chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2024-19-1-52-60chemicallytech-2032Research ArticleSYNTHESIS AND PROCESSING OF POLYMERS AND POLYMERIC COMPOSITESСИНТЕЗ И ПЕРЕРАБОТКА ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕSynthesis of copolymers based on divinylbenzene and dibenzocyclobutyldimethylsilane and a study of their functional characteristicsСинтез сополимеров на основе дивинилбензола и дибензоциклобутилдиметилсилана и исследование их функциональных характеристикhttps://orcid.org/0000-0001-6196-3685ЛобановаА. В.LobanovaA. V.

Лобанова Анна Васильевна - аспирант кафедры химии и технологии элементоорганических соединений им. К.А. Андрианова, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова.

119571, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Anna V. Lobanova - Postgraduate Student, K.A. Andrianov Department of Chemistry and Technology of Organoelement Compounds, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies.

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

anilovand@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1509-7365ЛевченкоК. С.LevchenkoK. S.

Левченко Константин Сергеевич - к.х.н., начальник лаборатории разработки новых функциональных материалов для электроники и фотоники, Scopus Author ID 22938411800.

121108, Москва, ул. Ивана Франко, д. 4

Konstantine S. Levchenko - Cand. Sci. (Chem.), Head of the Laboratory for the Development of New Functional Materials for Electronics and Photonics, Technomash, Scopus Author ID 22938411800.

4, Ivana Franko ul., Moscow, 121108

k.s.levchenko@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8816-1666АдамовГ. Е.AdamovG. E.

Адамов Григорий Евгеньевич - к.т.н., начальник лаборатории разработки технологии получения функциональных структур для электроники и фотоники. Scopus Author ID 24066302800.

121108, Москва, ул. Ивана Франко, д. 4

Grigory E. Adamov - Cand. Sci. (Eng.), of the Laboratory for the Development of Technology for Obtaining Functional Structures for Electronics and Photonics, Technomash Scopus Author ID 24066302800.

4, Ivana Franko ul., Moscow, 121108

https://orcid.org/0000-0003-4331-7959ШмелинП. С.SmelinP. S.

Шмелин Павел Сергеевич - к.т.н., начальник научно-исследовательского отдела функциональных материалов. Scopus Author ID 37073565000, ResearcherID F-7846-2014.

121108, Москва, ул. Ивана Франко, д. 4

Pavel S. Shmelin - Cand. Sci. (Eng.), Head of the Research Department of Functional Materials, Technomash Scopus Author ID 37073565000.

4, Ivana Franko ul., Moscow, 121108

pshmelin@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7315-4084ГребенниковЕ. П.GrebennikovE. P.

Гребенников Евгений Петрович - д.т.н. заместитель директора Инновационно-инжинирингового центра микросенсорики. Scopus Author ID 36860540400.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Evgeny P. Grebennikov - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Deputy Director, Innovation and Engineering Center of Microsensory. Scopus Author ID 36860540400.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

Grebennikov@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9225-9551КирилинА. Д.KirilinА. D.

Кирилин Алексей Дмитриевич - д.х.н., профессор, заведующий кафедрой химии и технологии элементоорганических соединений им. К.А. Андрианова, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова. Scopus Author ID 6603604447, ResearcherID О-9744-215.

119571, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Alexey D. Kirilin - Dr. Sci. (Chem.), Professor, Head of the K.A. Andrianov Department of Chemistry and Technology of Organoelement Compounds. Scopus Author ID 6603604447, ResearcherID О-9744-215.

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

kirilinada@rambler.ruМИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М.В. ЛомоносоваРоссияMIREA – Russian Technological University (Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian FederationЦентральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш»РоссияCentral Research Institute of Technology “Technomash”Russian Federation2024020320241915260Copyright © Lobanova A.V., Levchenko K.S., Adamov G.E., Smelin P.S., Grebennikov E.P., Kirilin А.D., 20242024Лобанова А.В., Левченко К.С., Адамов Г.Е., Шмелин П.С., Гребенников Е.П., Кирилин А.Д.Lobanova A.V., Levchenko K.S., Adamov G.E., Smelin P.S., Grebennikov E.P., Kirilin А.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/2032Objectives

Objectives. To create new polymer materials based on organosilicon derivatives of benzocyclobutene and to study the possibility of their use as insulating dielectric layers in micro- and microwave electronics devices.

