“芯-屏-器/气-合”——多功能化聚酰亚胺材料的核心技术突破、 性能优化及应用场景探索

doi:10.7503/cjcu20250319

摘要/Abstract

摘要：

聚酰亚胺作为高性能聚合物的关键代表, 以其卓越的耐热性、优异的力学性能及突出的介电特性, 在集成电路、新能源、航空航天等国家战略新兴领域中扮演着不可替代的角色. 然而, 面对柔性电子、高效能源转换及“双碳”战略等前沿领域的快速发展, 传统聚酰亚胺材料在介电、柔性、功能集成及热管理等方面仍存在显著瓶颈. 基于此, 本文综合评述了本课题组围绕“芯-屏-器/气-合” 5个关键维度所取得的多功能聚酰亚胺的创新研究成果. 在“芯”层面, 发展了具有超低介电常数与高强度的材料体系, 服务于高端芯片封装; 在“屏”层面, 研制出高透光、耐折曲的柔性薄膜, 满足柔性显示需求; 在“器/气”层面, 一方面拓展了其在能源器件与航空航天热管理中的应用, 另一方面通过结构设计显著提升了气体分离性能, 服务于“双碳”目标; 在“合”层面, 通过构建多维导热网络, 实现了复合材料热管理能力的突破. 本文不仅展示了聚酰亚胺巨大的功能可塑性, 也为解决相关科技领域的关键材料挑战提供了重要的理论与技术支撑.

关键词: 聚酰亚胺, 高频低介电, 薄膜, 气体分离, 热管理

Abstract:

As a key representative of high-performance polymers， polyimide plays an irreplaceable role in strategic emerging fields such as integrated circuits， new energy， and aerospace， owing to its exceptional thermal resistance， outstanding mechanical properties， and remarkable dielectric characteristics. However， with the rapid development of cutting-edge areas such as flexible electronics， efficient energy conversion， and the “dual-carbon” strategy， traditional polyimide materials still face significant challenges in terms of dielectric properties， flexibility， functional integration， and thermal management. In response， this paper systematically reviews the innovative research achievements in multifunctional polyimides， focusing on five key dimensions： “IC， display， device/gas separation， composite.” Specifically， at the “IC” level， material systems with ultra-low dielectric constants and high strength have been developed for advanced chip packaging. At the “dsiplay” level， highly transparent and flexible films with excellent folding endurance have been fabricated to meet the demands of flexible displays. In the “device/gas separation” dimension， applications in energy devices and aerospace thermal management have been expanded， while structural designs have significantly enhanced gas separation performance， contributing to the “dual-carbon” goals. At the “composite” level， breakthroughs in thermal management capabilities of composites have been achieved by constructing multi-dimensional thermal conduction networks. This study not only demonstrates the considerable functional plasticity of polyimides but also provides important theoretical and technical support for addressing key material challenges in related scientific and technological fields.

Key words: Polyimide, High frequency with low dielectric constant, Film, Gas separation, Thermal management

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 24

Fig.1 Method for synthesizing polyimide through the reaction of a dicarboxylic acid diester with a diamine

Table 1 Characteristics of negative/positive photoresist polyimide

Characteristic	Negative⁃tone photosensitive polyimide	Positive⁃tone photosensitive polyimide
Core mechanism	Photo⁃induced crosslinking	Photo⁃induced increase in solubility
Photosensitive groups	Acrylate groups， epoxy groups， vinyl ether， etc.	Diazonaphthoquinone（DNQ） compounds， etc.
Development result	Exposed areas are insoluble and retained	Exposed areas are soluble and removed
Features	Mature process， widely applied， good adhesion，	Higher resolution， good pattern precision
	fast photosensitivity， low cost
Application scenarios	Advanced packaging， insulating buffer layers	High⁃density integrated circuits， fine pattern transfer

Fig.2 Three major strategies for low⁃temperature curing of photosensitive polyimide

Fig.3 Preparation process of quaternary block copolyamide acid(co⁃PAA) and copolyamide salt(co⁃PAS)[3]

Fig.4 Schematic diagram of the synthesis of high⁃frequency low⁃dielectric PI[4]

Fig.5 Synthetic route of MPIs[5]（i） Methanesulfonic acid， 160 ℃；（ii） Pd（PPh3）4， Na2CO3 aqueous solution（2 mol/L）， toluene， 95 ℃；（iii） dimethylacetamide（DMAc）， r.t.；（iv） thermal imidization.

