基于端羟基聚丁二烯聚氨酯型UV减粘胶的合成与性能
焦珊珊 ,任凤梅,武星,马海红,周正发,徐卫兵,高敏
(1. 合肥工业大学 化学与化工学院,安徽合肥 230009
2. 安徽荣泽科技有限公司,安徽颖上 236299)
来源:高分子材料科学与工程 2022年7月 第38卷 第7期
先以端羟基聚丁二烯与异佛尔酮二异氰酸酯反应,然后以1,4-丁二醇或1,4-丁烯二醇为扩链剂进行扩链,控制主 链中C=C含量,并添加二官能度或三官能度的丙烯酸酯交联单体,制备了聚氨酯型紫外(UV)减粘胶。采用傅里叶变换红外光谱表征了减粘胶的分子结构;考察了交联程度对减粘效果的影响。结果表明,随着减粘胶交联密度、凝胶率的增加,减粘胶的体积收缩率增大,进而表面粗糙度增加,减粘效果明显。当以1,4-丁烯二醇为扩链剂、三羟甲基丙烷 三丙烯酸酯(TMPTA)为可交联单体所得的减粘胶UV照射前的剥离力达19 N/25 mm,UV照射后的剥离力降低至0.2 N/25 mm,满足使用要求。
本文以端羟基聚丁二烯(HTPB)为软段合成了 聚氨酯型 UV 减粘胶,HTPB 主链和侧基的不饱和碳 碳双键能赋予聚氨酯胶黏剂良好的 UV 相应特性。在紫外光引发剂作用下,聚氨酯胶黏剂及多官能度 单体中的 C=C 发生聚合,生成三维交联结构,导致胶黏剂体积收缩,使得胶黏剂产生褶皱,表面粗糙度增加,与被粘物的黏结点减少,从而大大降低其剥离强度 。文中研究了—NCO/—OH 摩尔比、扩链剂种类、多官能度丙烯酸酯类单体种类等对减粘胶 UV 光照前/后剥离力等性能的影响,获得了性能良好的 UV 减粘胶。将 HTPB 用于 UV 减粘胶黏剂的制备尚未见文献报道。
1.1 试剂与仪器
HTPB:IV 型,相对分子质量 2700,天津天元新材料科技有限公司;异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、1, 4-丁烯二醇、1,4-丁二醇、二月桂酸二丁基锡、对苯 二酚、2,4,6-三甲基苯甲酰二苯基氧化膦(TPO)、三 羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)、二缩三丙二醇二 丙烯酸酯(TPGDA)、乙酸乙酯、甲苯:分析纯,上海 阿拉丁生化科技有限公司。集热式加热器:DF-101S,上海力辰邦西仪器科 技有限公司;旋转蒸发器:RE-52AA,上海亚荣生化仪器厂;威恪特 UV 光固化机:ZXD-800 型,无锡市 如潮特种光源设备厂(功率为 2000 W,波长为 320~390 nm);电子万能试验机:AGX-V100KV,日本岛津。
1.2 制备过程
1.2.1 基于 HTPB 的聚氨酯合成:HTPB、1,4-丁烯二 醇、1,4-丁二醇使用前,置于 100 ℃真空烘箱中脱水3h。氮气氛围下,将装有搅拌器、冷凝管、温度计、 恒压滴液漏斗的四口烧瓶置于恒温油浴中,加入 20 mL 乙酸乙酯、0.39 mmol HTPB、2.3×10-3 mmol 二月 桂酸二丁基锡催化剂和 1.36×10-2 mmol 对苯二酚阻 聚剂;升温至 60 ℃,30 min 内将 6.29~9.58 mmol 异 佛尔酮二异氰酸酯滴加至四口烧瓶,反应 3 h;再加 入 5.99 mmol 1,4-丁二醇或 5.90 mmol 1,4-丁烯二醇 扩链,于 60 ℃继续反应 3 h,至产物中—NCO 质量 分数小于 1%(二正丁胺法)时,结束反应,得到基于 HTPB 的聚氨酯胶黏剂。