Methods

Methods. The synthesis of the dibenzocyclobutyldimethylsilane (diBCB-DMS) monomer was carried out from 4-brombenzocyclobutene through the production stage of the Grignard reagent. Copolymers based on divinylbenzene and dibenzocyclobutyldimethylsilane were obtained by means of thermal polymerization. The properties and structure of the copolymers thus obtained were studied using the following methods: thermogravimetric analysis, infrared spectroscopy, nuclear magnetic resonance (NMR), mass spectroscopy, and by means of high-frequency measurements of volt-ampere characteristics and volumetric resonator.

Results

Results. diBCB-DMS was synthesized with a yield of 81.5%. The composition and structure were confirmed by 1H and 13C NMR spectroscopy. The dielectric constant of the diBCB-DMS homopolymer is ~2.6. The tangent of the dielectric loss angle at 1 GHz of the diBCB-DMS homopolymer is 2.3∙10−4. The tangent of the dielectric loss angle at 10 GHz of the diBCB-DMS homopolymer is 2.6∙10−4. The study of divinylbenzene and diBCB-DMS copolymers in different molar ratios on a thermogravimetric analyzer showed that the copolymers are able to withstand temperatures up to 470°C. The dielectric permittivity of diBCB-DMS and divinylbenzene copolymers in a molar ratio of 1 : 1 was 2.6. The values of the loss tangent at 1 and 10 GHz of copolymers in a molar ratio of 1 : 1 were 4.0∙10−4 and 5.6∙10−4, respectively.

Conclusion

Conclusion. Analysis of the obtained results shows that the samples of the diBCB-DMS homopolymer have the same dielectric characteristics as the samples based on diBCB-DMS and divinylbenzene, therefore, the introduction of divinylbenzene into the polymer structure does not worsen the dielectric parameters and such polimer materials can be used at high temperatures.

Цели

Цели. Создание новых полимерных материалов на основе кремнийорганических производных бензоциклобутена и изучение возможности их использования в качестве изолирующих диэлектрических слоев в устройствах микро- и СВЧ-электроники.

Методы

Методы. Синтез мономера дибензоциклобутилдиметилсилана (diBCB-DMS) проводился из 4-бромбензоциклобутена через стадию получения реактива Гриньяра. Сополимеры на основе дивинилбензола и diBCB-DMS получали термополимеризацией. Исследование свойств и строение полученных сополимеров проводилось с помощью термогравиметрического анализа, инфракрасной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса (ЯМР), масс-спектроскопии, а также методами высокочастотных измерений вольт-амперных характеристик и объемного резонатора.

Результаты

Результаты. Синтезирован дибензоциклобутилдиметилсилан с выходом 81.5%, состав и строение которого подтверждены с помощью 1H и 13C ЯМР-спектроскопии. Диэлектрическая проницаемость гомополимера diBCB-DMS составила ~2.6. Тангенс угла диэлектрических потерь при 1 ГГц гомополимера diBCB-DMS равен 2.3∙10−4. Тангенс угла диэлектрических потерь при 10 ГГц гомополимера diBCB-DMS равен 2.6∙10−4. Исследование сополимеров дивинилбензола и diBCB-DMS в разном мольном соотношении на термогравиметрическом анализаторе показало, что сополимеры способны выдерживать температуру до 470℃. Диэлектрическая проницаемость сополимеров diBCB-DMS и дивинилбензола в мольном соотношении 1 : 1 составила 2.6. Значения тангенса угла диэлектрических потерь при 1 ГГц и 10 ГГц сополимеров в мольном соотношении 1 : 1 составили 4.0∙10−4 и 5.6∙10−4 соответственно.

Выводы

Выводы. Анализ полученных результатов показывает, что образцы гомополимера diBCB-DMS имеют такие же диэлектрические характеристики, как и образцы на основе diBCB-DMS и дивинилбензола, следовательно, введение дивинилбензола в структуру полимера не ухудшает диэлектрические показатели, и такие полимерные материалы можно использовать при высоких температурах.

