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• 文章导读

在5G与高频通信技术高速发展的背景下，电子封装材料正面临双重核心挑战：高频信号传输损耗与严苛的机械可靠性要求。传统聚酰亚胺（PI）具有卓越的热稳定性，但其介电性能（介电常数D_k＞3.2、损耗因子D_f＞0.005@10GHz）及综合力学表现（如韧性差导致开裂风险）仍需深度优化，以满足先进封装技术向毫米波频段、异构集成方向演进的需求。

针对高频通信对电子封装材料低介电损耗与高机械可靠性的需求，中国科学院深圳先进技术研究院、深圳先进电子材料国际创新研究院团队通过分子结构创新，成功设计并合成了一种新型含氟聚酰亚胺（FPI）。该材料实现了三大核心性能突破：

1. 低介电特性：介电常数（D_k）降至2.60，损耗因子（D_f）低至3.37×10^-3，有望显著降低高频信号传输损耗；

2. 优异力学韧性：断裂伸长率达50.1%，远超传统聚酰亚胺（通常<20%），有效提升抗机械应力能力；

3. 综合性能协同优化：在保持聚酰亚胺固有高热稳定性与化学稳定性的基础上，实现“低D_k/D_f”与“高韧性”的协同突破。

该材料为高频芯片封装等先进电子器件的可靠性与信号完整性提供了有效的解决方案。

图文摘要：新型含氟二胺制备的低介电&低损耗&高断裂伸长率含氟聚酰亚胺

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：Synthesis and properties of a novel perfluorinated polyimide with high toughness, low dielectric constant and low dissipation factor。欢迎扫描下方二维码或者点击下方链接免费阅读、下载！

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https://doi.org/10.1039/D5IM00048C

• 本文亮点

★ 设计并制备了一种新型含氟二胺单体5FBODA；

★ 阐明了含氟聚酰亚胺中五氟侧基对介电、损耗和力学性能的影响机制；

★ 提出了同时具有高断裂伸长率和低介电性能的聚酰亚胺材料的设计策略。

• 图文解读

1. 含氟聚酰亚胺的合成

含氟聚酰亚胺的合成主要分成两个部分，首先通过Suzuki-Miyaura反应构建含五氟苯基的二胺单体5FBODA。接着，将其同含氟二胺（HFBAPP）与含氟二酐（6FESDA）进行共聚（如下图所示），进一步经热亚胺化制备一系列不同二胺比例的FPI薄膜。

图1. 氟化聚酰亚胺制备过程的示意图

2. XRD&红外&光学表征

XRD图显示FPI的2θ范围为14.54^o~15.99^o，对应的面间距为5.54~6.09 Å。5FBODA的大体积五氟苯基侧基使得结构中引入更多自由体积。红外谱图中，1780 cm^-1和1720 cm^-1处的吸收峰分别为C=O键对称及不对称伸展，酰亚胺环中的C-N伸展峰出现在1380 cm^-1处，720 cm^-1处的峰为C=O键的弯曲振动峰，C-F键的特征峰为1480 cm^-1。出现的峰与FPI的特征峰对应，表明FPI成功合成。此外，FPI均具有较好的光学透明度，T450、T500、T550分别在80.8~82.4%、87.1~87.9%和88.5~89.0%范围内，FPI之间的光学差异不大。

图2.（a）FPI的XRD图，（b）FPI的ATR-FTIR谱图，（c）-（h）FPI的光学图像，（i）FPI的UV透过曲线

3. 热力学表征

FPI具有较好的热稳定性，其5%热失重温度（T_d,5%）和10%热失重温度（T_d,10%）分别为437~472 ^oC和460~501 ^oC，残碳率均在800 ^oC（R800）保持在50%以上。随着5FBODA单体含量的增加，FPI薄膜的热稳定性略有下降，这是因为5FBODA主链中刚性苯环单元的数量少于HFBAPP。FPI的玻璃化转变温度（T_g）随着5FBODA含量的增加先减小后增大。当5FBODA含量小于30%时，对应XRD中面间距的增加，T_g先减小。当五氟苯基团的摩尔含量超过30%时，大体积侧基限制了分子链的移动，T_g增大。FPI的热膨胀系数（CTE）随着5FBODA单体的增加而减小。其中，FPI-2和FPI-3表现出优异的机械性能，断裂伸长率高达59.8%和50.1%，优于大多数已报道的含氟PI薄膜。此外，HFBAPP和5FBODA中存在的柔性醚键也提高了FPIs的断裂伸长率。当5FBODA的摩尔含量超过30%时，机械性能显著降低，这可能是因为具有五氟苯侧基的5FBODA体积过大，阻碍了分子链的运动。

图3. FPI的热学性能与机械性能。（a）TGA曲线，（b）TMA曲线，（c）DSC曲线，（d）5%热失重温度，（e）10%热失重温度，（f）玻璃化转变温度，（g）热膨胀系数，（h）DMA拉伸曲线，（i）FPI的力学性能参数

4. 介电性能分析

FPI-3在制备的一系列含氟聚酰亚胺中具有最低的介电常数，在10GHz下，其介电常数为2.60，损耗因子为0.00337。实验结果表明引入少量的氟化基团会降低分子的整体极化和取向极化能力，使得介电常数先减小后增加。随着氟化基团增加，过量的氟化基团可能会导致极性基团密度的增加，电子极化贡献显著增加，介电常数也会增加。为了明确结构对介电性能的影响，对二胺单体的电子云分布进行了理论计算。结果表明，5FBODA的侧基五氟苯具有较强的吸电子效应，降低了酰胺基团的固有偶极矩，从而有效地降低了FPIs在高频率下的D_k。当5FBODA的占比增加时，主链的运动受到限制，限制了偶极极化，有效地降低了含氟聚酰亚胺薄膜的D_f。

图4.（a）FPI的介电性能，（b）5FBODA和HFBAPP的LUMO与HOMO值

• 总结与展望

本文通过含氟侧基调控分子极化与链段运动的策略，突破了传统含氟聚酰亚胺薄膜“低介电低损耗”与“高韧性”的难以兼具的问题，推动聚酰亚胺材料在5G通信、高频电路板等领域的实际应用。该工作也为下一代高性能电子材料研发提供了有益的探索。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

文章信息

H. Wang, Y. Zhang, X. Lv, J. Li, K. Wang, G. Zhang and R. Sun, Synthesis and properties of a novel perfluorinated polyimide with high toughness, low dielectric constant and low dissipation factor, Ind. Chem. Mater., 2025, DOI: 10.1039/D5IM00048C.

• 作者简介

通讯作者

李金辉，中国科学院深圳先进技术研究院、深圳先进电子材料国际创新研究院副研究员，博士研究生导师，2023年入选全球2%顶级科学家，作为主要人员之一获得深圳市科技进步二等奖（2022年）。主要研究方向为集成电路先进封装及基板光敏材料等。目前，已发表SCI和EI论文100余篇，H因子为33（web of science），他引3378次。同时，申请专利30件，授权专利20件。

通讯作者

吕夏蕾，现为深圳先进电子材料国际创新研究院高级工程师，深圳市后备级高层次人才，主要从事先进封装光敏材料、有机发光材料等研究，累积发表论文共计64篇，他引1500次，H因子为23，其中以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed，Chem. Eng. J.，ACS Appl. Mater. Interfaces等高水平国际期刊发表SCI&EI论文21篇，申请发明专利22项，已授权8件。

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