低介电常数聚酰亚胺薄膜的改性设计与 5G 高频通信基板应用适配性分析

低介电常数聚酰亚胺薄膜的改性设计与 5G 高频通信基板应用适配性分析

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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业，公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区，专业的光电镀膜公司，技术背景依托中国科学院，卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工；光学透镜、反射镜、棱镜，平板显示，安防监控等光学镀膜产品的开发和生产，为全球客户提供上等的产品和服务。

摘要

5G 高频通信（尤其毫米波频段）对基板材料的介电常数（Dk）、介损（Df）提出严苛要求（Dk≤2.8，Df≤0.005）。本文针对聚酰亚胺（PI）薄膜的高介电短板，从分子结构改性、多孔化设计、纳米复合三个方向展开改性研究，通过引入氟代基团、调控多孔结构、复合低介电纳米粒子，实现 Dk 低至 2.3、Df≤0.003 的性能突破。适配性分析表明，改性 PI 薄膜在高频信号衰减率、热稳定性（Tg≥280℃）、力学强度（拉伸强度≥80MPa）上均满足 5G 基板需求，为高频通信设备的小型化、高速化提供材料支撑。

1 引言

当 5G 信号以毫米波频段实现 “毫秒级响应”，通信基板的介电性能成为信号传输的 “关键瓶颈”—— 传统 PI 薄膜（Dk≈3.2-3.5，Df≈0.008）在高频下会产生严重信号衰减，导致数据传输速率下降、能耗增加。因此，通过改性设计降低 PI 的介电常数与介损，同时保留其耐高温、抗腐蚀的固有优势，成为适配 5G 基板的核心技术方向。本文聚焦三类主流改性路径，系统分析其改性机制与应用适配性。

2 低介电 PI 薄膜的改性设计

2.1 分子结构改性：氟代基团的精准引入

在 PI 分子链中引入三氟甲基（-CF₃）或全氟烷基，利用氟原子高电负性降低分子极化率（介电常数与分子极化率正相关）。实验表明，将含氟二胺（如 2,2'- 双三氟甲基 - 4,4'- 二氨基联苯）替代传统二胺单体，PI 薄膜 Dk 可从 3.4 降至 2.5-2.8，Df 降至 0.004-0.006。需控制氟含量在 30%-40%：过低无法显著降介，过高则会降低分子链间作用力，导致拉伸强度下降至 60MPa 以下（低于基板要求的 70MPa）。

2.2 多孔化设计：空气相的可控引入

空气介电常数（Dk≈1）远低于 PI，通过模板法（如纳米球模板）在 PI 薄膜中构建孔径 50-200nm 的封闭孔洞，孔洞率控制在 15%-25% 时，Dk 可降至 2.3-2.5，且拉伸强度保留≥80MPa（传统 PI 为 100MPa）。关键技术在于避免孔洞团聚：采用超声分散 + 梯度升温固化工艺，可使孔洞分布均匀度提升至 90% 以上，避免高频下因孔洞不均导致的局部信号畸变。

2.3 纳米复合改性：低介电粒子的协同增效

复合低介电纳米粒子（如 SiO₂、石墨烯量子点），通过粒子与 PI 基体的界面作用抑制分子极化。例如，添加 5wt% 表面改性 SiO₂（粒径 20nm），PI 薄膜 Dk 降至 2.6，Df 降至 0.003，同时热导率从 0.15W/(m・K) 提升至 0.22W/(m・K)，解决 5G 基板高频工作时的散热难题。需注意粒子分散性：未改性粒子易团聚，反而导致介损升高。

3 5G 高频通信基板应用适配性分析

5G 基板需同时满足 “高频低损耗、高温耐老化、力学抗弯曲” 三大需求：

1.信号传输适配性：改性 PI（Dk=2.3-2.8，Df≤0.005）在 28GHz 频段的信号衰减率≤0.3dB/cm，较传统 PI（0.5dB/cm）降低 40%，符合基站天线基板、高速 PCB 的传输要求；

