聚酰亞胺是高性能工程塑料之一,因具有優(yōu)異的力學性能、熱穩(wěn)定性能和電絕緣性能而被廣泛應用于微電子行業(yè)中。然而,隨著超大規(guī)模集成電路與高頻印刷電路的快速發(fā)展,要求相應的絕緣介質(zhì)材料必須具有更低的介電常數(shù),傳統(tǒng)的聚酰亞胺已無法滿足需求。因此,開發(fā)新型低介電常數(shù)聚酰亞胺材料已成為該領域的研究熱點。本文以獲得低介電常數(shù)且綜合性能優(yōu)異的多層聚酰亞胺薄膜為目的,以4,4′-二氨基二苯醚和3,3,4,4-二苯酮四酸二酐為單體,制備了氧化石墨烯/聚酰亞胺復合薄膜、氟化石墨烯/聚酰亞胺復合薄膜、多孔聚酰亞胺薄膜、多層聚酰亞胺復合薄膜,使用掃描電子顯微鏡、X射線衍射分析儀、拉伸測試儀、阻抗分析儀、熱失重分析儀等設備對薄膜進行了系統(tǒng)的表征,采用克勞修斯-莫索蒂方程、串聯(lián)電容理論和并聯(lián)結構剛度理論對薄膜的介電性能和力學性能進行了深入的分析,促進了低介電常數(shù)聚酰亞胺材料的發(fā)展。具體研究內(nèi)容如下:采用兩步法制備了三種(BTDA-PI、PMDA-PI和BPDA-PI)聚酰亞胺薄膜,對比研究了三種薄膜的力學性能、介電性能及熱穩(wěn)定性能。結果表明,三種薄膜的性能有較大差異。其中,BTDA-PI型薄膜綜合性能最優(yōu)。BTDA-PI型薄膜的介電常數(shù)為3.56,拉伸強度為114 MPa,特征擊穿強度為478.90 kV/mm。因此,選擇BTDA-PI型聚酰亞胺作為后續(xù)研究的基礎。在BTDA-PI型聚酰亞胺的基礎上,通過改進的原位聚合法制備了氧化石墨烯與聚酰亞胺復合的薄膜。結果表明,氧化石墨烯的加入可以提高聚酰亞胺的力學性能,但是對于降低其介電常數(shù)沒有作用。采用液相超聲剝離法制備了質(zhì)量比較高的氟化石墨烯,并通過溶液共混法獲得了分散性良好的氟化石墨烯/聚酰亞胺復合薄膜。結果表明,氟化石墨烯的加入可以降低聚酰亞胺薄膜的介電常數(shù),提高其力學性能及熱穩(wěn)定性能。當氟化石墨烯的含量為0.5 wt%時,聚酰亞胺薄膜的介電常數(shù)可以降低為2.49,拉伸強度提高為160 MPa。采用相轉(zhuǎn)化法制備了低介電常數(shù)多孔聚酰亞胺薄膜,研究了溶劑組成和凝固浴溫度對薄膜的結構和介電性能的影響機理。由N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)溶劑制備的薄膜,其內(nèi)部為拇指狀的大孔結構,孔隙率高,介電常數(shù)相對較低。由1,4-丁內(nèi)酯(GBL)溶劑制備的薄膜,其內(nèi)部為海綿狀的小孔結構,孔隙率低,介電常數(shù)相對較高。由GBL-DMAC混合溶劑制備的薄膜,其內(nèi)部既有拇指狀大孔也有海綿狀小孔,薄膜的介電常數(shù)隨著溶劑中DMAC含量的增加而下降。此外,凝固浴溫度對不同溶劑體系薄膜的結構及介電性能的影響明顯不同。對于單一溶劑(GBL和DMAC)體系,升高凝固浴溫度可以促進內(nèi)部新的小孔隙或者凹槽的形成來增加薄膜的孔隙率,進而降低其介電常數(shù);對于GBL-DMAC混合溶劑體系,升高凝固浴溫度則會抑制拇指狀大孔結構的形成來降低薄膜的孔隙率,從而增加其介電常數(shù)。以無孔氟化石墨烯/聚酰亞胺復合薄膜為致密的外表面層,多孔聚酰亞胺薄膜為降低介電常數(shù)的核心層,采用逐層涂覆的方法制備了雙層及三層低介電聚酰亞胺復合薄膜,分析了膜層組成及結構對其介電性能、力學性能及熱穩(wěn)定性能的影響機理。結果表明,與單層的多孔薄膜比較,雙層、三層薄膜的力學性能、擊穿性能及熱穩(wěn)定性能均有提高。獲得了介電性能和力學性能良好的雙層PI-1和FG/PI-1薄膜,其介電常數(shù)分別為2.01和1.98,特征擊穿強度分別為180.75 kV/mm和198.14 kV/mm,拉伸強度分別為42.69 MPa和58.62 MPa。獲得了表面致密、低介電常數(shù)、且擊穿性能、力學性能和熱穩(wěn)定性能良好的三層PI-2和FG/PI-2薄膜,其介電常數(shù)分別為1.95和1.92,特征擊穿強度分別為184.20 kV/mm和170.49kV/mm,拉伸強度分別為45.67 MPa和65.76 MPa,拉伸模量分別為1.93 GPa和2.96 GPa。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ323.7;TB383.2
【部分圖文】：

-9-圖 1-1 降低電介質(zhì)材料介電常數(shù)的方式[67]Fig. 1-1 Possibilities for reducing the k value of dielectrics[67]

圖 1-2 聚酰亞胺多孔薄膜的制備原理圖[84]Fig. 1-2 Schematic illustration of the preparation of nanoporous PI films[84]化學溶解法是指將無機粒子引入前驅(qū)體聚酰胺酸中，亞胺化后通過特殊的化無機粒子進行溶解或者刻蝕，從而留下一定的空間，最終形成內(nèi)部具有一定

圖 1-3 聚酰亞胺大孔薄膜的形成機理圖[90]Fig. 1-3 Schematic diagram of the formation mechanism of the macroporous PI films[90]復合法是指通過復合內(nèi)部含孔的有機或者無機材料從而獲得整體多孔的聚酰薄膜，是制備低介電常數(shù)聚酰亞胺的一種更為實用的方法。復合法可以使低介電
【參考文獻】

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本文編號：2859017