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咪唑类潜伏性固化剂

2020-10-22 17:29 作者:易发体育 点击:

 

  咪唑及其衍生物主要用作环氧树脂的固化剂。随着电子工业的发展,需用量逐年递增,目前这方面的用量达咪唑总产量的90% ~95% 。改性咪唑也常用于胶黏剂、密封剂、涂料、灌封材料及改性材料。

  目前,大规模集成电路(LSI)传输速度的提高以及电子整机结构的简化,促使电子封装向小型化、高性能、高可靠性和低成本方向发展,微电子封装形式也由外部保护向着内部连接转变。因此,相继出现了板上芯片(COB)、芯片尺寸封装(CsP)和多芯片模块(MCM)等低成本高效能的封装形式,所用的封装材料为各向异性导电胶膜(ACt)导电胶糊剂(NCP)。根据ACF和NCP在电子封装中的使用要求,配方中多采用咪唑类潜伏性固化剂,此类固化剂为咪唑衍生物经过化学改性来制备。它与环氧树脂组成的单组分胶黏剂。一般以胶膜和树脂糊的形式使用,通过加热激活固化反应。

  具有使用方便、在室温稳定和高温快速固化的特性,非常适合小、轻、薄的微电子封装。

  潜伏性固化剂的研究为近年微电子封装的热点和难点,一直是环氧树脂固化剂研究中最为活跃的领域,每年都有大量专利出现。其中,咪唑类潜伏性固化剂占据9o%以上的比例,因此 其在微电子封装中占有重要地位。

  咪唑衍生物通过与环氧树脂(环氧化合物)、异氰酸酯、脲形成加成物,与有机酸成盐,与金属盐形成络合物及微包胶囊等方式,制成咪唑类潜伏性固化剂。其获得潜伏性的情况分为以下几种:

  b.咪唑化合物粉体微包胶囊化(Micro—encapsulated),热压破壁固化剂溶出,与环氧树脂进行固化反应。

  C . 咪唑衍生物被某化合物结合(如成盐),常温与环氧树脂贮存稳定,高温时迅速解离。

  d.眯唑化合物l位上的活波H被取代,2位引入庞大侧基,对咪唑分子上的活性点(仲胺基、叔胺基)形成空间位阻,从而降低了它的反应活性,使之具有一定的潜伏性。

  对于微电子封装用固化剂,由于考虑到封装材料快速固化性能,常采用b.C.d三中类型。

  咪唑类固化剂的固化温度通常在120℃以下,所得的固化产物具有良好的耐潮湿性和耐热性,是一种常用的中温固化剂。在它的结构中存在着仲胺和叔胺,因而它与环氧树脂的反应存在两种机理:一是仲胺基上的氢同环氧树脂反应生成仲羟基的反应。一是叔胺的阴离子催化环氧树脂进行开环成醚的聚合反应。一般而言,咪唑体系的贮存期很短,难以制成一液型胶粘剂,需要对它进行改性。

  Cook等对咪唑化合物与双酚A环氧树脂的固化反应进行研究,提出如下反应机制:Scheme l为咪唑2,4位取代化合物与环氧树脂固化反应历程,Scheme 2为咪唑l,2位取代化合物与环氧树脂固化反应历程。

  2,4位取代咪唑和环氧树脂进行固化反应,遵循l:2加成机制,咪唑固化剂不能再生。l位取代咪唑和环氧树脂进行固化反应,采取l:l加成机制,咪唑固化剂能够再生。其中,通过N一烷基消除而再生时,环氧树脂环化聚合 ;通过Hofmann反应(即β—H消除)而再生时,环氧树脂链增长聚合。