Fig.6 Differences of modification strategies between CPI and PI

Fig.7 Synthesis and strategic analysis of transparent polyimide[6]

Fig.8 Future research directions of low⁃expansion PI[7]

Table 2 TPI application areas and their use scenarios

Application field	Application
Mechanical	TPI， with excellent mechanical properties and friction resistance， can replace titanium alloys for manufacturing engine
industry	inner covers， dense parts， and clutch rings
Aerospace	TPI exhibits good flame retardancy， applicable to producing aircraft components and reducing fire⁃related damage risks
Electronics &	In harsh environments（high temperature， pressure， humidity）， TPI maintains good electrical insulation， used for
communications	wafer carriers， electronic insulating films， and connectors
Medical	Artificial bones made from TPI resin are lightweight， non⁃toxic， and highly corrosion⁃resistant
Power	TPI， featuring good thermal stability and dielectric properties， is applied in wires， cables， and power equipment
Coatings	Coating metal surfaces with TPI fine powder creates coatings with excellent insulation， corrosion/heat/water
	resistance， widely used in chemical anticorrosion， home appliances， electronics， and machinery

Fig.9 Synthetic route to TPI[53]（i） Potassium hydroxide， THF， r.t.；（ii） Pd（PPh3）4， Na2CO3 aqueous solution（2 mol/L）， ethanol and toluene， 70 ℃，（iii） DMAc， r.t.；（iv） thermal imidization.

Fig.10 Schematic for the fabrication of PEO/CMC⁃Li@PI hybrid solid polymer electrolyte membrane[9]

Fig.11 Preparation of the graphite⁃like @Cu composite film[10]

Fig.12 Schematic graph of the fabrication process of EP⁃BN, EP⁃BN@CL and n⁃docosane based SSOPCCs[13]

Fig.13 Schematic diagram of the preparation of PNT⁃X[16]PNT-X: polymer nanotubes-X(X=different target temperatures).

Fig.14 Schematic diagram of high⁃performance polyimide insulation design strategy[54]

Fig.15 Research achievements in the application of polyimide to gas separation[20—26,62—64]

Fig.16 Schematic illustration of CMS membranes derived from two types of cross⁃linked precursors(Types A and B)(A), schematic diagram of the rigid cross⁃linked mechanism(B), illustration of sub⁃nanometer pore structural transformation in the CMSMs during pyrolysis of the dual cross⁃linked precursor(C)[24]

Table 3 Comparison of the performance of the prepared gas separation membranes with some reported CMS membranes(tested at 35 ℃ and 0.2 MPa)

Membrane	Permeability（Barrer）				Ideal selectivity（αX/Y）		Ref.
Membrane	H₂	CO₂	N₂	CH₄	H₂/CH₄	H₂/CO₂	Ref.
6F⁃D⁃S⁃CMS	3464	904	12	0.91	3807	2.7	［24］
6F⁃D⁃S⁃CMS⁃850	523	3.5	0.32	0.08	6538	149	［24］
PEK⁃C⁃900	2919	26.3	12.3	1.57	1859	110	［21］
6F⁃DABA⁃75⁃CM576	5832	3573	113	69	84.3	1.6	［55］
BAPP⁃PMDA⁃900	323	192	2	1	323	1.7	［56］
TR⁃CMS⁃0.5	3843	901	14.6	6.3	610	4.3	［57—59］
Ti⁃MOF	6444	4633	118	118	54.6	1.4	［60］
CMS/10X⁃7.5	1709	691	16.2	3.1	551	2.5	［61］

Fig.17 Preparation ﬂow chart of PI/ATP composite membranes[25]

Fig.18 Synthetic routes(A) and schematic representation(B) of molecular chain conformation of the 6F⁃AP/ODA, 6F⁃AP/ODA⁃TR and TR⁃CMS membranes[26]

Fig.19 SEM images of the GTs grown in situ on PI/CaCO3 carbon film(A—D), precursor of GTs at 900 ℃(E, F) and schematic diagram of GT synthesis(G)[30]

Fig.20 Schematic diagram of graphite PI membrane preparation[31]

Fig.21 Preparation process of thin film samples of UCC/PI film(A) and graphite film(B)[68]

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