2.2. Использование полимеров в других

разделах микроэлектроники

Более половины массы приборов и аппаратов, производимых микроэлектронной промышленностью, составляют детали, изготовленные из полимеров. Главным образом, это полимеры конструкционного назначения, используемые для изготовления корпусов приборов, несущих конструкций, штеккеров, разъемов, коннекторов и т.д. Используются полимеры, производимые в многотоннажных масштабах и поэтому сравнительно недорогие — полистирол, полипропилен, алифатические полиамиды, полиэтилен- и поли-бутилентерефталат. Механические и температурные характеристики этих полимеров вполне отвечают требованиям, предъявляемым для получения из них такого рода изделий. Вместе с тем, ведутся работы по улучшению характеристик перечисленных полимеров. Все более широкое применение находят стереорегулярные полимеры (изотактические полистирол и полипропилен), ведутся исследовательские работы по получению смесей и сплавов различных полимеров.

Более высокие требования предъявляются к полимерам, используемым в создании собственно функциональных устройств микроэлектронной техники. Очень широко полимеры используются в качестве изолирующих материалов. Важными характеристиками в данном случае являются диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь. Все более важным становятся требования термической и радиационной стойкости изолирующих материалов. Поэтому на смену традиционным феноло-формальдегидным изолирующим лакам приходят полиимидные изолирующие материалы.

Очень важную функцию в микроэлектронике полимерные материалы выполняют в качестве компаундов. Они представляют собой полимерные композиции, предназначенные для заливки или пропитки отдельных элементов или блоков электронной аппаратуры с целью электрической изоляции, защиты от внешней среды и механических воздействий. В микроэлектронике основными элементами, нуждающимися в такой защите, являются чипы, т. е. микросхемы с нанесенной маталлизацией и припаянными электрическими контактами.

Процедура компаундирования микросхем сводится к их заливке соответствующей полимерной композицией с последующим ее отверждением. Эта, казалось бы, простая операция на самом деле имеет огромное значение в процессе производства микросхем, а к самим компаундам предъявляются весьма жесткие требования. Они должны иметь определенные электроизоляционные и теплофизические характеристики, не должны содержать или выделять при отверждении летучие вещества и, главное, должны обладать малой усадкой при отверждении и иметь низкий температурный коэффициент линейного расширения.

В качестве полимерных компаундов используются полимеры и полимерные композиции, различающиеся по способу отверждения на реактопласты и термопласты. Как обсуждалось в главе 1, различие между ними заключается в том, что реактопласты отверждаются за счет образования в композиции новых ковалентных связей, что приводит к значительному увеличению молекулярной массы полимера или формированию трехмерной структуры. Термопласты отверждаются при охлаждении расплавов полимеров. В настоящее время наиболее распространенными являются компаунды, отверждающиеся за счет формирования новых ковалентных связей. Факторы, вызывающие образование таких связей, могут быть самые разные. В случае использования для компаундирования эпоксидных композиций это химическое взаимодействие олигомеров, содержащих оксирановые циклы с диаминами. Такие композиции готовятся непосредственно перед использованием, их “жизнеспособность” очень мала.

Очень широко распространены компаунды, отверждаемые радиационно или фотохимически. Как правило, эти композиции представляют собой смесь олигомеров, содержащих винильные группы.

Основным достоинством компаундов класса реактопластов является низкая вязкость олигомерных композиций, что облегчает их проникновение в труднодоступные места герметизируемых изделий. Недостатками же являются изменение характеристик при хранении (недостаточная жизнеспособность), значительные усадки при отверждении, связанные с явлением контракции, невысокие механические характеристики из-за возникающих при отверждении внутренних напряжений.

Эти недостатки в значительно меньшей степени характерны для термопластичных компаундов, однако высокая вязкость их расплавов ограничивает возможности широкого использования. Совершенно исключительное положение в этом смысле занимают термотропные жидкокристаллические полиэфиры. Они имеют очень низкую вязкость расплава, очень малые усадки при отверждении, низкие коэффициенты термического расширения и прекрасные механические характеристики. Кроме того, они имеют очень низкое влагопоглощение, устойчивы к действию флюсов и припоя. Однако возможности их широкого использования для герметизации микросхем в электронной промышленности ограничиваются их высокой стоимостью.