  3.1 长碳链咪唑化合物和高熔点咪唑化合物咪唑衍生物通常带有庞大侧基的化合物,由于庞大侧基的存在,对眯唑分子上的活性点(仲胺基、叔胺基)形成空间位阻,从而降低了它的反应活性,使之具有一定的潜伏性。这些衍生物的取代基包括三嗪环、长链烷基、苄基、氰乙基以及取代眯唑的氯化物等。如2一甲基咪唑的适用期为25 h,1一氰基一2一乙基一4一甲基咪唑的适用期为6 d,2一十七烷基咪唑的适用期可达40 d以上,2,3一二羟甲基取代咪唑衍生物,其适用期可达9o天。1,3一二苯基一2一甲基咪唑的氯化物,其适用期可达180天以上u 9l。这些眯唑衍生物的反应温度比相应的咪唑有所提高,一般固化温度在15o℃以上。Cawse和t 20J对长链烷基咪唑衍生物潜伏性固化的研究表明,1一癸烷基一2一乙基咪唑在22℃时的适用期为32天,6o℃下lO h的固化度为83.9%;而2一乙基咪唑在22℃时的适用期为2天,60℃下lO h的固化度为79.6%。他们认为,咪唑环2,3,4位取代碳数为8个以上的长链环氧(二环氧)化合物,或咪唑环1位取代碳数为l4 l8个以上的长链半环氧化合物,可以极大地提高咪唑固化剂的潜伏性能而不影响固化性能。

  3.2 咪唑与环氧树脂【环氧化合物)的加成物美国明尼苏达矿产公司的专利报道了制备咪唑新型固化剂的方法,200 g Epon828TM环氧树脂,87.8 g 2一苯基咪唑,300 ml去离子水,于70℃下反应,热峰温度达到10212。反应的混合物倾于铝盘冷却,真空干燥得到产品,产品在室温为固体。旭化成的大掾雅彦等,将82份2一苯基咪唑与150份AER 330环氧树脂溶解到400份二甲苯中反应,得到加成物(固化剂)。取8份该加成物与100份环氧树脂AER 331混合,得到混合物,12012凝胶时间4.5min。

  咪唑与异氰酸酯的加成物可降低固化温度、延长固化剂的适用期。固化温度降低40℃,适用期延长30倍。加成物在70—110℃(2下可解离成异氰酸酯和咪唑化合物,再生的咪唑化合物首先与环氧基反应生成羟基,羟基再与异氰酸酯反应。1一(2一氨基乙基)一2一甲基咪唑和甲苯二异氰酸酯(TDI)加成物用作双氰胺的促进剂,用于单组分环氧组成物的固化。例如,EponTM 828环氧树脂100份,双氰胺6份及上述加成物3.4份的组成物,40℃下存放10 d黏度无变化,于170℃下6 s固化。

  旭化成还公开了欧洲专利,将环氧树脂和2一甲基咪唑(2Mz)分散到己烷中,反应产物粉化后再与甲苯二异氰酸酯(TDI)在40℃下反应,通过表面氨酯化得到潜伏性固化剂。在后来的El本专利中也有报道,如大El本油墨关于ACF的专利中报道,1:2摩尔比的酚醛环氧树脂与2一乙基一4一甲基咪唑(2E4Mz)混合,在二甲苯120~(2加热,得到加成物,粉碎成3 的颗粒,取8份加成物颗粒,分散到100份己烷中,与3.5份二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)在25℃下搅拌,得到固化剂促进剂。住友公司有关ACF的专利[27]中报道,2 mol的2E4MZ与1mol的双酚A二缩水甘油醚(低相对分子质量环氧树脂,n=0)AER 330的加成物,粉碎后分散到己烷中,加入5%的MDI,40℃搅拌24 h,得到氨酯化的潜伏性固化剂。旭化成最近关于环氧树脂固化成分的报道,使用2一甲基咪唑(2Mz)与环氧树脂加成物再与双酚F环氧树脂,萘基环氧树脂混合,用MDI氨酯化,得到一种潜伏性固化剂。住友公司的小林道雄将2一乙基咪唑/环氧加成物溶于有机溶剂中,加入多异氰酸酯搅拌混合,得到一种表面氨酯化的微包胶囊固化剂。使用该固化剂的各向异性导电胶膜,用于芯片与精细电路的内部连接,具有高温快速固化、室温保存性能和高可靠性。目前,旭化成的HX3748、HX3921固化剂即是这类潜伏性固化剂的代表。

