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本文2087字，阅读约需6分钟

摘要：本研究通过在DDSQ（双层倍半硅氧烷），制成环己基取代DDSQ（C-DDSQ），抑制了水分子吸附所引起的高分子链波动，从而实现了在湿度环境下仍能保持稳定介电特性的材料设计，表现出低介电常数（2.57@10GHz）和极低的介电损耗角正切（0.0019@10GHz）。

关键词：Beyond 5G/6G、低介电损耗、湿度稳定、环己基、聚酰亚胺绝缘材料

要点

提出了一种新型分子设计，可抑制导致高频信号传输损耗的“分子波动”
通过双层倍半硅氧烷并引入疏水性官能团，同时实现了“超低介电损耗”与“湿度稳定性”这两个互相矛盾的特性
在10–20GHz频段实现了极低介电损耗角正切，有望应用于6G通信、AI半导体以及先进半导体封装材料

概要

研究小组成功开发了一种“分子波动”受控的新型聚酰亚胺绝缘材料，并通过新型材料降低了高频介电损耗。

高速大容量通信利用GHz频段的高频信号，但绝缘材料内部的分子运动和吸附的水分子所引起的“波动”会导致信号能量以热量形式损失，这是一个重大挑战。特别是在实际使用环境中，空气中的水分子被材料内部吸收，分子结构产生波动，导致介电特性劣化，信号损失增加，这一点众所周知。

本研究通过将笼状有机-无机杂化结构——双层倍半硅氧烷（DDSQ）与疏水性环己基相结合的独特分子设计，抑制了高频范围内由偶极极化引起的高分子链波动。主链中含有DDSQ的聚酰亚胺在10–20GHz频率范围内表现出低介电常数（2.57）和极低的介电损耗角正切（0.0019），同时在10–60%的相对湿度范围内也展现出优异的湿度稳定性。

本成果为高频范围内新型高分子绝缘材料的设计提供了指导，有望应用于支撑下一代半导体封装和高速信息处理设备的基础材料。

图1. 引入了C-DDSQ的聚酰亚胺的分子设计指南

背景

近年来，随着生成式AI、自动驾驶、IoT、云数据中心等的发展和普及，支撑Beyond 5G/6G无线通信的高速大容量信息处理技术的重要性日益凸显。这些下一代无线通信技术利用GHz频段以上的高频电信号实现高速传输，但随着电信号频率升高，半导体封装和无线通信设备中使用的绝缘材料内部信号能量更容易以热量形式损失，这是一个挑战。这种信号损失与绝缘材料内部发生的局部分子运动、极化响应，以及吸附的水分子所引起的分子“波动”密切相关。特别是高分子材料容易吸附水分子，在高湿度环境下高分子链的波动（偶极波动）增大，导致介电常数和介电损耗角正切劣化，因此在实际使用环境中很难保持稳定的低损耗特性。

聚酰亚胺具有优异的耐热性、机械强度和电绝缘性，被广泛用作电子材料，但一般的聚酰亚胺由于分子结构中含有大量极性基团，因此高频电信号的衰减令人担忧。因此，本研究致力于开发一种电子极化和水分子吸附引起的高分子链波动较小、对湿度变化耐受性强的新型聚酰亚胺绝缘材料。

研究成果

作为同时实现低介电损耗和湿度稳定性的分子设计核心材料，本研究重点研究了双层倍半硅氧烷（DDSQ）。DDSQ是一种具有由硅和氧构成的笼状骨架的有机-无机杂化结构，有望同时实现低极性和自由体积控制。此外，本研究通过采用在DDSQ侧链引入疏水性高的环己基，制成环己基取代DDSQ（C-DDSQ），抑制了水分子吸附所引起的高分子链波动，从而实现了在湿度环境下仍能保持稳定介电特性的材料设计（图1）。

研究小组新合成了一种主链中含有C-DDSQ的半芳香族聚酰亚胺，并成功形成了大面积自支撑薄膜。研究小组对所得聚酰亚胺薄膜在10GHz和20GHz频率下的介电特性进行了评估，结果发现，与传统芳香族聚酰亚胺相比，该薄膜表现出低介电常数（2.57@10GHz）和极低的介电损耗角正切（0.0019@10GHz）。特别是，通过结合DDSQ框架实现的低极化和自由体积控制，以及疏水性环己基对水分子吸附的抑制作用，可以有效降低高频范围内由极化引起的高分子链波动（图2）。

图2.引入C-DDSQ的聚酰亚胺的介电特性

此外，在10–60%相对湿度范围内评估介电特性，结果表明，引入C-DDSQ的半芳香族聚酰亚胺与传统聚酰亚胺相比，介电常数和介电损耗角正切随湿度变化的幅度极小，表现出优异的湿度稳定性。此外，通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）测量，评估聚酰亚胺内部水分子吸附量后发现，引入C-DDSQ的体系中水分子吸收量显著少于传统材料，表明水分子引起的高分子链波动得到了抑制（图3）。这些结果表明，DDSQ骨架与环己基相结合的分子设计对于同时实现低介电损耗和湿度稳定性是有效的。

图3. 湿度变化对介电特性及水分吸附率的影响

研究意义

本研究成果将有助于支持生成式AI、自动驾驶、Beyond 5G/6G无线通信以及云数据中心等领域快速增长的高速大容量数据传输的基础材料技术的发展。近年来，随频率增加导致的信号传输过程中的能量损耗已成为无线通信设备和半导体封装面临的主要挑战，低介电损耗绝缘材料的开发竞争在国际上日益激烈。本研究基于高分子链的“波动控制”这一全新材料设计概念，致力于解决高频范围内的电信号损耗的这一根本问题，有望为下一代半导体和通信材料的设计提供新的指导。

此外，由于实际信息通信电子设备在各种湿度环境下使用，因此它们不仅需要低介电损耗，还需要对温度和湿度表现出稳定的特性。本研究开发的聚酰亚胺材料耐热性高，且介电特性不易随湿度变化，因此有望作为考虑实际使用环境的下一代电子材料做出重要贡献。

未来展望

未来，研究小组将进一步阐明高分子介电材料分子结构与高频介电响应之间的关系，同时推进面向半导体封装材料和高频基板应用的微加工性能、粘附性及长期可靠性评估。此外，研究小组通过本研究所获得的基于高分子链“波动控制”的设计指南，致力于“打造高速低功耗高分子绝缘材料”，以支持下一代信息通信社会。

https://www.isct.ac.jp/ja/news/cs8eobttwmbz

https://doi.org/10.1038/s43246-026-01217-7

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通过分子波动控制开发湿度稳定·超低介电损耗材料—— 面向6G 和 AI 半导体的下一代高频绝缘材料