产业研究｜聚酰亚胺：为什么要“低介电”？如何才能“低介电”？

当聚酰亚胺薄膜用在集成电路行业或作为通信天线的绝缘材料时，材料的介电性能或介电损耗是产品设计中非常关注的一个参数。行业里常常听到这样的说法：PI在5G通信的高频段不能使用，介电损耗太大，需要考虑改性后的MPI或者新型低介电材料，如LCP。

材料的介电性能对于高频高速信号传输到底有什么影响？

信号在绝缘介质中传播时，会受材料的介质性能影响而发生信号传输损耗、功率损耗和降低传递速率等影响。

1) 在介质中信号传输的损失

式中：α_D——介质损耗，dB/m；

K——常数；

f——频率，Hz;

ε_r——介电常数；

tanδ——介质层损耗正切角；

C——光速，3×10⁸m/s。

从式中可看出：信号的介质损耗不仅随着信号传输频率提高而增大，而且随着介质层的介质性能介电常数ε_r和损耗正切角tanδ的增大而增加。因此，对于高频信号和高速数字信号的传输用基板必须选择低介电常数和低介质层损耗正切角的介质层材料。

2) 在介质中功率的损耗

为了在基板中传输信号，必须加上驱动功率才行，由于在介质层进行功率驱动信号传输的过程中，必然要引起功率损失（耗），其关系如下式所示。

式中：P——功率损耗；

U——加载电压；

2πf，角频率；

电容C=K×ε_r/t（K为常数，t为介质层厚度）。

由于电压和频率是外施条件，而基板形成的电容C是与“极板”形状和介质层介电常数有关。因此，从上式中可看出：在信号传输中的功率损失（耗），不仅与驱动电压和信号频率有关，而且是与介质层的介质性能（介电常数εr和损耗正切角tanδ）成正比的关系。

3) 在介质中传递速率降低

在介质中信号传输速度V如下式所示。

V=K×C×(ε_r)^1/2

式中：V——信号传输速度；

K——常数；

C——光速；

ε_r——介电常数。

从式中可看出，信号传输速度V将随着（εr）^1/2增加而降低。

根据TD的公式，在介质中信号传输的延迟时间TD也是随着介质层的介电常数增大而增加。

T_D=1/C=K×（ε_r）^1/2/C=3.33（εr）^1/2

式中：T_D——传输信号延迟时间（ns/m，即每米会引起多少纳秒延迟）。

总之，介质层的介质性能将影响着信号传输性能（速度或时间延迟、信号损耗）和功率损失（耗）等，特别是在高频信号和高速数字信号的传输中的影响是非常突出而严重的。一般来说，低εr和小tanδ值是非常有利于高频信号和高速数字信号的传输的。

现在降低聚酰亚胺介电常数的方法有哪些呢？

结合当前低介电研究热点，大概分为三类：分子结构设计、制备工艺改进和复合改性。

1）分子结构设计：尽量避免引入摩尔极化体积比较高的官能团，像-OH、-COOH等；同时，引入含氟集团、亚甲基或苯基、萘基等官能团。

2）制备工艺改进：在材料本体内部引入空气（Dk≈1.0），即开发多孔型高分子材料。

3）复合改性：通过与其他低介电材料进行复合改性，使得聚酰亚胺整体介电常数降低。