Синтез сополимеров на основе дивинилбензола и дибензоциклобутилдиметилсилана и исследование их функциональных характеристик

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. 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. 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. 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.

1. Zuniga 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.201204518

2. Cao 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.2013.12.023

3. Chen 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.2012.12.012

4. Hyeon 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.2012.02.012

5. Makihata 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.2012.04.032

6. Yang 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.2011.6066841

7. Yang 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.2012.01.006

8. Zuo 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.23668

9. Rabanzo-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.2020.00477

10. Li 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.2020.109562

11. Chen 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/C8QM00104A

12. Shi 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.202104413

13. Yang 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.24437

14. Sakellariou 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/cm801449t

15. Levchenko 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