低介电常数聚酰亚胺薄膜的制备及性能研究

发布时间：2020-10-27 20:27

　　 聚酰亚胺是高性能工程塑料之一,因具有优异的力学性能、热稳定性能和电绝缘性能而被广泛应用于微电子行业中。然而,随着超大规模集成电路与高频印刷电路的快速发展,要求相应的绝缘介质材料必须具有更低的介电常数,传统的聚酰亚胺已无法满足需求。因此,开发新型低介电常数聚酰亚胺材料已成为该领域的研究热点。本文以获得低介电常数且综合性能优异的多层聚酰亚胺薄膜为目的,以4,4′-二氨基二苯醚和3,3,4,4-二苯酮四酸二酐为单体,制备了氧化石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜、氟化石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜、多孔聚酰亚胺薄膜、多层聚酰亚胺复合薄膜,使用扫描电子显微镜、X射线衍射分析仪、拉伸测试仪、阻抗分析仪、热失重分析仪等设备对薄膜进行了系统的表征,采用克劳修斯-莫索蒂方程、串联电容理论和并联结构刚度理论对薄膜的介电性能和力学性能进行了深入的分析,促进了低介电常数聚酰亚胺材料的发展。具体研究内容如下:采用两步法制备了三种(BTDA-PI、PMDA-PI和BPDA-PI)聚酰亚胺薄膜,对比研究了三种薄膜的力学性能、介电性能及热稳定性能。结果表明,三种薄膜的性能有较大差异。其中,BTDA-PI型薄膜综合性能最优。BTDA-PI型薄膜的介电常数为3.56,拉伸强度为114 MPa,特征击穿强度为478.90 kV/mm。因此,选择BTDA-PI型聚酰亚胺作为后续研究的基础。在BTDA-PI型聚酰亚胺的基础上,通过改进的原位聚合法制备了氧化石墨烯与聚酰亚胺复合的薄膜。结果表明,氧化石墨烯的加入可以提高聚酰亚胺的力学性能,但是对于降低其介电常数没有作用。采用液相超声剥离法制备了质量比较高的氟化石墨烯,并通过溶液共混法获得了分散性良好的氟化石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜。结果表明,氟化石墨烯的加入可以降低聚酰亚胺薄膜的介电常数,提高其力学性能及热稳定性能。当氟化石墨烯的含量为0.5 wt%时,聚酰亚胺薄膜的介电常数可以降低为2.49,拉伸强度提高为160 MPa。采用相转化法制备了低介电常数多孔聚酰亚胺薄膜,研究了溶剂组成和凝固浴温度对薄膜的结构和介电性能的影响机理。由N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)溶剂制备的薄膜,其内部为拇指状的大孔结构,孔隙率高,介电常数相对较低。由1,4-丁内酯(GBL)溶剂制备的薄膜,其内部为海绵状的小孔结构,孔隙率低,介电常数相对较高。由GBL-DMAC混合溶剂制备的薄膜,其内部既有拇指状大孔也有海绵状小孔,薄膜的介电常数随着溶剂中DMAC含量的增加而下降。此外,凝固浴温度对不同溶剂体系薄膜的结构及介电性能的影响明显不同。对于单一溶剂(GBL和DMAC)体系,升高凝固浴温度可以促进内部新的小孔隙或者凹槽的形成来增加薄膜的孔隙率,进而降低其介电常数;对于GBL-DMAC混合溶剂体系,升高凝固浴温度则会抑制拇指状大孔结构的形成来降低薄膜的孔隙率,从而增加其介电常数。以无孔氟化石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜为致密的外表面层,多孔聚酰亚胺薄膜为降低介电常数的核心层,采用逐层涂覆的方法制备了双层及三层低介电聚酰亚胺复合薄膜,分析了膜层组成及结构对其介电性能、力学性能及热稳定性能的影响机理。结果表明,与单层的多孔薄膜比较,双层、三层薄膜的力学性能、击穿性能及热稳定性能均有提高。获得了介电性能和力学性能良好的双层PI-1和FG/PI-1薄膜,其介电常数分别为2.01和1.98,特征击穿强度分别为180.75 kV/mm和198.14 kV/mm,拉伸强度分别为42.69 MPa和58.62 MPa。获得了表面致密、低介电常数、且击穿性能、力学性能和热稳定性能良好的三层PI-2和FG/PI-2薄膜,其介电常数分别为1.95和1.92,特征击穿强度分别为184.20 kV/mm和170.49kV/mm,拉伸强度分别为45.67 MPa和65.76 MPa,拉伸模量分别为1.93 GPa和2.96 GPa。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ323.7;TB383.2
【部分图文】：

-9-图 1-1 降低电介质材料介电常数的方式[67]Fig. 1-1 Possibilities for reducing the k value of dielectrics[67]

图 1-2 聚酰亚胺多孔薄膜的制备原理图[84]Fig. 1-2 Schematic illustration of the preparation of nanoporous PI films[84]化学溶解法是指将无机粒子引入前驱体聚酰胺酸中，亚胺化后通过特殊的化无机粒子进行溶解或者刻蚀，从而留下一定的空间，最终形成内部具有一定

图 1-3 聚酰亚胺大孔薄膜的形成机理图[90]Fig. 1-3 Schematic diagram of the formation mechanism of the macroporous PI films[90]复合法是指通过复合内部含孔的有机或者无机材料从而获得整体多孔的聚酰薄膜，是制备低介电常数聚酰亚胺的一种更为实用的方法。复合法可以使低介电
【参考文献】

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本文编号：2859017