高導(dǎo)熱PI聚酰亞胺電介質(zhì)薄膜の研究進(jìn)展

在電子器件高度薄型化、多功能化和集成化的時(shí)代，會(huì)不可避免地導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部的熱量積累，嚴(yán)重影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命，如何實(shí)現(xiàn)電介質(zhì)材料快速且高效的導(dǎo)熱散熱已成為影響電子設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)聚酰亞胺本征導(dǎo)熱系數(shù)較低，限制了在電氣設(shè)備、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域中的應(yīng)用，發(fā)展新型高導(dǎo)熱聚酰亞胺電介質(zhì)薄膜材料成為國內(nèi)外研究重點(diǎn)。本文介紹了復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)機(jī)制，概述了近年來導(dǎo)熱聚酰亞胺薄膜的研究進(jìn)展與發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)討論了導(dǎo)熱填料、界面相容、成型工藝對材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，最后結(jié)合導(dǎo)熱聚酰亞胺復(fù)合電介質(zhì)材料未來發(fā)展的需要，對研究中存在的一些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題進(jìn)行了總結(jié)與展望。

01 引言

高分子材料以其優(yōu)異的電絕緣性、耐化學(xué)腐蝕性、質(zhì)輕、密度小等特性被廣泛應(yīng)用于電子電氣、通信、軍事裝備制造、航空航天等領(lǐng)域。聚酰亞胺（PI）是由含酰亞胺基鏈節(jié)[-C(O)-N(R)-C(O)-]構(gòu)建的芳雜環(huán)高分子化合物，具有優(yōu)異的電絕緣性、耐輻照性能、機(jī)械性能等特性，被譽(yù)為“解決問題的能手”。PI 作為結(jié)構(gòu)或功能材料具有巨大的發(fā)展前景，特別是 PI 薄膜材料，有著“黃金薄膜”的美稱，最早被開發(fā)和應(yīng)用的一種聚酰亞胺產(chǎn)品，在印制電路板、電子封裝、層間介質(zhì)、顯示面板等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用（見圖 1）。圖 1 聚酰亞胺薄膜材料的應(yīng)用現(xiàn)代電子設(shè)備、以芯片為代表的工業(yè)器件、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車以及發(fā)光二極管的高度集成和高功率導(dǎo)致產(chǎn)品的尺寸逐漸減小，由此產(chǎn)生的熱量成倍增加的問題越來越突出，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的操作性能及使用壽命，熱管理系統(tǒng)的高效導(dǎo)熱散熱越來越受到人們的廣泛關(guān)注。

相關(guān)研究表明：電子設(shè)備的溫度每升 2℃，可靠性降低 10%；溫度升高 8~12℃，使用壽命減半，材料的導(dǎo)熱性能已成為影響設(shè)備正常工作的一個(gè)重要參數(shù)。聚合物材料在解決導(dǎo)熱散熱問題方面顯示出了良好的潛力，但聚酰亞胺材料的本征導(dǎo)熱系數(shù)較低，通常在 0.2 W/(m·K)以下，遠(yuǎn)低于金屬、碳、陶瓷等材料，極大限制了 PI 薄膜在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。為了保證設(shè)備的正常運(yùn)行和使用安全性，尋求適當(dāng)方法來提高聚酰亞胺材料的熱導(dǎo)率具有重要意義。為了解決聚酰亞胺材料的導(dǎo)熱散熱問題，研究人員主要從兩個(gè)方面開展工作。一是對 PI 基體本體改性，從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，基于 PI 的 1~3 級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及構(gòu)筑有序結(jié)構(gòu)；通過力學(xué)拉伸、剪切、離心、紡絲等方式誘導(dǎo)有序結(jié)構(gòu)的形成；基于分子間相互作用力，特別是發(fā)揮氫鍵的優(yōu)勢，在分子鏈間形成穿插和纏結(jié)的結(jié)構(gòu)以及構(gòu)建側(cè)基之間的氫鍵作用。提高聚酰亞胺本征熱導(dǎo)率的策略即改變基體鏈結(jié)構(gòu)的形態(tài)，使蜷曲的分子鏈呈現(xiàn)舒展的狀態(tài)，提高鏈段聚集的有序性，來創(chuàng)造聲子傳遞的途徑，以此提高基體的本征導(dǎo)熱系數(shù)。二是以 PI 為基體，在基體中添加高導(dǎo)熱填料也是改善熱導(dǎo)率的有效策略，目前，國內(nèi)外高導(dǎo)熱聚酰亞胺復(fù)合材料的理論研究和工業(yè)化生產(chǎn)主要集中在填充型 PI 復(fù)合材料。導(dǎo)熱填料在 PI基體中相互連接，形成有序的導(dǎo)熱路徑，減少聲子傳遞過程中產(chǎn)生的散射，實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳輸。復(fù)合材料的熱導(dǎo)率由 PI 基體的結(jié)構(gòu)和填料的性能、填料在基體中的排列以及基體與填料的相互作用等因素共同決定，同時(shí)還要考慮導(dǎo)熱通路的構(gòu)筑及制備工藝等材料導(dǎo)熱性能的影響。
02 熱傳導(dǎo)機(jī)制 

