北科大查俊偉教授團隊最新 Chem. Rev.:多領域交叉應用低介電聚酰亞胺材料的最新進展

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隨着數字經濟和信息技術的快速發展,集成電路技術不斷升級,高集成度、低功耗和高性能的電子元器件成爲市場的熱門需求。此外,輸電電壓水平的提高給電力設備絕緣可靠性也帶來巨大壓力。低介電材料在減少信號傳輸延遲和能量損失、提高電力設備性能與效率方面發揮着重要作用,在電子器件和電力設備製造中佔據了舉足輕重的地位。


低介電聚酰亞胺(PI)材料因其良好的介電常數可調性和優異的熱力學穩定性,多年來受到人們的廣泛關注。然而,目前將它們的“產---用”聯合起來仍面臨着巨大挑戰。未來,隨着研究的深入推進和技術的成熟,跨學科的創新解決方案將更廣泛地應用於PI電介質材料的升級,從而推動電子電力、航空航天和移動通訊等領域的向前發展。



北京科技大學查俊偉教授團隊一直致力於聚酰亞胺電介質材料的研究,近日該團隊基於電介質材料介電參數調控的根本理論和工藝方法,綜述了近年來關於低介電PI材料的研究進展,系統回顧了低介電PI材料在電子電力、航空航天和移動通訊等領域的研究成果。從分子結構水平、界面工程調控和多孔網絡架構等角度深入探討了低介電PI的合成策略、性能調控和內在機理。此外,針對跨領域多樣化發展趨勢,文章進一步介紹了多功能化低介電PI材料的最新進展,揭示了這些技術如何實現低介電PI材料多功能性之間的聯控。最後,總結並展望了低介電PI材料在工業應用方面的技術挑戰和未來發展方向,爲未來高性能低介電材料的設計與開發提供重要指導和理論參考。

1. 低介電材料所涉及的應用領域及聚酰亞胺材料的應用優勢


針對影響材料介電常數的基本理論及目標應用,降低材料的密度(即降低偶極子密度)或降低絕緣體中原子/鍵的極化率都會實現介電常數的下降。其中,密度對介電常數的影響最大,並影響所有極化成分。在低介電PI材料的研發過程中,最常見的工藝方法是基於分子結構的調節來增加PI的自由體積分數(FFV,例如引入交聯結構、大側基和剛性單元),從而有意增大空間網絡,降低極化分子密度。此外,還可在PI基體中引入功能性填料和多孔結構,前者將通過界面相互作用抑制了體系內的偶極極化和界面極化,後者可顯著降低體系內部極化分子密度從而達到降低介電常數的目的。

圖2. 低介電聚合物材料的常見合成工藝

此外,考慮到電子設備的多功能應用需求和跨領域交叉應用場景,對於多功能化低介電PI材料的開發也迫在眉睫。本綜述首次介紹並總結了關於多功能化低介電PI的合成工藝、性能調控和作用機理。包括面向電子封裝領域的兼具低介電和高導熱特性的PI材料,智能電磁設備所需的兼具低介電和高電磁屏蔽特性的PI材料,印刷電路中所用的兼具低介電和低熱膨脹係數的PI材料,以及面向航空航天領域所需的兼具低介電和高阻燃特性的PI材料。通過持續的技術創新和多學科合作,這些進展有望爲電子電力領域提供更適配和更智能化的電介質材料。

3. 兼具低介電和高導熱特性的PI材料的合成及性能表徵

最後,文章還探討了將實驗室級低介電PI材料轉移到工業應用中所面臨的問題和挑戰。新型低介電PI材料的發展受工業需求的制約,這導致了基礎研究與技術之間的緊密聯繫。目前還沒有出現大規模的超低介電PI薄膜的工業設備,以及商用電子設備的包裝和組裝技術。此外,面向電子、電氣和航空航天應用的電介質材料除了考慮其介電、機械和導熱性能外,還應在其可回收性方面給予高度重視。超低介電動態PI的設計可能會爲智能電子和電氣設備的升級創造更多的機會。因此,未來對於多功能化的低介電PI材料的開發在許多方面仍有待深入探索。

本工作近期以“Versatile Landscape of Low‑kPolyimide: Theories, Synthesis,
Synergistic Properties, and Industrial Integration” 爲題發表於Chemical Reviews (DOI: 10.1021/acs.chemrev.3c00802)上,論文第一作者爲北京科技大學化學與生物工程學院21級博士生董曉迪


原文鏈接:

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00802


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