2.热稳定性适配性：改性 PI 的玻璃化转变温度（Tg）均≥280℃，在基板长期工作温度（-40℃-120℃）下，介电性能衰减率≤3%，避免高温导致的信号失真；

3.工艺适配性：薄膜厚度均匀度（偏差≤5%）、与铜箔的剥离强度（≥1.5N/mm）均满足 PCB 层压工艺要求，可直接替代传统基板材料。

4 结论

1.分子氟代、多孔化、纳米复合三种改性路径，可有效将 PI 薄膜 Dk 降至 2.3-2.8，Df≤0.005，兼顾热稳定性与力学性能；

2.改性 PI 薄膜在高频信号衰减、高温可靠性、工艺兼容性上完全适配 5G 通信基板需求，尤其适用于毫米波频段设备；

3.未来需进一步优化改性工艺成本（如降低氟代单体价格），推动规模化应用。

问答环节

1. 行业研发视角：研发低介电 PI 时，如何平衡 “降介效果” 与 “综合性能”？

答：核心在于“精准调控改性程度”：分子氟代时，通过引入刚性氟代基团（如三氟甲基联苯结构），在降介的同时保留分子链刚性，避免力学强度下降；多孔化设计中，采用 “封闭孔洞 + 梯度孔径” 策略，孔洞率控制在 20% 左右（超过 25% 会导致耐击穿性下降）；纳米复合时，选择与 PI 基体折射率接近的粒子（如 SiO₂，折射率 1.46，PI 约 1.6），减少界面极化损耗。此外，需通过正交实验筛选*优参数，例如氟代单体含量 35%+SiO₂添加量 3wt%，可实现 Dk=2.5、拉伸强度 85MPa、Tg=290℃的平衡性能。

2. 应用研究视角：低介电 PI 在 5G 基板量产中，如何解决 “工艺兼容性” 问题？

答：主要面临两大难题：一是薄膜厚度均匀性，量产时需采用“狭缝挤出 + 静电吸附” 流延工艺，控制膜厚偏差≤3%（实验室为 5%），避免基板层压时出现气泡；二是与金属布线的附着力，需在 PI 表面进行等离子体处理（引入羟基、羧基），使与铜箔的剥离强度从 1.2N/mm 提升至 1.8N/mm，满足 PCB 布线时的耐焊接热要求（260℃/10s 无分层）。此外，需优化固化工艺，将亚胺化时间从实验室的 4h 缩短至量产的 1.5h，降低生产成本。

3. 客户视角：终端设备厂商选择低介电 PI 基板时，除介电参数外，还关注哪些核心指标？

答：首先是成本可控性，改性 PI 价格若高于传统 PI 50% 以上，会增加设备成本（如基站基板用量大，成本敏感度高），需厂商提供 “改性成本 - 性能” 性价比方案；其次是供货稳定性，需确认改性材料的月产能（至少 50 吨以上），避免因原材料短缺导致生产停滞；*后是可靠性数据，需提供 1000h 高温高湿（85℃/85% RH）测试后的性能衰减报告（介损升高≤0.001，拉伸强度保留≥90%），确保设备长期运行稳定。

结尾

从小区基站的信号塔到手机里的高速 PCB，5G 的 “快” 从来不是单一技术的突破，而是像低介电 PI 这样的 “隐形材料” 在幕后的支撑。当我们刷着 4K 直播、用着智能家电时，或许不会想到：基板里那层薄至 25μm 的 PI 薄膜，正以 0.003 的介损、280℃的耐热性，默默保障着每一次信号的顺畅传输。未来随着 6G 向太赫兹频段迈进，低介电材料的性能还将面临更高挑战，但当下每一次 Dk 的 0.1 下降、每一次成本的 5% 降低，都是在为 “更快、更稳、更普惠” 的通信时代铺路 —— 毕竟，再先进的通信技术，*终都要落到 “让普通人用得上、用得好” 的实处。