低介電常數(shù)聚酰亞胺薄膜的改性設(shè)計(jì)與 5G 高頻通信基板應(yīng)用適配性分析

需要增透減反技術(shù)可以聯(lián)系我們上海工廠18917106313

上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號(hào)灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

摘要

5G 高頻通信（尤其毫米波頻段）對基板材料的介電常數(shù)（Dk）、介損（Df）提出嚴(yán)苛要求（Dk≤2.8，Df≤0.005）。本文針對聚酰亞胺（PI）薄膜的高介電短板，從分子結(jié)構(gòu)改性、多孔化設(shè)計(jì)、納米復(fù)合三個(gè)方向展開改性研究，通過引入氟代基團(tuán)、調(diào)控多孔結(jié)構(gòu)、復(fù)合低介電納米粒子，實(shí)現(xiàn) Dk 低至 2.3、Df≤0.003 的性能突破。適配性分析表明，改性 PI 薄膜在高頻信號(hào)衰減率、熱穩(wěn)定性（Tg≥280℃）、力學(xué)強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度≥80MPa）上均滿足 5G 基板需求，為高頻通信設(shè)備的小型化、高速化提供材料支撐。

1 引言

當(dāng) 5G 信號(hào)以毫米波頻段實(shí)現(xiàn) “毫秒級(jí)響應(yīng)”，通信基板的介電性能成為信號(hào)傳輸?shù)?nbsp;“關(guān)鍵瓶頸”—— 傳統(tǒng) PI 薄膜（Dk≈3.2-3.5，Df≈0.008）在高頻下會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重信號(hào)衰減，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速率下降、能耗增加。因此，通過改性設(shè)計(jì)降低 PI 的介電常數(shù)與介損，同時(shí)保留其耐高溫、抗腐蝕的固有優(yōu)勢，成為適配 5G 基板的核心技術(shù)方向。本文聚焦三類主流改性路徑，系統(tǒng)分析其改性機(jī)制與應(yīng)用適配性。

2 低介電 PI 薄膜的改性設(shè)計(jì)

2.1 分子結(jié)構(gòu)改性：氟代基團(tuán)的精準(zhǔn)引入

在 PI 分子鏈中引入三氟甲基（-CF?）或全氟烷基，利用氟原子高電負(fù)性降低分子極化率（介電常數(shù)與分子極化率正相關(guān)）。實(shí)驗(yàn)表明，將含氟二胺（如 2,2'- 雙三氟甲基 - 4,4'- 二氨基聯(lián)苯）替代傳統(tǒng)二胺單體，PI 薄膜 Dk 可從 3.4 降至 2.5-2.8，Df 降至 0.004-0.006。需控制氟含量在 30%-40%：過低無法顯著降介，過高則會(huì)降低分子鏈間作用力，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度下降至 60MPa 以下（低于基板要求的 70MPa）。

2.2 多孔化設(shè)計(jì)：空氣相的可控引入

空氣介電常數(shù)（Dk≈1）遠(yuǎn)低于 PI，通過模板法（如納米球模板）在 PI 薄膜中構(gòu)建孔徑 50-200nm 的封閉孔洞，孔洞率控制在 15%-25% 時(shí)，Dk 可降至 2.3-2.5，且拉伸強(qiáng)度保留≥80MPa（傳統(tǒng) PI 為 100MPa）。關(guān)鍵技術(shù)在于避免孔洞團(tuán)聚：采用超聲分散 + 梯度升溫固化工藝，可使孔洞分布均勻度提升至 90% 以上，避免高頻下因孔洞不均導(dǎo)致的局部信號(hào)畸變。

2.3 納米復(fù)合改性：低介電粒子的協(xié)同增效

復(fù)合低介電納米粒子（如 SiO?、石墨烯量子點(diǎn)），通過粒子與 PI 基體的界面作用抑制分子極化。例如，添加 5wt% 表面改性 SiO?（粒徑 20nm），PI 薄膜 Dk 降至 2.6，Df 降至 0.003，同時(shí)熱導(dǎo)率從 0.15W/(m?K) 提升至 0.22W/(m?K)，解決 5G 基板高頻工作時(shí)的散熱難題。需注意粒子分散性：未改性粒子易團(tuán)聚，反而導(dǎo)致介損升高。

3 5G 高頻通信基板應(yīng)用適配性分析

5G 基板需同時(shí)滿足 “高頻低損耗、高溫耐老化、力學(xué)抗彎曲” 三大需求：

1.信號(hào)傳輸適配性：改性 PI（Dk=2.3-2.8，Df≤0.005）在 28GHz 頻段的信號(hào)衰減率≤0.3dB/cm，較傳統(tǒng) PI（0.5dB/cm）降低 40%，符合基站天線基板、高速 PCB 的傳輸要求；

2.熱穩(wěn)定性適配性：改性 PI 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）均≥280℃，在基板長期工作溫度（-40℃-120℃）下，介電性能衰減率≤3%，避免高溫導(dǎo)致的信號(hào)失真；

