DEA Du Pont 2970 dielectric analyzer at 1 MHz of  frequency and data are listed in Table 1.9.    In general, dielectric  constant and dissipation factor would be reduced as water repellent  material is incorporated in a polymer blend [7].    Unfortunately, this is  not the case expected as observed from data.    As it is well known that  OH group produces when epoxy cures [3].    The high polarity of OH  group in III would no doubt play a drawback in dielectric constant and  dissipation factor.    Furthermore, since GA‐240 and III each contains four  epoxides which must produce lots of OH groups after they are cured.    This probably explain why relative high dielectric constants and 

dissipation factors are observed for these samples.    Use of less MDA as  curing agent could be one way to lower the dielectric constant and  dissipation factor. Because less diamine used would produce less OH’s 

(54)

32 but in the meantime cause less cross‐linking.    It seems apparently,  dielectric constant and mechanical properties must compromise in some  way.  Table 1.9    Dielectric constant and dissipation factor of samples  Sample  Equivalent  Ratio  Dielectric  constant  Dissipation  factor      GA‐240/Ⅲ/MDA  A(1/0/1)  5.71  0.036  B(0.95/0.05/1) 5.16  0.036  C(0.9/0.1/1)  5.43  0.038  D(0.85/0.15/1) 7.21  0.081  E(0.8/0.2/1)  6.02  0.069      1.7    CONCLUSSION          Since commercial tetrafunctional GA‐240 is a relatively hard and  brittle material.    Blending siloxane and imide‐containing tetrafunctional  epoxy III into GA‐240 to improve the physical properties appears  permissible.    The imide group in III contains tertiary amine and played a  catalytic role to the curing reaction of epoxy and lower the activation  energy and curing temperature.    The soft rubber section of siloxane  played a toughness role. The co‐cured materials apparently showed  improved dimensional stability, lower thermal expansion coefficient, and  enhanced toughness.    However, increased dielectric constant of  samples is the drawback because more OH’s were produced in the cured  material.    This drawback could be possibly improved by using less MDA  as curing agent.   

(55)

33 1.8    REFERENCES  1. (a) A.M. Atta, R. Mansour, and M. I. Abdou, J. Polym. Res., 12(2),  127‐138 (2005).  (b) S. G. Hong, C. K. Chan, and C. C. Chuang,J. Polym. Res., 12(4),  295‐303 (2005).  2. H. Lee and K. Neville, edited, “Handbook of Epoxy Resins”,  McGraw‐Hill, New York, 1967, ch. 4.  3. K. J. Saunders edited, “Organic Polymer Chemistry”, Chapman and  Hall, London, 1973, ch. 16, p.384.  4. S. T. Ozawa, J. Thermal Analysis, 9, 369‐373 (1976).  5. M. k. Um. I. M. Daniel and B. S. Hwang, Composite Sci. & Technol., 62,  29‐40 (2002).  6. J. A. Ramos, N. Pagani, C. C. Riccardi, J. Borrajo, S. N. Goyares and I.  Mondragon, Polymer, 46,3323‐3328 (2005).  7. P. Masto, E. Martuscelli, G. Ragosta, and L. Mascia, Polymer, 42,  5189‐5198 (2001).  8. D. Rosu, C. N. Cascaval, F. Mustagia, and C. Ciobanu, Thermochimica  Acta, 383, 119‐127 (2002).  9. C. P. Reghunadham Nair, K. K.rishman and K. N. Ninan,  Thermochimica acta, 359, 61‐69 (2000).  10. T. S. Yang, J. Chen, and L. Fan, Europ. Polym.J, 43, 1470‐79 (2007)  11. .C. Keith Riew, edited, “Rubber‐Toughened Plasyics”, Advances in  chemistry series 222, ACS, Washington DC, 1989.    12. M. S. Lin and S.T. Li, Polymer, 38(1), 53‐58 (1997).  13. J. Jang and S. Shin, Polymer, 36, 1199‐1207 (1995).   