1.2.2 UV 减粘胶的制备:于上述聚氨酯胶黏剂中 加入占反应物总质量 20%的多官能度丙烯酸酯类单体 ,光引发剂量为聚氨酯胶黏剂和多官能度丙烯酸酯单体质量和的 3%,室温搅拌均匀,得到聚氨酯型 UV 减粘胶。将制备的 UV 减粘胶涂覆到经电晕处理的 PET 薄膜上,湿膜厚度为 50 μm,待溶剂充分挥发后与硅片黏结。室温放置 1 d 后进行后续测试。
1.3 测试与表征
1.3.1 红外表征:采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR,美国 Nicolet6700)表征聚氨酯胶黏剂结构。将被测样品均匀涂抹在 KBr 晶片表面,测试波数范围为 400~ 4000 cm-1 ,扫描次数 32 次。
1.3.2 180°剥离强度测试:按 GB/T2792-1998 胶黏剂 180°剥离强度的测试方法,试样宽度为 25 mm、长度 为 200 mm,拉伸速率为 300 mm/min。
1.3.3 3D 激光测量显微镜测试:利用 VK-X250 型3D激光测量显微镜(日本基恩士)测试固化后胶膜的微观形貌。水平(XY)方向光学分辨率为 120 nm, Z 轴分辨率为 0.5 nm,重复精度为 12 nm。
1.3.4 接触角测试:利用 OCA 15EC, Dataphysics 型接触角测试仪测量固化后胶膜的静态水接触角。每个样品测试 5 次,取其平均值,测试温度为(25± 0.5) ℃。
1.3.5 交联密度测试:采用平衡溶胀法测定交联密度(溶剂为甲苯,相互作用参数(χ)取 0.34)。先将空的称量瓶称重,然后将试样放入称量瓶中,记质量为 m1。将称好的试样放在装有甲苯的瓶中,在 25 ℃溶胀 48 h,达到平衡后取出。用滤纸吸净表面的溶剂,立即放入己经称好质量的称量瓶中,称取其质量 m2。根据式(1)求交联密度(Mc) -[ ln (1-Vr ) + Vr + xVr 2 ] Mc = ρV0 (Vr 1/3 -0.5Vr ) (1) 式中:ρ——聚氨酯固化后胶膜的密度;V0 ——溶剂 的摩尔体积;Vr——溶胀体中聚合物的体积分数;Mc——聚合物的交联密度。
1.3.6 凝胶率测试:称量一部分固化后干燥的胶 膜,记质量为 m1。甲苯为溶剂,在索氏提取器中加热回流 48 h,回流结束后,取出样品,烘干至恒量。冷却后称量为 m2。根据式(3)计算凝胶含量(Gel) Gel = m1/m2 (3)
1.3.7 固化体积收缩率的测定:胶黏剂的固化体积 收缩率通过比重瓶法进行测定。先将蒸馏水加满 比重瓶置于 20 ℃恒温水浴 30 min,取出吹干外壁水 分,用分析天平称量 W1,然后将比重瓶吹干称量 W0,最后加入待测胶黏剂于 20 ℃恒温后称量 W2。根据式(4)计算液态胶密度(ρL) ρL = (W2-W0)ρ水/(W1-W0) (4)
1.3.8 固化后胶膜密度(ρs )测定:先将一定量 W3 的 被测胶膜放入比重瓶中加满蒸馏水,排出瓶内及胶 膜上吸附的气泡,然后在 20 ℃恒温水浴 30 min,盖 上瓶塞,最后取出吸干外壁水分称量 W4。根据式(5) 计算固化后胶膜密度(ρs ) ρs =W3 ρ水 / (W3 + W1-W4) (5) 根据式(6)计算胶黏剂的固化体积收缩率(γv) γv = 1-ρL/ρs (6)
2.1 扩链剂种类的影响