  El本能源K.K公司在1998年的公开特许中提到,咪唑与 γ-(2,3一环氧丙氧基)丙基三甲氧硅烷,在95℃反应,然后与顺丁烯二酸酐在80℃反应。制备的甲硅烷基咪唑多羧酸盐与Epikote 828环氧树脂配合,显示良好的储存稳定性,凝胶时间106 8,铜片间的剪切强度23 MPa,弯曲强度104 MPa。美国航空制品与化学品公司开发了一种咪唑磷酸盐,作为含有双氰胺的单组分环氧涂料和胶黏剂的固化促进剂,其结构为

  式中,咪唑化合物为1一甲基咪唑,2一苯基咪唑和2一甲基咪唑。四国化成(株)的村井信之采用长碳链取代咪唑与已二酸反应,制备咪唑已二酸盐化合物,既可以用作环氧树脂和双氰胺的固化促进剂,也可作为固化剂单独使用。其中,2一十一烷基咪唑已二酸二盐,与环氧树脂组成的单组分胶黏剂,150℃(2下固化时间为35 8,40℃下的储存期大于一个月。

  泽夏雄等将1—8一氨基乙基一2一甲基咪唑(AMz),分别和0.5 mol、1 mol脲反应,制成单脲体和双脲体,用作环氧树脂的固化剂,其适用期延长十多倍。单脲体和双脲体与AMZ相比,其固化物的物理力学、热和电性能基本不变。

  Barton等研究了咪唑金属盐络合物对环氧树脂的固化期与最终性能的关系。该咪唑金属盐络合物在常温下稳定,12012时可以解离络合,放出的咪唑化合物促进固化反应。

  日本Kmsai涂料公司采取咪唑与环氧树脂的加成物,再与金属盐络合,用作酸酐、双氰胺和线性酚醛固化环氧树脂的催化剂。例如:375 g Epikote828环氧树脂溶于甲基异丁基酮(M珥K)中,于6ocI=滴加264 g 2F_AN—Z得到加成物,其环氧当量428。取1014 g(63~固体含量)与81.8 g zIlQ2反应,得到66%固体含量的金属络合物。

  Shioh等研制的微包胶囊固化促进剂,采用聚甲基丙烯酸酯作包衣剂、咪唑衍生物和三苯基膦作核的颗粒,平均粒径0.5-50μm。与四甲基双酚A环氧树脂、线性酚醛环氧树脂、SiO2等组成的储存稳定的环氧树脂组分,用于半导体器件的密封。Bmndys等研制的微包胶囊固化促进剂,包衣剂也采用聚甲基丙烯酸酯,核为3,4-二苯基咪唑氯化铜络合物,用于双氰胺和环氧树脂的固化促进剂。曹明等合成的微包胶囊固化促进剂,采用十烷基苯基硅氧烷梯形共聚物为壳,超声分散加喷雾干燥的咪唑颗粒为核。据称此方法制备的环氧基微电子封装料,可以显著提高储存期。

  Honda等研发一种不导电胶膜(NCF)材料,是由2一苯基一4,5一二羟甲基咪唑(2P~Z)、三苯基膦、酚醛树脂和环氧树脂制成B阶半固化层压膜,用于集成电路(IC)的芯片尺寸封装(csP)。其中,双官能团的酚醛树脂作为环氧树脂线P眩)作为线性聚合物立体交联成为网状聚合物的第二固化剂,三苯基膦是固化加速剂。中司卓男等用2,4EN— z与Epikote 828环氧树脂在丁酮中反应,得到的加成物用硼酸三甲酯处理,获得潜伏性固化剂。该固化剂20份与100份Epikote 828环氧树脂混合,40℃凝胶时间大于一个月。SaitaIm等使用低反应活性的邻甲酚醛树脂与咪唑衍生物反应,制备潜伏性固化剂。如邻甲酚醛树脂l80份,沸石l00份,l一氨乙基一2一甲基一咪唑3o份,经捏合机捏合,冷却后研成粉末而得到固化剂成分。该固化剂与环氧树脂固化,l50℃凝胶时间l min,粘接强度23.6MPa。

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