(56)

34        

Chapter    II 

 

Low Dielectric Constant POSS‐containing E

poxy Cured 

with POSS‐containing Nadic Anhydride and Siloxane and 

Imide‐containing Anhydride 

 

 

 

                             

(57)

35 2.1    ABSTRACT        The commercially available epoxy (ERL‐4221) was with both  POSS‐containing nadic anhydride (POSS‐A) plus siloxane‐ and  imide‐containing anhydride( I).    POSS‐A was prepared by hydrosylilation  of nadic anhydride with dimethylsilane cyclopentyl‐POSS schwab hydride.    The structure of POSS‐A was confirmed by 1HNMR and IR spectra.    The  thermal properties of cured epoxy were characterized with DSC, TGA and  TMA.    Dielectric constant was measured with Du Pont DEA 2970  dielectric analyzer at 1 MHz.  Experimental result revealed that increasing POSS content results  in a decrease of dielectric constant.    However, the decreased dielectric  constant appears to be compensated by the polar OH groups produced  during epoxy curing reaction.    The bulky POSS moiety probably  hindered the epoxy curing reaction, resulting in incomplete cure and  relatively low gel fraction.    Consequently the observed Tg can not be  increases.  Keywords: POSS‐containing nadic anhydride, cured epoxy, thermal  properties, decreased dielectric constant.    2.2    INTRODUCTION        POSS molecule has been successfully incorporated into linear  polymer chain to form nanocomposite materials since 1993.    These  materials showed improved thermal and mechanical properties.      Examples found in literature, including methacrylates [1], styrenics [2],  norbornens [3,4] ,urethanes [5], cyanate ester [6],and others [7‐11] .    In 

(58)

36 view of the POSS molecule, its cubic structure is constructed from Si‐O‐Si  bonds with a cyclopentyl ring connected to each Si‐ atom.    Such a  unique nano scale structure would remain in the polymer matrix,  resulting in nanocomposite as reported in literature.    On the other  hand, since the Si‐O‐Si moiety is hydrophobic, and therefore, when POSS  molecule is incorporated into polymer matrix, it would be expected to  show a decreased dielectric constant.    Our previous report [12] on a  study of co‐cured tetrafunctional epoxy, although showed enhanced  thermal and mechanic properties, however, a drawback in an increased  dielectric constant was inevitablly observed because lots of polar OH  groups produced during epoxy cure.    Therefore, in order to enhance  thermal, mechanical and dielectric properties, we are interested in  preparing this material from di‐functional epoxy co‐cured with both  POSS‐A and siloxane‐ and imide‐containg anhydride (I).    2.3    EXPERIMENTAL  2.3.1    Chemicals          Dimethylsilane cyclopentyl‐POSS schwab hydride was purchased  from Hybrid Plastics, USA.    5‐norbornene‐2,3‐dicarboxylic anhydride  was bought from Merck Co. , teatramethyl disiloxane was shiped from  Lancaster Co., platinum‐ cyclovinyl methylsiloxane complex from UCT Co.,  and 5‐amino‐ 1‐naphthol from Showa Co..    The commercial ly available  difunctional epoxy resin (ERL‐4221) with an epoxy equivalent weight of  142 g/eq. and a structure of        O O O C H2 O

(59)

37 was purchased from Union Carbide, USA.    Determination of epoxy  equivqlent weight (EEW) was done by the pyridinium chloride method  [6].    5,5’‐(1,1,3,3‐tetramethyl‐ 1,1,3,3‐disiloxa nedialyl)‐bis‐norbornane‐  2,3‐dicarboxylic anhydride (anhydride I) was synthesized from the  hydrosylilation of 5‐norbornene‐ 2,3‐dicarboxylic anhydride and tetra‐  methyldisiloxane, using platinum‐ cyclovinyl‐ methylsiloxane complex as  catalyst, as reported in our previous paper [12].  Synthesis of 5‐norbornene‐2,3‐dicarboxylic anhydride dimethyl‐  silaneyl cyclopentyl‐POSS (POSS‐A)    Into a three‐necked flask, nadic  anhydride (2.46 d, 0.015 mole) in toluene (100 ml) together with  platinum‐cyclo‐ vinyl methylsiloxane complex (0.1 ml) was charged,  keeping temperature at 80 o C. Then, dimethylsilane cyclopentyl‐POSS  schwab hydride (9.75 g, 0.01 mole) was added gradually. The reaction  proceeded for 46 hours, and then, most toluene was removed by rotary  evaporator.    As acetonitrile (25 ml) ) was added to the above residue,  white solid product (POSS‐A) was isolated (9.40 g, 82.6% yield), with mp 