2.1.1 1,4- 丁 二 醇 扩 链 :对 于 UV 减 粘 胶 ,要 求 其 UV 固 化 前 具 有 高 的 黏 接 力 和 UV 固 化 后 的 低 剥 离力 。而聚氨酯型胶黏剂的黏合力与异氰酸根 含 量 间 关 系 显 著 。本 文 以 1,4- 丁 二 醇 为 扩 链 剂,—NCO/—OH 摩尔比对减粘胶 UV 光照前/后剥 离力的影响如 Fig.1 所示。UV 光照前的剥离力随着 — NCO/ — OH 摩 尔 比 的 增 大 先 增 大 再 减 小 ,当 —NCO/—OH 摩尔比为 1.3,1.4 和 1.5 时,UV 光照前的剥离力可达到 15 N/25 mm 以上,满足晶圆的加工要求 。含异氰酸根基团的胶黏剂对硅片黏接时, 由于过量的异氰酸酯基团能与硅片表面的羟基等发生反应,有利于剥离力的提高。但当—NCO/— OH 摩尔比超过1.4 后,由于游离的异氰酸根过多, 可与空气中的水反应生成 CO2,胶黏剂在涂膜过程 中可能产生气泡,使剥离力降低,与文献中结论 一致。所有样品 UV 固化后剥离力在 3.2 N/25 mm 左 右 ,比 UV 光 照 前 有 较 大 幅 度 的 降 低 ,是 由 于 HTPB 的分子结构(如 Fig.2 所示)中含有较多的主链 和侧基双键,在光引发剂 TPO 的作用下发生了明显 的交联反应,这种交联会产生体积收缩,从而使胶 黏剂与被黏物体之间的界面产生褶皱而发生体积收缩,黏结点减少 。由于交联程度较低,交联密度小,使得体积收缩程度较小,UV 固化后剥离力较大,无法满足晶圆加工要求。
2.1.2 1,4-丁烯二醇扩链:由于 1,4-丁二醇为扩链剂 时,UV 固化后减粘胶的剥离力降低有限,可能是因为聚氨酯胶黏剂中能发生交联的位点不够,因此本文引入含有碳碳双键的 1,4-丁烯二醇作为扩链剂, 增加分子的交联密度。借鉴 Fig.1 中—NCO/—OH 摩尔比为 1.3,1.4 和 1.5 时,UV 光照前的剥离力能满足要求,本节中仍设定相同的—NCO/—OH 摩尔 比,所得减粘胶 UV 光照前/后的剥离力如 Fig.3 所示。UV 光照前,1,4-丁烯二醇的扩链效果与 1,4-丁 二醇类似,剥离力均能达到 15 N/25 mm 以上,其2.1.2 1,4-丁烯二醇扩链:由于 1,4-丁二醇为扩链剂时,UV 固化后减粘胶的剥离力降低有限,可能是因为聚氨酯胶黏剂中能发生交联的位点不够,因此本文引入含有碳碳双键的 1,4-丁烯二醇作为扩链剂, 增加分子的交联密度。鉴 Fig.1 中—NCO/—OH 摩尔比为 1.3,1.4 和 1.5 时,UV 光照前的剥离力能 满足要求,本节中仍设定相同的—NCO/—OH 摩尔比,所得减粘胶 UV 光照前/后的剥离力如 Fig.3 所 示。UV 光照前,1,4-丁烯二醇的扩链效果与 1,4-丁 二醇类似,剥离力均能达到 15 N/25 mm 以上,其中中—NCO/—OH 摩尔比为 1.4 时,UV 光照前的剥离力达到 19.5 N/25 m。UV 光照后,1,4-丁烯二醇的扩链 减粘胶的剥离力明显低于 1,4-丁二醇扩链体系,剥离力均为 1.8 N/25 mm 左右。这是由于 1,4-丁烯二 醇的分子结构中含 C=C 双键,增加了聚氨酯胶黏剂 的 C=C 双键含量,使得 UV 光照时交联程度增大、交联密度增加,固化后体积收缩程度加大,有效降低了剥离力 。这是因为黏附性的降低也可能与较高的交联密度有关,这也导致了较高的凝胶率 。当 —NCO/—OH 摩尔比为 1.4 时,UV 固化后,1,4-丁烯 二醇、1,4-丁二醇扩链的减粘胶的交联密度分别为 8.6×10-3 mol/cm3 和 3.74×10-3 mol/cm3 ,凝胶率分别为 62.5% 和 55.8% ,固 化 体 积 收 缩 率 分 别 为 8.1% 和 7.5%。但此时 UV 固化后剥离力仍无法满足晶圆的 加工要求。
