引言

2019年被稱作“5G商用元年”，適用于5G同新時代的新材料也不斷涌現(xiàn)。今年4月，鐘淵化學(xué)開發(fā)出5G智能手機柔性電路板用超耐熱聚酰胺薄膜“Pixeo SR”，一種在5G高頻段傳輸損耗低、與銅箔粘結(jié)性好、加工性能優(yōu)異的PI薄膜材料；5月，東麗公司開發(fā)出適用于5G通信和毫米波雷達的低介電損耗聚酰亞胺材料，其介電損耗低至0.001(20GHz)，具有優(yōu)異的耐熱性能、機械性能、粘結(jié)性能以及低介電損耗性能，可應(yīng)用于5G通信和毫米波雷達部件。那么，何謂聚合物的介電性質(zhì)，高聚物材料的介電損耗性能指標(biāo)又對該材料的應(yīng)用有什么重要的意義呢？

聚合物的介電松弛與介電損耗

與力學(xué)松弛相似，在外加電場的作用下，分子偶極矩不會立即取向，而是一個松弛的過程，正如聚合物受到外力的作用下形變并不是立即響應(yīng)的。介電損耗是指電介質(zhì)在交變電場中，由于消耗部分電能而使電介質(zhì)本身發(fā)熱的現(xiàn)象。原因，電介質(zhì)中含有能導(dǎo)電的載流子，在外加電場作用下，產(chǎn)生導(dǎo)電電流，消耗掉一部分電能，轉(zhuǎn)為熱能，是表示絕緣材料（如絕緣油料）質(zhì)量的指標(biāo)之一。

決定聚合物介電損耗大小的內(nèi)在原因，一個是聚合物分子極性大小和極性基團的密度，另一個是極性基團的可動性。通常，偶極矩較大的聚合物，其介電常數(shù)和介電損耗都比較大。然而，當(dāng)極性基團位于聚合物的β位或柔性側(cè)基的末端時，由于極化取向的過程是一個獨立的過程，引起的介電損耗并不大，但仍能對介電常數(shù)有比較大的貢獻，這就使我們有可能得到一種介電常數(shù)較大、介電損耗不至于太大的材料，以滿足制造特種電容器對介電材料的需求。

PI的電學(xué)特性

PI的大分子中雖然含有相當(dāng)數(shù)量的極性基(如羰基和醚基)，但其電絕緣性優(yōu)良，原因是羰基納入五元環(huán)，醚鍵與相鄰基團形成共軛體系，使其極性受到限制，同時由于大分子的剛性和較高的玻璃化溫度，使得其在較寬的溫度范圍內(nèi)偶極損耗小，電性能十分優(yōu)良。其介電常數(shù)一般為3.4左右，引入氟或?qū)⒖諝庖约{米尺寸分散在PI中〔當(dāng)空氣以極小尺寸(納米級)均勻分 布在PI中(相當(dāng)于泡沫PI)，可進一步增加PI的電絕緣性，其介電常數(shù)可降到2.5左右。PI的介電損耗大約為10-3，介電強度為100kVmm～300kVmm，體積電阻率為10’16Ψ·cm。同時，PI還具有優(yōu)異的耐電暈性能。

降低聚酰亞胺薄膜介電常數(shù)和介質(zhì)損耗的方法主要有：①降低分子鏈的極化率，如在分子鏈中引入摩爾極化率較低的含氟基團，降低分子鏈的整體極化率，或者在分子鏈中引入長鏈脂肪基團，通過減小酰亞胺基團密度的方法，降低薄膜的介電常數(shù)；②在薄膜中引入納米級空氣空洞，一方面能減小酰亞胺基團密度，另一方面空氣的介電常數(shù)僅為1.0左右，能有效降低薄膜的介電常數(shù)。

一種PI薄膜制備方法

通過將硅烷偶聯(lián)劑和超聲分散處理后的分子篩加入聚硅氧烷酰胺酸共聚物溶液中進行混合和熱亞胺化的方法，制備一系列聚酰亞胺/分子篩復(fù)合薄膜。

研究通過在BPDA/ODA分子鏈結(jié)構(gòu)中嵌入二甲基聚硅氧烷鏈段，利用二甲基硅氧烷鏈段疏水以及具有長鏈分子結(jié)構(gòu)的特點，減小PI薄膜的吸水率和酰亞胺鍵堆砌密度，賦予聚酰亞胺薄膜更低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗。同時在樹脂合成過程中摻雜含納米孔洞的分子篩，使薄膜最終具有低介電常數(shù)和低介質(zhì)損耗的特性。其中所選分子篩要求粒徑小，減小填充分子篩后的薄膜粗糙度；孔隙率高，有利于在薄膜中引入更多低介電常數(shù)的空氣；孔洞尺寸小，防止樹脂浸潤孔洞內(nèi)，造成空氣含量降低。

對于柔性印制電路板應(yīng)用領(lǐng)域來說，層間介質(zhì)材料的介電性能是非常重要的指標(biāo)，作為未來5G高頻集成電路中的層間介質(zhì)材料，需要具備足夠低的介質(zhì)損耗，減少信號傳輸損耗；足夠低的介電常數(shù)，加快信號傳輸速率和減少信號間相互干擾；足夠高的電氣強度，保證集成電路板的使用穩(wěn)定性。通過實驗發(fā)現(xiàn)不同分子篩含量PI薄膜介電性能的變化規(guī)律：

可以看出，與BPDA/ODA薄膜的介電常數(shù)3.3相比，含硅氧烷鏈段的PI薄膜介電常數(shù)下降了10%左右，這是由于使用長鏈分子結(jié)構(gòu)二氨基硅氧烷作為合成單體，一方面減小了酰亞胺鍵密度，使得薄膜的極化率降低，另一方面二氨基硅氧烷所含的甲基疏水基團減少了薄膜的吸水率。隨著分子篩含量的增加，聚酰亞胺/分子篩復(fù)合薄膜的介電常數(shù)持續(xù)降低，但是降低幅度減小。分析認為，分子篩是一種含有較多介孔孔洞結(jié)構(gòu)的納米粒子，其介孔內(nèi)儲存的空氣有利于降低復(fù)合薄膜的介電常數(shù)。另外介孔孔洞的引入提高了PI的孔隙率，增加了PI薄膜的自由體積，使單位體積內(nèi)極化分子的數(shù)量減少，PI薄膜的介電常數(shù)降低。此外，隨著分子篩含量的增加，所含的環(huán)氧基改性基團數(shù)量增大，引發(fā)更多的松弛損耗，復(fù)合薄膜的介質(zhì)損耗隨著分子篩含量的增加而增大。

綜上，在聚酰亞胺分子鏈中嵌入二甲基硅氧烷鏈段和摻雜分子篩，可以制備得到低介電常數(shù)和低介質(zhì)損耗的聚酰亞胺薄膜材料。

結(jié)語

為了滿足未來5G時代電子行業(yè)對材料介電性能的要求，降低傳輸時延，保持高信號傳輸速率，降低能量損耗及調(diào)制過程中的信號失真，有必要研發(fā)高性能的低介電常數(shù)和低介質(zhì)損耗聚酰亞胺薄膜。針對聚酰亞胺薄膜材料的結(jié)構(gòu)特點和相應(yīng)的性質(zhì)，人們將在不久的將來研發(fā)出性質(zhì)更加優(yōu)良的PI薄膜材料。

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