3.工藝適配性：薄膜厚度均勻度（偏差≤5%）、與銅箔的剝離強(qiáng)度（≥1.5N/mm）均滿足 PCB 層壓工藝要求，可直接替代傳統(tǒng)基板材料。

4 結(jié)論

1.分子氟代、多孔化、納米復(fù)合三種改性路徑，可有效將 PI 薄膜 Dk 降至 2.3-2.8，Df≤0.005，兼顧熱穩(wěn)定性與力學(xué)性能；

2.改性 PI 薄膜在高頻信號(hào)衰減、高溫可靠性、工藝兼容性上完全適配 5G 通信基板需求，尤其適用于毫米波頻段設(shè)備；

3.未來需進(jìn)一步優(yōu)化改性工藝成本（如降低氟代單體價(jià)格），推動(dòng)規(guī)模化應(yīng)用。

問答環(huán)節(jié)

1. 行業(yè)研發(fā)視角：研發(fā)低介電 PI 時(shí)，如何平衡 “降介效果” 與 “綜合性能”？

答：核心在于“精準(zhǔn)調(diào)控改性程度”：分子氟代時(shí)，通過引入剛性氟代基團(tuán)（如三氟甲基聯(lián)苯結(jié)構(gòu)），在降介的同時(shí)保留分子鏈剛性，避免力學(xué)強(qiáng)度下降；多孔化設(shè)計(jì)中，采用 “封閉孔洞 + 梯度孔徑” 策略，孔洞率控制在 20% 左右（超過 25% 會(huì)導(dǎo)致耐擊穿性下降）；納米復(fù)合時(shí)，選擇與 PI 基體折射率接近的粒子（如 SiO?，折射率 1.46，PI 約 1.6），減少界面極化損耗。此外，需通過正交實(shí)驗(yàn)篩選*優(yōu)參數(shù)，例如氟代單體含量 35%+SiO?添加量 3wt%，可實(shí)現(xiàn) Dk=2.5、拉伸強(qiáng)度 85MPa、Tg=290℃的平衡性能。

2. 應(yīng)用研究視角：低介電 PI 在 5G 基板量產(chǎn)中，如何解決 “工藝兼容性” 問題？

答：主要面臨兩大難題：一是薄膜厚度均勻性，量產(chǎn)時(shí)需采用“狹縫擠出 + 靜電吸附” 流延工藝，控制膜厚偏差≤3%（實(shí)驗(yàn)室為 5%），避免基板層壓時(shí)出現(xiàn)氣泡；二是與金屬布線的附著力，需在 PI 表面進(jìn)行等離子體處理（引入羥基、羧基），使與銅箔的剝離強(qiáng)度從 1.2N/mm 提升至 1.8N/mm，滿足 PCB 布線時(shí)的耐焊接熱要求（260℃/10s 無分層）。此外，需優(yōu)化固化工藝，將亞胺化時(shí)間從實(shí)驗(yàn)室的 4h 縮短至量產(chǎn)的 1.5h，降低生產(chǎn)成本。

3. 客戶視角：終端設(shè)備廠商選擇低介電 PI 基板時(shí)，除介電參數(shù)外，還關(guān)注哪些核心指標(biāo)？

答：首先是成本可控性，改性 PI 價(jià)格若高于傳統(tǒng) PI 50% 以上，會(huì)增加設(shè)備成本（如基站基板用量大，成本敏感度高），需廠商提供 “改性成本 - 性能” 性價(jià)比方案；其次是供貨穩(wěn)定性，需確認(rèn)改性材料的月產(chǎn)能（至少 50 噸以上），避免因原材料短缺導(dǎo)致生產(chǎn)停滯；*后是可靠性數(shù)據(jù)，需提供 1000h 高溫高濕（85℃/85% RH）測試后的性能衰減報(bào)告（介損升高≤0.001，拉伸強(qiáng)度保留≥90%），確保設(shè)備長期運(yùn)行穩(wěn)定。

結(jié)尾

從小區(qū)基站的信號(hào)塔到手機(jī)里的高速 PCB，5G 的 “快” 從來不是單一技術(shù)的突破，而是像低介電 PI 這樣的 “隱形材料” 在幕后的支撐。當(dāng)我們刷著 4K 直播、用著智能家電時(shí)，或許不會(huì)想到：基板里那層薄至 25μm 的 PI 薄膜，正以 0.003 的介損、280℃的耐熱性，默默保障著每一次信號(hào)的順暢傳輸。未來隨著 6G 向太赫茲頻段邁進(jìn)，低介電材料的性能還將面臨更高挑戰(zhàn)，但當(dāng)下每一次 Dk 的 0.1 下降、每一次成本的 5% 降低，都是在為 “更快、更穩(wěn)、更普惠” 的通信時(shí)代鋪路 —— 畢竟，再先進(jìn)的通信技術(shù)，*終都要落到 “讓普通人用得上、用得好” 的實(shí)處。