聚酰亚胺材料的应用

聚酰亚胺因为其优异的综合性能决定了它在各个领域的广泛应用，可作为涂层材料应用于漆包线和航空航天领域中的绝缘涂层或者耐热涂层，聚酰亚胺纤维因为具有高的弹性模量和耐热性可制作成冲锋衣用于消防领域，聚酰亚胺泡沫还可以用于船舶或者飞机的隔音隔热材料，不仅如此聚酰亚胺也可作为分离膜使用等。而聚酰亚胺在微电子领域的应用主要包括以下几个方面：

（1）应力缓冲层、钝化层及层间绝缘材料：聚酰亚胺作为应力缓冲层、芯片钝化层和层间绝缘材料广泛应用在微电子领域中。作为应力缓冲层，聚酰亚胺薄膜可以吸收因为塑封料、硅片以及引脚框架热膨胀系数不同产生的热应力，因为PI具有较低模量，将其插入芯片与塑封料的界面上可以有效防止崩裂现象。作为芯片钝化层，聚酰亚胺薄膜具有低的吸湿性和抗化学腐蚀等性能可以有效为元器件阻挡水汽，阻滞电子迁移，使元器件具有很低的漏电流并且防止元器件腐蚀；并且PI具有良好的机械性能，可以为元器件提供较强的机械支撑。作为层间绝缘材料，聚酰亚胺在5G高频高速电路中发挥重要作用。因为聚酰亚胺薄膜较无机材料具有更低的介电常数，普通PI在3.5左右，经改性后可以降低到3.0以下，可以有效降低信号干扰，减少信号延迟现象，提高信号传输的速度和准确性。

（2）光敏性聚酰亚胺（Photosensitive polyimide, PSPI）：随着集成电路趋向小型化，多功能化发展，电子封装技术也在不断革新，向着高密度，低厚度方向发展。由于晶圆级封装技术能力大幅度提升，芯片封装的互联形式也由引线键合、倒装芯片拓展到硅通孔TSV和再布线层，而再布线层的层间绝缘材料就是聚酰亚胺薄膜。在传统的布线工艺中，通常是光刻胶搭配聚酰亚胺一起实现电路的图案化。其具体步骤如下所示：**，将聚酰亚胺前驱体聚酰亚胺酸PAA涂覆在基板上；第二，软烘去除溶剂成膜提高与衬底的粘附力；第三，将光刻胶涂覆在PAA膜表面，进行曝光、显影、刻蚀，冲洗得到光刻图案；然后利用化学试剂将光刻胶去除；*后聚酰胺酸经过固化得到聚酰亚胺。因为在晶圆级封装中会频繁使用光刻工艺得到再分布层，如果使用上述传统布线工艺会过于繁琐，周期长且重复性差。将光敏性聚酰亚胺用于光刻可以减少很多步骤并且重复性高，得到的光刻图形分辨率也很好。一般光敏聚酰亚胺可分为正性PSPI和负性PSPI。正性PSPI是光照后曝光部分会发生降解，未曝光部分不保留下来，使得*终的光刻图形与掩模板图形一致；而负性PSPI与之相反，曝光部分发生交联，未曝光部分显影时被溶解掉，*终得到的图案与掩模板刚好相反。可根据实际情况选择合适的光敏性聚酰亚胺。总之，光敏型聚酰亚胺是重要的晶圆级封装材料，同时也面临着更多的挑战。

（3）柔性电路板（Flexible Printed Circuit；FPC）又称软性电路板或挠性电路板，它是由聚酰亚胺或者聚酯类薄膜为基材制备成的一种具有优异可挠性和高度可靠性的印刷电路板，它具有许多硬性印刷电路板不具备的优点：**，它的可弯折性很好，可以按照布局要求在三维空间上进行很大程度上的弯折、卷曲和移动伸缩，可以使元器件装配和导线互联一体化；第二，随着便携式设备和可穿戴设备的快速发展，FPC 更容易满足其需求，使电子产品朝着小型化、高可靠性和高密度方向发展；第三，FPC 还具有良好的散热性和可焊接性，易于装配互连，大大降低其成本。使FPC 以上优点实现的重要组成部分就是柔性基板，而聚酰亚胺由于自身的优良热性能、力学机械性能械性能和电性能提高了柔性电路的可靠性，成为FPC 常用的基质材料。随着可折叠手机等新型电子产品的问世对高品质FPC 的需求越来越大，同时也对作为基质材料的聚酰亚胺提出了更高的要求，如透光性。由此可见聚酰亚胺在FPC 领域有很好的应用前景。

（4）α 粒子的遮挡材料：在航空航天和一些军用设备中，经常会遭受一些辐射从而导致集成电路性能发生劣化或者失效。其辐射来源主要是一些核辐射、空间辐射射线和构成大型集成电路的材料中，特别是封装材料，残留的放射性物质，例如钍，铀等。这些放射性物质会在衰变过程中放射α 粒子，它是一种高能带电粒子。它可以达到硅晶圆表面甚至穿过硅芯片到达其内部，使硅芯片内部产生很多电子-空穴缺陷，导致动态存储器内部发生电位变化诱发软性错误，*终影响集成电路的可靠性，使器件乃至整个设备失控。针对此类问题人们采取了多种措施，例如使用含有低含量辐射物质的封装材料，但是该方法实现较为困难。因此其中*有效的方法是采用可以吸收α 粒子的材料涂覆在IC 芯片的活性表面，防止芯片受到α 粒子的干扰。聚酰亚胺薄膜因为其结构特点而具有有效屏蔽α 粒子的作用，成为芯片α 粒子保护层。

（5）TAB 中的载带：TAB（Tape Automated Bonding）技术又称载带自动焊，它是芯片引脚框架的一种互连工艺，先将有机薄膜上做好做好元件引脚的导体图样，然后将晶片按其键合区对应放在上面，之后通过热电极一次操作将引线进行批量键合，立即封装。该技术可以通过TAB 自动贴片机完全实现自动化，每分钟高达数百片，使键合效率大大提高；而且对比于引线键合，它单位面积上的引线数更多，具有更高的键合强度，封装高度较小。聚合物薄膜基带是TAB 重要的的组成部分。其常用材料有聚乙烯对苯二甲酸脂(PET)薄膜、苯丙环丁稀(BCB)薄膜和聚酰亚胺薄膜。但相比于其他两种，聚酰亚胺因为具有优异的耐高温性、尺寸稳定性、化学稳定性和较高的机械强度等综合性能，在该技术中使用*为广泛。

（6）聚酰亚胺有机光波导材料：有机聚合物光波导在光通讯领域有着广泛的应用。目前光通讯聚合物光波导材料主要有氟代和氘代聚甲基丙烯酸酯以及氟代聚酰亚胺。虽然氟代和氘代聚甲基丙烯酸酯具有较好的透光性，但由于它的玻璃化转变温度较低，具有严格的加工使用温度，从而限制了它的应用。而聚酰亚胺具有高的玻璃化转变温度、优异的耐高温性、低的介电常数和介电损耗、低的吸湿性等成为近几年的研究热点。因为普通聚酰亚胺透明性较差，所以用于光波导器件的聚合物材料主要是是含氟类聚酰亚胺，不仅保持了良好耐热性还提高了聚酰亚胺的透明性。但在该方向的应用还存在问题，需进一步探索。

除此之外，聚酰亚胺的应用还扩展到了传感器领域，比如与石墨烯结合制备的应力应变传感器，对石墨烯基传感器可以起到机械强化，提高灵敏度的作用。