2.2 多官能度丙烯酸酯类单体种类的影响
以 1,4-丁烯二醇扩链时,按照—NCO/—OH 摩尔比为 1.4,分别加入二官能度单体 TPGDA、三官能度 单 体 TMPTA,能 进 一 步 增 加 UV 固 化 时 的 交 联 密 度,实现 UV 减粘胶在 UV 固化后的剥离力小于 0.5 N/25 mm 的要求 。加入不同官能度可交联单体对 UV 减粘胶剥离力的影响如 Tab. 1 所示,加入多官能 度丙烯酸酯类单体后,UV 减粘胶在 UV 固化后的剥离力都明显降低。这是因为在 UV 照射后,聚氨酯胶黏剂和多官能度丙烯酸酯类单体相互交联,形成 三维交联网络结构,产生体积收缩会使胶黏剂与被 黏物体之间的界面产生褶皱使其体积收缩,减少黏结点。由于在 UV 固化后碳碳双键发生了交联,使得聚合物链段的运动受到限制,这影响了黏合剂对基底的润湿过程,使得 UV 减粘胶与底物之间的接 触 面 积 减 少 。其 中 TPGDA 为 二 官 能 度 单 体 ,TMPTA 为三官能度单体,由图可知,TPGDA 的加入 与 TMPTA 的加入相比,TMPTA 的加入在 UV 光固化 后 剥 离 力 更 小 ,为 0.204 N/25 mm,其 交 联 密 度 为 7.85×10-2 mol/cm3 ,凝胶率为 86.4%,固化体积收缩率 为 11.9%。而 TPGDA 的加入在紫外光固化后剥离力为 0.45 N/25 mm,交联密度为 6.26×10-2 mol/cm3 ,凝胶率为 82.7%,固化体积收缩率为 10.5%。这是因为,不同可交联单体的双键交联程度与单体官能度有关,官能度越高的可交联单体含有的不饱和碳 碳双键越多,因此其 UV 固化后的交联程度越大, 交联密度越高,固化后体积收缩率增大,凝胶率越高 。黏 附 性 的 降 低 也 可 能 与 较 高 的 交 联 密 度 有 关,这也导致了较高的凝胶率 ,最终使 UV 减粘胶在 UV 固化后的剥离力降至更低。由 Tab. 1 可以看出,当—NCO/—OH 摩尔比为 1.4 时,UV 固化前的黏接力最高可达 19 N/25 mm,UV 固化后的剥离力降低至 0.2 N/25 mm。
2.3 化学结构表征
以 1,4-丁烯二醇扩链,按照—NCO/—OH 摩尔比为 1.4,加入三官能度丙烯酸酯单体 TMPTA 制备的 UV 减粘胶在 UV 固化前/后的红外光谱如 Fig. 4 所 示 。样 品 均 在 3340 cm- 1 处 ,出 现 了 —NHCO 的 N—H 伸缩振动峰;1710 cm-1 处为 C=O 的伸缩振动 峰;2942 cm-1 和 2913 cm-1 分别为—CH3和—CH2的伸缩振动峰,1635 cm-1 处为 C=C 双键的伸缩振动峰, 表 明 样 品 呈 现 典 型 的 聚 氨 酯 结 构 。UV 固 化 后 , 1635 cm- 1 处的 C=C 双键吸收峰明显减弱,说明在 UV 作用下,端羟基聚丁二烯、1,4-丁烯二醇、三官能度丙烯酸酯单体(TMPTA)中的 C=C 均参与了交联反应 。
2.4 接触角分析