of 157‐8 o C after recrystallization.    1H‐NMR(Figure 1.1)shows δ:0.01

~0.2(m,12H),0.6(t,1H),0.95(m,Cy‐CH,7H)  ,1.55(m,Cy‐CH2, 42H),1.72(m,Cy‐CH2,14H),2.8(m,1H),3.9(m,2H)    2.3.2    Sample Preparation  Epoxy(ERL‐4221)/Anhydride I/POSS‐A in equivalent ratios of (A)  1/0.8/0, (B) 1/0.8/0.03, (C) 1/0.8/0.05, and (D) 1/0.8/0.1 were blended,  together with each 1.8 x 10‐4 mole of 1‐methylimidazole as catalyst.   

(60)

38 Samples were heated to pe‐cure, cure, and post‐cure, respectively at:  Sample A: 125℃(1 hour), 140℃(3 hours), 160℃(1 hour)  Sample B: 125℃(1 hour), 140℃(3 hours), 160℃(1 hour)  Sample C: 130℃(1 hour), 150℃(3 hours), 165℃(1 hour)  Sample D: 140℃(1 hour), 160℃(3 hours), 175℃(1 hour)    2.3.3    Instruments 

          1HNMR  spectrum  was  performed  with  Varian  Unity‐300  NMR  spectrometer, using d‐chloroform as solvent.    IR spectra were obtained  with  FTIR  (Avatar  360FT‐IR,  Nicolet  Co  with  a  resolution  of  4  cm‐1),  wave‐number scanned from 400 to 4000cm‐1. DSC (Differential Scanning  Calorimeter)  thermograms  were  obtained  with  Perkin‐Elmer  DSC  7  instrument at a heating rate of 10℃/min. in a nitrogen flow of 80ml/min.    TGA (Thermogravimetric Analyzer) thermograms were obtained with Du  Pont  TA  2950,  at  a  heating  rate  of  10℃/min.  in  a  nitrogen  flow  of  100ml/min.    TMA  (Thermomechanical  analyzer)  thermograms  were  measured  with  Du  Pont  TA2940instrument.  Dielectric  constants  were  tested with DuPont Dielectric Analyzer (DEA 2970) at 1 MHz.    2.4    RESULTS and DISCUSSIONS        The synthesis procedures was followed according to Scheme I.              Scheme I:

 

O O O Si O Si CH3 CH3 CH3 CH3 H H O O O Si CH3 CH3 O Si CH3 CH3 O O O + 2 Pt complex toluene,80℃

 

       

Ⅰ 

(61)

39 Si Si O Si O Si O O O Si O Si O Si O O O O O Si Cy Cy Cy Cy Cy Cy Cy O SiH CH3 CH3 O O O Si Si O Si O Si O O O Si O Si O Si O O O O O Si Cy Cy Cy Cy Cy Cy Cy O Si CH3 CH3 O O O + toluene,80℃Pt complex Cy=cyclopentyl   POSS‐A  5,5’‐(1,1,3,3‐tetramethyl‐1,1,3,3‐disiloxanedialyl)‐bis‐norbornane‐  2,3‐dicarboxylic anhydride ( I ) 

was synthesized by hydrosylilation 

of  5‐norbornene‐2,3‐dicarboxylic  anhydride  and  tetra‐methyldisiloxane,  using  platinum‐cyclovinyl‐methylsiloxane  complex  as  catalyst,  as  reported  in  our  previous  paper  [12].   

Similar  hydrosylilation  was 

employed 

to  prepare  POSS‐A

  from 

5‐norbornene‐  2,3‐dicarboxylic  anhydride  (i.e.,  nadic  anhydride)  and  dimethylsilane  cyclopentyl‐POSS  schwab hydride.    The 1H‐NMR spectrum was used to monitor the peak  changes.    As  hydrosylilation  proceeded,  it  was  found  that  the  peak  of  the  active  hydrogen  on  the  POSS  gradually  decreased,  and  eventually  completely vanished after 46 hours of reaction. The 1H‐NMR spectrum of  POSS‐A is given in Figure 2.1.    FT‐IR(Figure 2.2)of POSS‐A shows the  characteristic absorption of anhydride at 1850, 1778 ㎝‐1(anhydride,C =O stretching)and 1221 ㎝‐1(anhydride,C—O—C stretching).    While  the  absorption  of  C=C  at  1680 ㎝‐1  on  the  reactant  nadic  anhydride  dispeared,  indicating  that  POSS  was  successfully  bonded  to  nadic  anhydride. 

