【研究快讯】PI‑TB新应用：无添加剂负性光敏聚酰亚胺（PSPI）材料

研究背景

光敏聚酰亚胺（PSPI）兼具光敏性与聚酰亚胺（PI）优异的热力学性能，在封装领域广泛被作为绝缘层、保护层、再布线层。但目前商用PSPI多以聚酰胺酸为基体，制备需高温闭环亚胺化，易产生薄膜收缩、内应力与缺陷；同时依赖小分子光敏助剂实现感光，极易发生相分离，薄膜均匀性与长期稳定性劣化，因而具有本征光敏基团的无需高温后固化脱水的PSPI备受关注。可溶无添加剂的本征型二苯甲酮PSPI虽无需添加剂，并且使用已完成酰亚胺环化的PI进行光刻图案化而避免了高温酰亚胺环化，却普遍存在溶解性差、光敏感性不足的短板，难以满足精细光刻需求。因此，开发一种兼具本征光敏性、优异溶解性和高分辨率图案化能力的无添加PSPI新材料体系，具有重要的研究价值与应用迫切性。

研究内容

本研究从分子结构设计出发，使用含二苯甲酮和含数目和位置不同的甲基的单体为原料先合成含酰亚胺环的单体，再合成基于含朝格尔碱（Tröger’s Base，TB）V型刚性扭曲结构的聚酰亚胺（PI‑TB），制备了三种不含任何光敏添加剂的负性PSPI（PI‑TB‑T、PI‑TB‑2、PI‑TB‑5），其无需高温后固化脱水酰亚胺环化，具有本征光敏性，TB的引入既可以参与反应，又能通过提高自由体积影响侧基及基团活动，并且可以改善溶解性。同时也合成无TB结构的对照样品PI‑D用于系统对比。

1、通过核磁、红外和质谱确认了单体和PI‑TB的成功合成。结构分析表明，TB单元的V型扭曲构型赋予系列PI‑TB高自由体积分数及大的链间距特征，其链间距（5.71~6.40 Å）、自由体积分数（0.166~0.209）和BET比表面积（55~131 m²/g）均显著高于对照样品PI‑D。

2、光敏感性测试结果显示，PI‑TB在365 nm紫外光照射下展现出优异响应，PI‑TB‑2和PI‑TB‑5的最低完全交联曝光剂量仅需160 mJ/cm²，远低于PI‑D的348 mJ/cm²，且可借助标准光刻工艺获得边界清晰、线宽约10 μm的精细图形。研究表明，TB不仅能作为额外反应位点直接参与光交联，其扭曲结构增大自由体积还促进了局部基团运动，加速光化学反应。

3、系列PI‑TB在常用极性溶剂中溶解性良好（PI‑TB‑5在DMAc中固含量可达34 wt%），具备优异的综合力学性能（拉伸强度102.7~138.0 MPa）和突出的热稳定性（5%热失重温度>458 °C，玻璃化转变温度最高达448.5 °C，热膨胀系数低至48.5 ppm/K）。

图2 a）PI‑TB‑5原位红外特征吸收区放大图谱；b）由PI‑TB‑5制备得到的光刻图案，验证其光刻加工性能；c）二苯甲酮上的羰基转化率随紫外曝光剂量的变化曲线；d）最小曝光剂量与链间距、自由体积分数（FFV）的关联拟合曲线。

研究意义

理论意义：

1、研究证实了PI‑TB型PSPI是一种无添加剂型PSPI新材料。引入V型立体构型的TB单元，同时解决了传统本征型PSPI溶解度差和光敏感性不足的问题，为无添加PSPI的分子设计开辟了新思路。

2、揭示了TB单元通过“提供额外反应位点”和“增大自由体积促进局部基团运动”双重机制协同增强光敏性的新原理。

应用价值：

相较于无TB对照PI样品，所制备的PI‑TB型PSPI的溶解性、热性能（如Tg、CTE等）与光敏感性均大幅提升，光刻分辨率可达10 μm，综合性能（尤其是热尺寸稳定性和光敏性）优于部分商用PHOTONEECE™ LT系列产品，展现了其在先进半导体封装、OLED显示等高端光刻应用中的广阔前景。

该研究由中国科学院过程工程研究所、江汉大学和广东工业大学合作完成，中国科学院过程工程研究所为该研究的通讯作者单位。本工作得到了国家科技创新重大专项、国家自然科学基金、贵州省教育厅科学技术研究项目以及国科新材料技术有限公司项目基金的支持。相关成果已申请国家发明专利（CN 2025104848643）。

文献出处：Rong Guo, Jinpeng Luo, Yuxin Song, Jingyu Hu, Qingliang You, Wanyi Tan, Yonggang Min, Yongbing Zhuang, Soluble Tröger’s Base‑Based Polyimides as Promising Additive‑Free Negative‑Tone Photosensitive Materials, Polymer, 2026, 130508, https://doi.org/10.1016/j.polymer.2026.130508.