随着5G时代的到来，为了减少信号损耗并提高信号传输速率，晶片级扇形封装等新技术已经出现。层间介质材料作为电信器件中至关重要的材料之一，直接影响信号传输和器件的可靠性。聚酰亚胺（PI）因其优异的综合性能已成为重要的层间介质材料（图1）。PI具有出色的电绝缘性能（介电常数约为3.0-4.0，介电损耗约为0.02）、优良的机械性能和热阻，被广泛应用于柔性介电材料。为了满足5G网络对高频、高速电路的需求，有必要进一步降低PI的介电常数和介电损耗。
图1 聚酰亚胺（PI）的合成路线及结构。
我校理学院稀土化学及应用辽宁省重点实验室李文泽教授团队针对近五年关于低介电PI的相关研究进行了全面综述。
1. 低介电性PI基材料的影响因素
介电性能是评价高分子材料电绝缘性能的重要指标，它描述了介电材料在电场影响下的静电储能和损耗特性，包括介电常数和介电损耗这两个物理参数。通常，普通的PI薄膜的介电常数在3.1至3.6之间，无法满足高频和高速电路的要求（图2）。因此，近年来对低介电PI材料的研究受到了越来越多的关注。影响介电常数的内部因素之一是材料的极化率。根据极化理论，聚合物材料可能表现出四种极化模式。在论文的第一部分，作者对电子极化、原子极化、取向极化和界面极化进行了综述。
图2 三层聚酰亚胺（PI）膜的合成路线。
2. 低介电PI的研究进展
近年来，低介电常数PI材料受到越来越多的关注，各研究团队采用不同的方法制备了低介电常数PI复合材料（图3）。在论文的第二部分，作者对降低PI介电常数的主要方法进行了综述。
图3 基于HIPPE和热压法制备多孔BN/PI复合膜的工艺。
3. 含氟低介电PI的研究进展
降低PI介电常数的重要方法之一是在PI分子的主链中引入含氟结构。通常情况下，含氟PI的介电常数可降至1.8至2.9（图4）。这种低介电常数能够实现的原因主要有两个：首先，氟在所有元素中的电负性最高，因此碳–氟键的极化非常小；其次，含氟基团的体积相对较大，氟原子的引入可以增加聚合物基体的自由体积。在论文的第三部分，作者对含氟低介电PI的研究工作进行了综述。
图4 含氟聚酰亚胺（PI）的制备工艺。
最后，论文作者指出，尽管PI基材料具有许多理想的性能，是微电子器件的候选材料，但为了加强其适用性，需要解决以下关键挑战：（1）如何制备低介电常数和低介电损耗的PI复合材料。（2）如何制备具有低介电常数、低损耗系数的无孔PI复合材料。（3）虽然低介电PI在许多领域都显示出了强大的应用前景，但这些材料的研究仍处于起步阶段。在性能优化和设备稳定性方面，仍有许多障碍需要克服。低介电PI的研究取得了重大进展，但也存在一些技术问题。到目前为止，低介电PI基材料的合成收率非常低。为了实现工业规模的生产，如何以更高的效率和更好的稳定性合成低介电PI仍然是一个挑战。
该项成果以题为“Synthesis and applications of low dielectric polyimide”发表在我校主办的英文期刊Resources Chemicals and Materials（RCM），并作为当期封底文章（图5）。沈阳化工大学刘禹副教授为本综述论文的第一作者，李文泽教授、栾健博士为通讯作者，孙亚光教授、张潇飒副教授、硕士研究生赵枭羽参与撰写。
图5 低介电聚酰亚胺的合成及应用示意图（综述文章封底图片）。
Y. Liu, X. Y. Zhao, Y. G. Sun, et al. Synthesis and applications of low dielectric polyimide [J]. Resources Chemicals and Materials, 2023, 2, 49–62.
DOI: 10.1016/j.recm.2022.08.001
https://doi.org/10.1016/j.recm.2022.08.001