бензоциклобутендивинилбензолдибензоциклобутилдиметилсиландиэлектрическая проницаемостьтангенс угла потерьТГАматериалы для электроникикремнийорганические полимерыbenzocyclobutenedivinylbenzenedibenzocyclobutyldimethylsilanedielectric permittivityloss tangentTGAmaterials for electronicsorganosilicon polymersReferencesZuniga C.A., Abdallah J., Haske W., Zhang Y., Coropceanu I., Barlow S., Kippelen B., Marder S.R. Crosslinking using rapid thermal processing for the fabrication of efficient solutionprocessed phosphorescent organic light‐emitting diodes. Adv. Mater. 2013;25(12):1739–1744. https://doi.org/10.1002/adma.201204518Zuniga C.A., Abdallah J., Haske W., Zhang Y., Coropceanu I., Barlow S., Kippelen B., Marder S.R. Crosslinking using rapid thermal processing for the fabrication of efficient solutionprocessed phosphorescent organic light‐emitting diodes. Adv. Mater. 2013;25(12):1739–1744. https://doi.org/10.1002/adma.201204518Cao L., Grimault-Jacquin A.S., Zerounian N., Aniel F. Design and VNA-measurement of coplanar waveguide (CPW) on benzocyclobutene (BCB) at THz frequencies. Infrared Phys. Technol. 2014;63:157–164. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2013.12.023Cao L., Grimault-Jacquin A.S., Zerounian N., Aniel F. Design and VNA-measurement of coplanar waveguide (CPW) on benzocyclobutene (BCB) at THz frequencies. Infrared Phys. Technol. 2014;63:157–164. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2013.12.023Chen Q., Yu W., Huang C., Tan Z., Wang Z. Reliability of through-silicon-vias (TSVs) with benzocyclobutene liners. Microelectron. Reliab. 2013;53(5):725–732. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2012.12.012Chen Q., Yu W., Huang C., Tan Z., Wang Z. Reliability of through-silicon-vias (TSVs) with benzocyclobutene liners. Microelectron. Reliab. 2013;53(5):725–732. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2012.12.012Hyeon I.J., Park W.Y., Lim S., Baek C.W. Ku-band bandpass filters using novel micromachined substrate integrated waveguide structure with embedded silicon vias in benzocyclobutene dielectrics. Sens. Actuators A: Phys. 2012;188(12):463–470. https://doi.org/10.1016/j.sna.2012.02.012Hyeon I.J., Park W.Y., Lim S., Baek C.W. Ku-band bandpass filters using novel micromachined substrate integrated waveguide structure with embedded silicon vias in benzocyclobutene dielectrics. Sens. Actuators A: Phys. 2012;188(12):463–470. https://doi.org/10.1016/j.sna.2012.02.012Makihata M., Tanaka S., Muroyama M., Matsuzaki S., Yamada H., Nakayama T., Esashi M. Integration and packaging technology of MEMS-on-CMOS capacitive tactile sensor for robot application using thick BCB isolation layer and backsidegrooved electrical connection. Sens. Actuators A: Phys. 2012;188:103–110. https://doi.org/10.1016/j.sna.2012.04.032Makihata M., Tanaka S., Muroyama M., Matsuzaki S., Yamada H., Nakayama T., Esashi M. Integration and packaging technology of MEMS-on-CMOS capacitive tactile sensor for robot application using thick BCB isolation layer and backsidegrooved electrical connection. Sens. Actuators A: Phys. 2012;188:103–110. https://doi.org/10.1016/j.sna.2012.04.032Yang J., Sun M., Cheng Y., Xiao F. Study of benzocyclobutenefunctionalized siloxane thermoset with a cyclic structure. In: 2011 12th International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging. IEEE. 2011. https://doi.org/10.1109/ICEPT.2011.6066841Yang J., Sun M., Cheng Y., Xiao F. Study of benzocyclobutenefunctionalized siloxane thermoset with a cyclic structure. In: 2011 12th International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging. IEEE. 2011. https://doi.org/10.1109/ICEPT.2011.6066841Yang J., Cheng Y., Xiao F. Synthesis, thermal and mechanical properties of benzocyclobutene-functionalized siloxane thermosets with different geometric structures. Eur. Polym. J. 2012;48(4):751–760. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2012.01.006Yang J., Cheng Y., Xiao F. Synthesis, thermal and mechanical properties of benzocyclobutene-functionalized siloxane thermosets with different geometric structures. Eur. Polym. J. 2012;48(4):751–760. