聚酰亞胺薄膜（Polyimide Film，PIF），簡稱PI膜，具有優(yōu)異的耐輻照、耐腐蝕、耐高低溫性能、化學(xué)穩(wěn)定性以及力學(xué)性能、介電性能，與碳纖維、芳綸纖維并稱為制約我國發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的三大“卡脖子”高分子材料。根據(jù)用途，PI薄膜可分為以耐熱、絕緣為目的的電工級(jí)PI薄膜和附有低膨脹系數(shù)、高撓性等要求的電子級(jí)PI薄膜。電子PI薄膜作為撓性覆銅板（FCCL）、封裝基板（COF）等的核心原材料，是當(dāng)前PI市場(chǎng)最大且最快的應(yīng)用領(lǐng)域。

電子級(jí)聚酰亞胺薄膜的應(yīng)用

1.PI膜用于撓性覆銅板

撓性印制電路板（FPC）是一種以撓性覆銅板（FCCL）為基材制成的一種具有可撓性的印刷電路板，本身是PCB的一種，又被稱為“軟板”。采用的柔性基材使其具有配線密度高、重量輕、厚度薄、可彎曲、靈活度高等優(yōu)點(diǎn)，能承受數(shù)百萬次的動(dòng)態(tài)彎曲而不損壞導(dǎo)線，依照空間布局要求任意移動(dòng)和伸縮，實(shí)現(xiàn)三維組裝，達(dá)到元器件裝配和導(dǎo)線連接一體化的效果，具有其他類型電路板無法比擬的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在手機(jī)、筆記本電腦、導(dǎo)航設(shè)備、航空航天設(shè)備等電子產(chǎn)品中。其中，撓性覆銅板（FCCL）占整個(gè)原材料的40%，而PI薄膜可制成撓性覆銅板（FCCL）基板和覆蓋膜，實(shí)現(xiàn)FPC的可撓性。

撓性電路板

FCCL使用的PI基膜和覆蓋膜不僅要求具有良好耐熱性能和機(jī)械性能，還必須具備優(yōu)異的撓曲性、尺寸穩(wěn)定性和介電絕緣性能。

（1）高尺寸穩(wěn)定性的PI膜

FCCL領(lǐng)域中利用低熱膨脹系數(shù)（CTE）來描述PI薄膜的高尺寸穩(wěn)定性。FCCL的低膨脹系數(shù)要求PI薄膜的CTE盡量與銅接近，即聚酰亞胺薄膜的熱膨脹系數(shù)在15~18 ppm/℃范圍內(nèi)，可減少兩者之間因CTE差別較大而引起的界面應(yīng)力。目前，降低PI薄膜CTE的主要方法是采用分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及成膜工藝的改進(jìn)。

芳香族聚酰亞胺在設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)時(shí)引入氫鍵、剛性的平面結(jié)構(gòu)單元，在亞胺化時(shí)聚合物分子鏈會(huì)形成緊密的堆積，面內(nèi)形成高度取向的有序排列，因此PI薄膜CTE明顯降低，但是如果PI分子結(jié)構(gòu)引入剛性基團(tuán)致使聚合物剛性太強(qiáng)，分子鏈過分僵硬，分子鏈之間不會(huì)卷曲糾纏，則固化后PI膜韌性太低、太脆而沒有應(yīng)用價(jià)值。

除了從分子結(jié)構(gòu)層面設(shè)計(jì)以達(dá)到降低 CTE 的目的外，也可通過聚酰亞胺成膜工藝的改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)這一目的。影響聚酰亞胺聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和熱膨脹系數(shù)的因素，包括所用溶劑、涂膜方式、凝膠化過程、酰亞胺化方法和過程、牽伸條件以及退火條件等?？赏ㄟ^雙向拉伸工藝和牽伸比TD/MD的合理控制實(shí)現(xiàn)PI薄膜的低 CTE和各向同性。而聚酰胺酸凝膠膜的可牽伸性取決于溶劑含量，只有當(dāng)溶劑含量在30%~50%之間，聚酰亞胺膠膜才可以在TD和MD方向均可以牽伸。

聚酰亞胺薄膜成膜工藝流程

（2）低介電損耗的PI膜

高分子電介質(zhì)材料的介電常數(shù)（Dk）可由以下公式表示：

式中：P 為高分子中官能團(tuán)的摩爾極化度 (cm³/mol)，V為高分子中官能團(tuán)的摩爾體積 (cm³/mol)?？梢钥闯?，高分子材料的介電常數(shù)與P/V成正比，摩爾極化度P越小，或者是摩爾體積V越大，則高分子的Dk越小。

