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。今年4月，鐘淵化學開發出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、與銅箔粘結性好、加工性能優異的PI薄膜材料；5月，東麗公司開發出適用于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)，具有優異的耐熱性能、機械性能、粘結性能以及低介電損耗性能，可應用于5G通信和毫米波雷達部件。那么，何謂聚合物的介電性質，高聚物材料的介電損耗性能指標又對該材料的應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的。介電損耗是指電介質在交變電場中，由于消耗部分電能而使電介質本身發熱的現象。原因，電介質中含有能導電的載流子，在外加電場作用下，產生導電電流，消耗掉一部分電能，轉為熱能，是表示絕緣材料（如絕緣油料）質量的指標之一。

決定聚合物介電損耗大小的內在原因，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，其介電常數和介電損耗都比較大。然而，當極性基團位于聚合物的β位或柔性側基的末端時，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，但仍能對介電常數有比較大的貢獻，這就使我們有可能得到一種介電常數較大、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的電學特性

PI的大分子中雖然含有相當數量的極性基(如羰基和醚基)，但其電絕緣性優良，原因是羰基納入五元環，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偶極損耗小，電性能十分優良。其介電常數一般為3.4左右，引入氟或將空氣以納米尺寸分散在PI中〔當空氣以極小尺寸(納米級)均勻分 布在PI中(相當于泡沫PI)，可進一步增加PI的電絕緣性，其介電常數可降到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還具有優異的耐電暈性能。

降低聚酰亞胺薄膜介電常數和介質損耗的方法主要有：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；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僅為1.0左右，能有效降低薄膜的介電常數。

一種PI薄膜制備方法

通過將硅烷偶聯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/分子篩復合薄膜。

研究通過在BPDA/ODA分子鏈結構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構的特點，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和介質損耗。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和低介質損耗的特性。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的空氣；孔洞尺寸小，防止樹脂浸潤孔洞內，造成空氣含量降低。

對于柔性印制電路板應用領域來說，層間介質材料的介電性能是非常重要的指標，作為未來5G高頻集成電路中的層間介質材料，需要具備足夠低的介質損耗，減少信號傳輸損耗；足夠低的介電常數，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定性。通過實驗發現不同分子篩含量PI薄膜介電性能的變化規律：

可以看出，與BPDA/ODA薄膜的介電常數3.3相比，含硅氧烷鏈段的PI薄膜介電常數下降了10%左右，這是由于使用長鏈分子結構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/分子篩復合薄膜的介電常數持續降低，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構的納米粒子，其介孔內儲存的空氣有利于降低復合薄膜的介電常數。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，使單位體積內極化分子的數量減少，PI薄膜的介電常數降低。此外，隨著分子篩含量的增加，所含的環氧基改性基團數量增大，引發更多的松弛損耗，復合薄膜的介質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和低介質損耗的聚酰亞胺薄膜材料。

結語

為了滿足未來5G時代電子行業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，降低能量損耗及調制過程中的信號失真，有必要研發高性能的低介電常數和低介質損耗聚酰亞胺薄膜。針對聚酰亞胺薄膜材料的結構特點和相應的性質，人們將在不久的將來研發出性質更加優良的PI薄膜材料。

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