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2012.01.006Zuo X., Yu R., Shi S., Feng Z., Li Z., Yang S., Fan L. Synthesis and characterization of photosensitive benzocyclobutenefunctionalized siloxane thermosets. J. Polym. Sci. A: Polym. Chem. 2009;47(22):6246–6258. https://doi.org/10.1002/pola.23668Zuo X., Yu R., Shi S., Feng Z., Li Z., Yang S., Fan L. Synthesis and characterization of photosensitive benzocyclobutenefunctionalized siloxane thermosets. J. Polym. Sci. A: Polym. Chem. 2009;47(22):6246–6258. https://doi.org/10.1002/pola.23668Rabanzo-Castillo K.M., Kumar V.B., Söhnel T., Leitao E.M. Catalytic synthesis of oligosiloxanes mediated by an air stable catalyst, (C6F5)3B(OH2). Front. Chem. 2020;8:477. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00477Rabanzo-Castillo K.M., Kumar V.B., Söhnel T., Leitao E.M. Catalytic synthesis of oligosiloxanes mediated by an air stable catalyst, (C6F5)3B(OH2). Front. Chem. 2020;8:477. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00477Li J., Zhang Z., Zhu T., Li Z., Wang J., Cheng Y. Multibenzocyclobutene functionalized siloxane monomers prepared by Piers-Rubinsztajn reaction for low-k materials. Eur. Polym. J. 2020;126:109562. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2020.109562Li J., Zhang Z., Zhu T., Li Z., Wang J., Cheng Y. Multibenzocyclobutene functionalized siloxane monomers prepared by Piers-Rubinsztajn reaction for low-k materials. Eur. Polym. J. 2020;126:109562. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2020.109562Chen X., Wang J., Sun J., Fang Q. High performance low dielectric polysiloxanes with high thermostability and low water uptake. Mater. Chem. Front. 2018;2(7):1397–1402. https://doi.org/10.1039/C8QM00104AChen X., Wang J., Sun J., Fang Q. High performance low dielectric polysiloxanes with high thermostability and low water uptake. Mater. Chem. Front. 2018;2(7):1397–1402. https://doi.org/10.1039/C8QM00104AShi Q., Pen, Q., Wu S., Long Q., Deng Y., Huan, Yang J. Benzocyclobutene‐containing carbosilane monomers as a route to low‐κ dielectric and low dielectric loss materials. ChemistrySelect. 2022;7(15):e202104413. https://doi.org/10.1002/slct.202104413Shi Q., Pen, Q., Wu S., Long Q., Deng Y., Huan, Yang J. Benzocyclobutene‐containing carbosilane monomers as a route to low‐κ dielectric and low dielectric loss materials. ChemistrySelect. 2022;7(15):e202104413. https://doi.org/10.1002/slct.202104413Yang J., Liu S., Zhu F., Huang Y., Li B., Zhang L. New polymers derived from 4‐vinylsilylbenzocyclobutene monomer with good thermal stability, excellent film‐forming property, and low‐dielectric constant. J. Polym. Sci. A: Polym. Chem. 2011;49(2):381–391. https://doi.org/10.1002/POLA.24437Yang J., Liu S., Zhu F., Huang Y., Li B., Zhang L. New polymers derived from 4‐vinylsilylbenzocyclobutene monomer with good thermal stability, excellent film‐forming property, and low‐dielectric constant. J. Polym. Sci. A: Polym. Chem. 2011;49(2):381–391. https://doi.org/10.1002/POLA.24437Sakellariou G., Ji H., Mays J.W., Baskaran D. Enhanced polymer grafting from multiwalled carbon nanotubes through living anionic surface-initiated polymerization. Chem. Mater. 2008;20(19):6217–6230. https://doi.org/10.1021/cm801449tSakellariou G., Ji H., Mays J.W., Baskaran D. Enhanced polymer grafting from multiwalled carbon nanotubes through living anionic surface-initiated polymerization. Chem. Mater. 2008;20(19):6217–6230. https://doi.org/10.1021/cm801449tLevchenko K.S., Adamov G.E., Demin D.Y., Chicheva P.A., Chudov K.A., Shmelin P.S., Grebennikov E.P. Di(bicyclo[4.2.0]octa-1(6),2,4-trien-3-yl)dimethylsilane. Molbank. 2020;2020(4): M1160. https://doi.org/10.3390/M1160Levchenko K.S., Adamov G.E., Demin D.Y., Chicheva P.A., Chudov K.A., Shmelin P.S., Grebennikov E.P. Di(bicyclo[4.2.0]octa-1(6),2,4-trien-3-yl)dimethylsilane. Molbank. 2020;2020(4): M1160. https://doi.org/10.3390/M1160

The authors declare that there are no conflicts of interest present.