论文部分内容阅读
在微电子工业中,由于高集成度、特征尺寸的减小,导致信号阻容(RC)延迟、信号串扰和额外功耗的影响日益增大,因而采用具有低介电常数的层间电介质材料以减弱此影响变得日益重要。聚酰亚胺(Polyimide,PI)材料因其优异的电气绝缘性能(介电常数≈3.0~4.0,介电损耗≈0.02)、机械性能和耐高温性等特点而被广泛用作柔性介质材料。然而,其介电常数需要进一步降低,才能更好地满足当前微电子产业高集成度的发展需求。本论文以开发具有更低介电常数的PI薄膜为目标,首先研究了四种由不同结构重复单元形成的PI薄膜重复单元结构与其性能之间的关系,而后选择上述研究中介电常数最低的PI体系,通过化学亚胺化的方式使其完成亚胺化过程,制得N,N’-二甲基甲酰胺(N,N’-Dimethylformamide,DMF)溶剂可溶型PI粉末。随后将沸石咪唑酯骨架化合物8(Zeolite imidazole framework-8,ZIF-8)纳米颗粒引入到DMF溶剂可溶型PI基底中,以进一步降低其介电常数。ZIF-8具有高孔隙率、稳定的骨架结构以及良好的有机相容性和超疏水性,能够向聚合物中引入纳米孔、引入空气,降低材料的介电常数。除了介电性能,本论文还系统地表征和分析了薄膜的吸水性和力学性能。具体研究内容如下:以2,2’-双(三氟甲基)-4,4’-二氨基联苯(2,2’-bis(trifluoromethyl)benzidine,TFMB)、4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-Oxydianiline,ODA)、4,4’-联苯醚二酐(4,4’-Oxydiphthalic anhydride,ODPA)、3,3’,4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐(3,3’,4,4’-Benzophenonetetracarboxylic dianhydride,BTDA)为原料,在完全相同条件下制备了TFMB-BTDA、ODA-BTDA、TFMB-ODPA、ODA-ODPA四种化学体系的PI薄膜,研究了PI分子主链重复单元结构差异对其性能的影响。通过对四种体系PI薄膜的性能分析,结果证明:PI薄膜的介电常数随着大体积侧基基团的引入、主链柔性的增加以及主链中极性基团的减少而明显下降。同时,PI薄膜的拉伸强度随着大体积侧基基团的引入、极性基团的减少、主链柔性的增加而减小。其中TFMB-ODPA体系PI介电常数2.85(1 MHz,较ODA-ODPA体系PI降低了4.40%)、拉伸强度81.9 MPa(较TFMB-BTDA体系PI薄膜89.2 MPa降低了8.2%。基于上述结论,本工作进一步选用上述工作中介电性能最优体系(TFMBODPA)PI,通过化学亚胺化工艺制备得到DMF溶剂可溶型含氟聚酰亚胺(FPI),将ZIF-8纳米颗粒与其混合,制备得到ZIF-8/FPI纳米复合薄膜。研究了ZIF-8加入含量对复合材料介电性能、吸水性和机械性能的影响。结果显示:ZIF-8纳米颗粒的引入进一步降低了复合体系的介电常数,并改善、提高了其机械性能及疏水性。ZIF-8纳米颗粒含量20 wt%的复合薄膜其介电常数最低可达2.34(10 MHz,较纯FPI薄膜降低了17.9%),并且复合薄膜介电损耗也有所下降。ZIF-8纳米颗粒的引入同样改善了材料的吸水性和机械性能,ZIF-8含量为20 wt%时,复合材料吸水率为0.53%(较纯FPI薄膜下降了41.2%),杨氏模量达到3.23 GPa(较纯FPI薄膜提高了88.6%)。