(62)

    Figu     Figu ure 2.1 1H ure 2.2 FT H‐NMR spe T‐IR spectr ectrum of  rum of PO 40 POSS‐A  SS‐A   

(63)

41 2.4.1    Dynamic DSC           The dynamic DSC thermograms are given in Figure 2.3, from which  the maximum exothermic peak of each sample was found.    The  maximum exothermic peaks for was found at 140 to 160℃.    It appears  that as more POSS incorporated, the maximum curing exothermic peak  shifts to higher temperature, presumably because the bulky POSS  molecule hindered the curing reaction, and a higher temperature would  compensate such a steric hindrance.    Based on the collected data,  proper curing condition was set for the material as mentioned in the  experimental section.  Figure 2.3 Dymamic DSC of system  Ⅱ(ERL‐4221/anhydride/POSS‐A=            1/0.8 /0.05)        1/0.8/0  1/0.8/0.03 1/0.8/0.05 1/0.8/0.1 

(64)

42 2.4.2    Functional Group Changes during Curing Reaction        Figure 2.4 shows FTIR spectra for various compositions during  curing reaction.    Figure 2.5 shows the difference spectra, using benzene  absorbance at νc=c=1511 cm‐1 as internal reference which was set to zero  (the base line).    It was found that the strong absorbances of epoxide at  904 cm‐1 and anhydride at 1780 and 1856cm‐1(anhydride C=O) gradually  decreased with time.    In the meantime, new s absorbances of ester at  1737 cm‐1 (νc=o) and OH at 3500 to 3600 cm‐1 (νOH) gradually increased.   

All these fuctional groups changes account for the smoothly curing of  epoxy by anhydride.        Figure 2.4 FT‐IR spectrum of system Ⅱ(ERL‐4221/anhydride/POSS‐A=1/  0.8/ 0.05)            130 ℃ /20min Start 140 ℃ /20min 155 ℃ /20min 165 ℃ /20min

數據

Figure  3.15  FTIR  difference  spectra  (At  –  Ao,  t  in  mins  )  of  the  blend  (epoxide/c=c/cyano=1/1/1) during co‐curing reaction at 250 
Figure  4.2  Successive  IR  absorbance  (A t ,  t  in  mins.)  changes  for  BT    resin/epoxy cured at 250  o C   A0 A20 A40 A60 A80 A100 A120 3550  2278 2237  1763  910  717 1708  1694 1652 
Figure  4.6  shows  the  DMA  thermograms  for  the  samples.    The  values  of  storage  moduli  (E’)  Tg’s  are  listed  in  Table  4.5.    While  the  damping (Tan δ) peak hight, peak width and peak area are given in Table  4.6.    It is noted that sam
Table 4.6    Damping peak height, peak width and peak area. 
+6

參考文獻

相關文件

‹ Based on the coded rules, facial features in an input image Based on the coded rules, facial features in an input image are extracted first, and face candidates are identified.

在相隔 80 公尺的兩根電線桿中間,每隔 20 公尺種榕樹一 棵,在兩棵榕樹之間種椰子樹 3

Teachers may encourage students to approach the poem as an unseen text to practise the steps of analysis and annotation, instead of relying on secondary

Curriculum planning - conduct holistic curriculum review and planning across year levels to ensure progressive development of students’ speaking skills in content, organisation

The research purposes of this paper are discussing the special connotation of the śūraṃgama-samādhi, and based on the Buddhist scriptures and treatises discussing the

Without such insight into the real nature, no matter how long you cul- tivate serenity (another way of saying samatha -- my note) you can only suppress manifest afflictions; you

These include corrugated, verrucous or papillary architec- ture, hyperkeratosis or parakeratosis with epithelial atro- phy, bulky squamous epithelial proliferation with exophytic

Use images to adapt a generic face model Use images to adapt a generic face model. Creating