熱是材料內(nèi)部的分子、原子、電子等微觀粒子的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)的能量，材料的導(dǎo)熱機(jī)理與其內(nèi)部的微觀粒子的相互碰撞和傳遞有著密切的聯(lián)系。熱傳導(dǎo)的載體有分子、電子、聲子（晶格振動(dòng)的能量量子）、光子。熱量由材料的高溫部分向低溫部分傳遞，而在本質(zhì)上可認(rèn)為是振幅較大的分子和原子帶動(dòng)振幅較小的分子和原子振動(dòng)。

粒子碰撞在材料中的熱傳導(dǎo)不同材料的熱傳導(dǎo)機(jī)制是不同的，主要取決于導(dǎo)熱載體在材料中所起的作用。在金屬內(nèi)部存在大量自由移動(dòng)的電子，這些電子通過相互作用或碰撞進(jìn)行熱量的傳遞。金屬也是晶體，熱傳導(dǎo)過程還通過晶格的振動(dòng)來完成，即還存在聲子傳導(dǎo)，但自由電子的傳熱效率遠(yuǎn)高于聲子傳熱，因此，金屬的熱傳導(dǎo)載體以電子為主。在非導(dǎo)體晶體中，分子或原子有序分布在晶格上，熱傳導(dǎo)方式以聲子導(dǎo)熱為主，其熱導(dǎo)率主要取決于材料的結(jié)晶程度和取向度，從機(jī)理上認(rèn)為取決于聲子的散射程度。造成聲子散射的主要原因有：分子鏈的高度纏結(jié)、分子結(jié)構(gòu)中的空隙、界面和結(jié)構(gòu)缺陷以及分子鏈間弱的相互作用。聲子的靜態(tài)散射是由各種缺陷引起的，動(dòng)態(tài)散射由分子鏈的非簡諧振動(dòng)造成，分子鏈的旋轉(zhuǎn)以及鏈間相互纏結(jié)會(huì)加劇非簡諧振動(dòng)，同時(shí)鏈段內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的多種形態(tài)的構(gòu)象也會(huì)引起聲子散射。大多數(shù)聚合物為飽和體系，在其內(nèi)部不存在自由運(yùn)動(dòng)的電子以及電子之間激烈的相互碰撞，熱量主要通過聲子進(jìn)行傳遞。分子鏈在受熱時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，熱傳導(dǎo)主要依賴分子或原子在固定位置上的周圍的熱振動(dòng)，將熱量依次傳遞到相鄰的分子或原子，聚合物的熱傳導(dǎo)如圖 3 所示。圖 3 聚合物的導(dǎo)熱機(jī)理聚合物具有分子鏈復(fù)雜且極易纏結(jié)、分子量多分散性以及分子量大等特點(diǎn)，結(jié)晶度不是很高