因此，設(shè)計(jì)高分子的結(jié)構(gòu)時(shí)，可以從以下幾點(diǎn)考慮：

（1）引入極化度低的官能團(tuán)，如含氟集團(tuán)（—F）、亞甲基（—CH₂—）、甲基（—CH₃）等；

（2）引入摩爾體積大的官能團(tuán)，如苯基或芳香類官能團(tuán)；

（3）避免引入P/V值高的官能團(tuán)，如羥基、羧基等。

在亞胺化過程中，調(diào)整聚酰胺酸自支撐膜的升溫程序以及拉伸條件等可以有效控制成膜平面取向系數(shù) POC，從而實(shí)現(xiàn)PI薄膜的介電常數(shù)的調(diào)控。

2.PI膜用于OLED柔性顯示

近幾年，OLED柔性顯示技術(shù)正向可折疊、可卷曲方向發(fā)展，而實(shí)現(xiàn)柔性化的關(guān)鍵材料是聚酰亞胺薄膜。柔性顯示需要使用聚酰亞胺薄膜的單元包括：顯示基板、顯示封裝基板、觸屏基板，觸屏蓋板，顯示屏蓋板等。OLED顯示使用的聚酰亞胺薄膜需兼有耐高溫和無色透明等兩方面的性能。

在柔性O(shè)LED器件的加工過程中，低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS-TFT）的加工溫度不低于450 ℃，因此，聚酰亞胺薄膜作為柔性基板也要求極高的耐熱性能（T_g >450℃）。另外還要求聚酰亞胺薄膜在室溫~400 ℃范圍內(nèi)具有超低熱膨脹系數(shù)CTE<4 ppm/ ℃，以確保高溫制程中的尺寸穩(wěn)定性。

相較于FCCL中聚酰亞胺薄膜的低CTE，柔性顯示基板要求更低。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，柔性顯示基板所用聚酰亞胺可采用剛性棒狀、分子間氫鍵或化學(xué)交聯(lián)基團(tuán)等結(jié)構(gòu)單元，以實(shí)現(xiàn)超高耐熱、超低熱膨脹系數(shù)。

另外，傳統(tǒng)PI透明薄膜通常為黃色或棕色，為提高 PI 薄膜的透明度，可在設(shè)計(jì) PI分子結(jié)構(gòu)時(shí)引入大取代基、含氟基團(tuán)或引入脂環(huán)結(jié)構(gòu)二酐或二胺等，有效抑制 PI分子鏈中影響透光性物質(zhì)的形成，進(jìn)而得到無色透明的PI薄膜。

無色透明PI膜在柔性O(shè)LED中的應(yīng)用

3.PI膜用于5G通信

目前，在微電子封裝領(lǐng)域，聚酰亞胺（PI）薄膜因?yàn)槠鋬?yōu)異的綜合性能被認(rèn)為是理想的封裝材料，特別是在柔性封裝基板方面。隨著電子器件的高速發(fā)展，集成化、微型化、輕薄化以及5G通信帶來的高頻化成為電子器件的發(fā)展新趨勢(shì)，在電子器件中應(yīng)用的聚酰亞胺絕緣薄膜因此面臨著越來越高的導(dǎo)熱要求。傳統(tǒng)的聚酰亞胺薄膜導(dǎo)熱系數(shù)在0.2 W/(m·K) 以下，無法滿足電子器件的快速散熱要求，近幾年，國內(nèi)外研究人員采用導(dǎo)熱填料與聚酰亞胺樹脂共混的方式來提高聚酰亞胺薄膜的導(dǎo)熱性能。

添加具有良好的導(dǎo)熱性和絕緣性陶瓷類填料是制備導(dǎo)熱絕緣薄膜的首選方案，主要填料種類有氮化硼、氮化鋁、氮化硅等。導(dǎo)熱填料的尺寸大小、加入量以及填料與基體界面的相互作用對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)有重要的影響。

柔性電子器件封裝

參考來源：

1.電子級(jí)聚酰亞胺薄膜的市場(chǎng)現(xiàn)狀和研究進(jìn)展，潘麗、劉甜甜、武海濤、馮翀（橡塑技術(shù)與裝備）；

2.高性能聚酰亞胺薄膜的市場(chǎng)需求與技術(shù)挑戰(zhàn)，郭海泉（第十九屆中國覆銅板技術(shù)研討會(huì)論文集）；

3.導(dǎo)熱聚酰亞胺絕緣薄膜材料的研究進(jìn)展，高夢(mèng)巖、王暢鷗、賈妍（絕緣材料）。

粉體圈小吉

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