Neuartige Harze und Komposite mit volumetrischer Expansion während der Härtung

Philipp Marx

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Eine Herausforderung beim Design von polymerbasierenden Dielektrika ist der volumetrische Schrumpf während der Härtungsreaktion, welcher zu mechanischen Spannungen, Mikrorissen, Hohlräumen und Delamination führt. Weiters ist bei polymerbasierenden Dielektrika vor dem Hintergrund erhöhter Leistungsdichten in der Mikroelektronik und Hochspannungstechnologie auch den erhöhten Betriebstemperaturen Rechnung zu tragen, sodass zunehmend gesteigerte Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit der Dielektrika gestellt werden. Das Ziel der vorliegenden Dissertation war die Präparation von Harzen und Kompositen mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit, die während der Aushärtungsreaktion reduzierten Schrumpf bzw. Expansion zeigen. In einem ersten Schritt wurde hierzu als expandierendes Monomer ein Spiroorthoester SOE synthetisiert, der sich über eine Allylgruppe kovalent in verschiedene Polymernetzwerke einbinden lässt. Der SOE wurde als Additiv zur Schrumpfreduktion in einem lichthärtenden Thiol-En-Harz aus Bisphenol-A Diallylether und einem trifunktionellen Thiol-Härter eingesetzt. Hierzu wurde zunächst ein dual-cure-System entwickelt, das sowohl die radikalische Netzwerkbildung, als auch die kationische Ringöffnungspolymerisation des SOEs unter Volumenexpansion ermöglicht. Durch Variation des SOE-Gehalts zwischen 0 und 30 Gew.-% werden bei der Aushärtung Expansionen zwischen -3,07 und +1,70 Vol.-% erzielt. Der SOE wurde zudem zur Schrumpfreduktion bei der Präparation eines high-k Dielektrikums auf Polyether-Basis eingesetzt. Als Oligomer wurde Tri(ethylenglykol)-divinylether gewählt, welcher mittels des dual-cure-Systems über die photochemische Thiol-En Klick-Reaktion vernetzt und mit dem SOE copolymerisiert wurde. Der Schrumpf konnte durch Zugabe von 50 Gew.-% SOE um 39% verringert werden. Die Permittivität der Polymernetzwerke erreicht Werte von bis zu 10.000. Mittels digital light processing konnten Strukturen mit einer Auflösung von 50 Mikrometer gedruckt werden. Des Weiteren wurde der SOE zur Reduktion des Schrumpfs bei der Vernetzung von Polyamid 12 und eines aus nachwachsenden Rohstoffen synthetisierten Copoly(2-oxazolin)s eingesetzt. Bei der thermisch initiierten dual-cure-Reaktion konnten Expansionen zwischen +0,46 und +2,48 Vol.-% (Polyamid 12) sowie +1,54 und +7,96 Vol.-% [Copoly(2-oxazolin)] erreicht werden. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch Zugabe verschiedener Füllstoffkombinationen aus AlN- und BN-Partikeln erhöht werden. Mit zunehmendem SOE-Gehalt steigt die Permittivität der Materialien an. Dies kann durch die Zunahme des freien Volumens der Polymernetzwerke aufgrund der Expansion erklärt werden. Neben dem Schrumpf sollten auch die dielektrischen Eigenschaften von Epoxid-Aminharz-Nanokompositen untersucht werden. Als Füllstoffe wurden Silika, Silika-TMS, Alumina, Alumina-TMS und BN verwendet; die Trimethylsilylierung der entsprechenden TMS-Partikel wurde durch die Reaktion mit Hexamethyldisilazan erreicht. Die dielektrischen Eigenschaften hängen nicht primär von der Menge an absorbiertem Wasser ab, sondern im Wesentlichen vom OH-Gruppen Gehalt der Nanopartikel und der dadurch beeinflussten Grenzflächenpolarisation. In einer weiteren Studie wurde die Wärmeleitung in inhomogenen Gradienten-Kompositen untersucht. Zur Präparation der Gradienten-Komposite wurde ein Epoxid-Amin-Harz mit Alumina-Nano- und Alumina-Submikropartikeln als Füllstoff verwendet. Light-flash analysis LFA-Messungen der einzelnen Schichten eines geschnittenen Gradienten-Komposits zeigten, dass die Wärmeleitfähigkeit entlang der Höhe des Materials zwischen 0,25 und 0,45 W /(m K) variiert. Mittels guarded heat flow meter GHFM-Messungen eines ungeschnittenen Komposits konnte nur die niedrigste im Material auftretende Wärmeleitfähigkeit bestimmt werden. Um die Wärmeleitung in Gradienten-Kompositen detailliert zu analysieren, wurde auf Grundlage der experimentellen Daten ein Simulationsmodell e
Titel in ÜbersetzungNovel resins and composites that exhibit volumetric expansion during curing
OriginalspracheDeutsch
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Kern, Wolfgang, Betreuer (intern)
  • Böker, Alexander, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Wiesbrock, Frank, Mitbetreuer (extern), Externe Person
  • Grießer, Thomas, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 1800

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 18-12-2022

Schlagwörter

  • Volumetrische Expansion
  • Spiroorthoester
  • Dual-Cure-Härtung
  • Thiol-En-Harz
  • Epoxid-Aminharz
  • (Pseudo)-Polyamid
  • Dielektrikum
  • Nanokomposit
  • Wärmeleitfähigkeit

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