高导热PI聚酰亚胺电介质薄膜の研究进展

在电子器件高度薄型化、多功能化和集成化的时代，会不可避免地导致复合材料内部的热量积累，严重影响设备的稳定运行和使用寿命，如何实现电介质材料快速且高效的导热散热已成为影响电子设备发展的关键问题。传统聚酰亚胺本征导热系数较低，限制了在电气设备、智能电网等领域中的应用，发展新型高导热聚酰亚胺电介质薄膜材料成为国内外研究重点。本文介绍了复合材料的热传导机制，概述了近年来导热聚酰亚胺薄膜的研究进展与发展现状，重点讨论了导热填料、界面相容、成型工艺对材料导热系数的影响，最后结合导热聚酰亚胺复合电介质材料未来发展的需要，对研究中存在的一些关键科学技术问题进行了总结与展望。

01 引言

高分子材料以其优异的电绝缘性、耐化学腐蚀性、质轻、密度小等特性被广泛应用于电子电气、通信、军事装备制造、航空航天等领域。聚酰亚胺（PI）是由含酰亚胺基链节[-C(O)-N(R)-C(O)-]构建的芳杂环高分子化合物，具有优异的电绝缘性、耐辐照性能、机械性能等特性，被誉为“解决问题的能手”。PI 作为结构或功能材料具有巨大的发展前景，特别是 PI 薄膜材料，有着“黄金薄膜”的美称，最早被开发和应用的一种聚酰亚胺产品，在印制电路板、电子封装、层间介质、显示面板等领域中被广泛应用（见图 1）。图 1 聚酰亚胺薄膜材料的应用现代电子设备、以芯片为代表的工业器件、混合动力电动汽车以及发光二极管的高度集成和高功率导致产品的尺寸逐渐减小，由此产生的热量成倍增加的问题越来越突出，严重影响产品的操作性能及使用寿命，热管理系统的高效导热散热越来越受到人们的广泛关注。

相关研究表明：电子设备的温度每升 2℃，可靠性降低 10%；温度升高 8~12℃，使用寿命减半，材料的导热性能已成为影响设备正常工作的一个重要参数。聚合物材料在解决导热散热问题方面显示出了良好的潜力，但聚酰亚胺材料的本征导热系数较低，通常在 0.2 W/(m·K)以下，远低于金属、碳、陶瓷等材料，极大限制了 PI 薄膜在高新技术领域的应用。为了保证设备的正常运行和使用安全性，寻求适当方法来提高聚酰亚胺材料的热导率具有重要意义。为了解决聚酰亚胺材料的导热散热问题，研究人员主要从两个方面开展工作。一是对 PI 基体本体改性，从分子结构设计角度出发，基于 PI 的 1~3 级结构设计及构筑有序结构；通过力学拉伸、剪切、离心、纺丝等方式诱导有序结构的形成；基于分子间相互作用力，特别是发挥氢键的优势，在分子链间形成穿插和缠结的结构以及构建侧基之间的氢键作用。提高聚酰亚胺本征热导率的策略即改变基体链结构的形态，使蜷曲的分子链呈现舒展的状态，提高链段聚集的有序性，来创造声子传递的途径，以此提高基体的本征导热系数。二是以 PI 为基体，在基体中添加高导热填料也是改善热导率的有效策略，目前，国内外高导热聚酰亚胺复合材料的理论研究和工业化生产主要集中在填充型 PI 复合材料。导热填料在 PI基体中相互连接，形成有序的导热路径，减少声子传递过程中产生的散射，实现热量的快速传输。复合材料的热导率由 PI 基体的结构和填料的性能、填料在基体中的排列以及基体与填料的相互作用等因素共同决定，同时还要考虑导热通路的构筑及制备工艺等材料导热性能的影响。

02 热传导机制 

热是材料内部的分子、原子、电子等微观粒子的移动、转动和振动的能量，材料的导热机理与其内部的微观粒子的相互碰撞和传递有着密切的联系。热传导的载体有分子、电子、声子（晶格振动的能量量子）、光子。热量由材料的高温部分向低温部分传递，而在本质上可认为是振幅较大的分子和原子带动振幅较小的分子和原子振动。

粒子碰撞在材料中的热传导不同材料的热传导机制是不同的，主要取决于导热载体在材料中所起的作用。在金属内部存在大量自由移动的电子，这些电子通过相互作用或碰撞进行热量的传递。金属也是晶体，热传导过程还通过晶格的振动来完成，即还存在声子传导，但自由电子的传热效率远高于声子传热，因此，金属的热传导载体以电子为主。在非导体晶体中，分子或原子有序分布在晶格上，热传导方式以声子导热为主，其热导率主要取决于材料的结晶程度和取向度，从机理上认为取决于声子的散射程度。造成声子散射的主要原因有：分子链的高度缠结、分子结构中的空隙、界面和结构缺陷以及分子链间弱的相互作用。声子的静态散射是由各种缺陷引起的，动态散射由分子链的非简谐振动造成，分子链的旋转以及链间相互缠结会加剧非简谐振动，同时链段内旋转产生的多种形态的构象也会引起声子散射。大多数聚合物为饱和体系，在其内部不存在自由运动的电子以及电子之间激烈的相互碰撞，热量主要通过声子进行传递。分子链在受热时产生振动，热传导主要依赖分子或原子在固定位置上的周围的热振动，将热量依次传递到相邻的分子或原子，聚合物的热传导如图 3 所示。图 3 聚合物的导热机理聚合物具有分子链复杂且极易缠结、分子量多分散性以及分子量大等特点，结晶度不是很高