对—NCO/—OH 摩尔比为 1.4,分别加入二官能 度单体 TPGDA、三官能度单体 TMPTA 制备的 UV 减 粘胶固化后的胶膜进行水接触角和 3D 激光测量显 微镜测试,水接触角实验结果如Fig. 5 所示。加入 TPGDA 和 TMPTA 胶膜的水接触角分别为 94.1°和 101.4°。固体表面的接触角大小与固体材料的表面粗糙度有关,表面粗糙度越大,接触角越大,润湿性降低 。由于紫外光固化后,C=C 双键会发生交联, 这种交联会产生体积收缩,产生褶皱,表面粗糙度增加 ,使 其 水 接 触 角 增 大 。TMPTA 的 加 入 比 TPGDA 的加入,对表面粗糙度影响更显著。
2.5 形貌表征
以 1,4-丁烯二醇扩链,按照—NCO/—OH 摩尔 比为 1.4,未加入多官能度丙烯酸酯类单体及加入二 官能度单体 TPGDA、三官能度单体 TMPTA 制备的 UV 减粘胶固化后胶膜微观形貌如 Fig. 6 所示。未加入多官能度丙烯酸酯类单体的减粘胶形貌较平, 收缩和褶皱很浅,高低起伏程度较小(Fig. 6(a));加入 TPGDA 的减粘胶 UV 固化后,胶膜所形成的收 缩 和 褶 皱 较 浅 ,褶 皱 数 量 少(Fig. 6(b));加 入 TMPTA 的减粘胶 UV 固化后胶膜的收缩和褶皱深, 褶皱数量多(Fig. 6(c))。说明未加多官能度丙烯 酸酯类单体及不同官能度单体的加入,在 UV 固化作用下,发生交联的程度不同,导致体积收缩程度不同 ,表 面 粗 糙 度 不 同 ,所 形 成 的 图 案 也 有 所 不 同。Tab. 2 为 3 种样品相应的表面粗糙度相关参数, 其中 Sa为算术平均高度、Sq为均方高度、Sdr为界面的 展开面积比。未加入多官能度丙烯酸酯类单体的 减粘胶 UV 固化后胶膜的 Sa, Sq 和 Sdr 值分别为 1.160 μm, 1.090 μm 和 0.031 μm; 固 化 体 积 收 缩 率 为 8.1%。加入 TPGDA 的减粘胶 UV 固化后胶膜的 Sa, Sq 和 Sdr 值分别为 1.826 μm, 2.188 μm和 0.067 μm; 固 化体积收缩率为 10.5%。加入 TMPTA 的减粘胶 UV 固化后胶膜的 Sa, Sq 和 Sdr 值分别为 2.092 μm, 2.497 μm和 0.396 μm; 固化体积收缩率为 11.9%。可见加入 TMPTA 的 减 粘 胶 UV 固 化 后 胶 膜 的 粗 糙 度 更 大。粗糙度大的样品,交联程度越大,体积收缩形 成的褶皱展开面积比大,使得胶黏剂和硅片之间的 粘接面积越少,从而大大降低了剥离强度。因此, 选择三官能度单体对于减粘胶 UV 固化后剥离力的减小更有利。
本文成功制备了一种基于端羟基聚丁二烯的聚氨酯型 UV 减粘胶。—NCO/—OH 摩尔比为 1.4,1,4- 丁二醇为扩链剂所得的减粘胶 UV 光照前剥离力最大,但减粘效果较差。以 1,4-丁烯二醇为扩链剂时, 减粘剂 UV 固化后剥离力优于 1,4-丁二醇扩链体系。进一步加入多官能度丙烯酸酯类单体提升减粘效果,结果表明三官能度 TMPTA 体系的接触角、 表面粗糙度和减粘效果均高于二官能度TPGDA 体 系,TMPTA 体系 UV 光照前剥离力为 19 N/25 mm, UV 固化后的剥离力为 0.2 N/25 mm,满足晶圆切割等加工的性能要求。
为方便阅读,本文移除了脚注。如有需要,请参阅《高分子材料科学与工程》2022年7月 第38卷 第7期 END
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