В заключение настоящей главы следует кратко обсудить некоторые направления химии полимеров, связанные с разработкой материалов для микроэлектроники и оптоэлектроники. Эти работы связаны с созданием полисопряженных полимерных систем, способных не только служить проводниками и полупроводниками, но и обладающих рядом необычных оптических свойств. Так, при взаимодействии с лазерным излучением они способны трансформировать его частоту (нелинейно-оптический эффект). Кроме того, они способны изменять свои спектральные характеристики при взаимодействии с внешними энергетическими полями (энергохромный эффект), а также в зависимости от природы растворителя (сольватохромный эффект).

Все эти работы пока находятся в исследовательской стадии, но уже сейчас очевидны перспективы их практического использования в недалеком будущем.

Г Л А В А 3

Полимерные сорбенты и носители

Сорбенты широко использовались в производственной дея-тельности человека на протяжении многих веков. Область их применения связана, главным образом, с производством пищевых продуктов, напитков, лекарственных средств. Издавна сахарные растворы осветляли древесным или животным углем. Уголь использовался и при производстве крепких спиртных напитков. Различные минеральные сорбенты, обладающие развитой поверхностью (трепел, опока), применялись для осветления и облагораживания вин, для очистки растворов лекарственных снадобий, а также нефтепродуктов.

Целенаправленное создание сорбентов и изучение механизма их действия началось только в нашем веке после открытия хроматографии. На первых порах развития хроматографии как аналитического и препаративного метода разделения смесей веществ в качестве сорбентов использовались исключительно природные минеральные и органические высокомолекулярные соединения — уже упоминавшиеся трепел и опока, силикагель, уголь, лигнин, целлюлоза и другие вещества с развитой поверхностью. Сорбция веществ из разделяемой или очищаемой смеси осуществлялась на поверхности частиц сорбентов за счет слабых нековалентных взаимодействий (адсорбция).

Следующим этапом развития хроматографии, а с нею и химии сорбентов и носителей, явилось появление ионообменной хроматографии, основанной на разделении ионов на носителях, имеющих ионогенные группы.

На новых принципах разделения молекул основана изо-бретенная в 1959 г. эксклюзионная или гельпроникающая хроматография. Суть ее заключается в разделении молекул по размерам как результат их различной способности проникать в сетчатые трехмерные полимерные системы, имеющие структуру геля. Важным условием при этом является отсутствие сорбцион-ных эффектов — как адсорбции (сорбции на поверхности ), так и абсорбции (сорбции в объеме полимерного тела). Таким образом, полимерные материалы, которые используются в гельпроникающей хроматографии, не могут называться сорбентами, а называются носителями. Термин “полимерные носители” имеет более общее значение и включает в себя сорбенты как частную категорию.

В дальнейшем разрабатывались новые принципы хрома-тографии, в которых использовались самые разнообразные взаимодействия между разделяемыми веществами и носителем, например, взаимодействия фермент — субстрат, антиген — антитело и др. Мощным стимулом для развития новых методов хроматографии явились потребности биологии и медицины в разделении сложных смесей веществ в биологических системах, выделении биологически активных веществ в чистом виде, создании экспресс-методов биохимического и иммунного анализов.

Огромный вклад в развитие химии полимерных носителей внесло изобретение Р. Меррифилдом твердофазного способа синтеза пептидов в 1963 г. Этот подход, являясь, по сути, цепью полимераналогичных превращений, реализуемых в трехмерных полимерных системах, открыл огромную новую область химии, связанную с проведением на полимерных носителях химических реакций образования и разрушения ковалентных связей.

Таким образом, за последние десятилетия создание новых полимерных носителей и разработка новых подходов к реализации самых разнообразных химических и биохимических превращений превратилось в огромную самостоятельную область знаний, находящуюся на границе химии ВМС, органической, физической, аналитической химии, а также биологии, медицины, иммунологии и других наук.