本发明属于低介电材料领域，公开了一种低介电聚酰亚胺薄膜及其制备方法和应用。该低介电聚酰亚胺薄膜是先将二元胺单体和二元酐单体分别溶解于有机溶剂中，反应得到聚酰胺酸溶液；用强碱性溶液溶解中空玻璃微球得到表面羟基化的中空玻璃微球，再将该表面羟基化的中空玻璃微球溶解于乙醇溶液中，加入表面改性剂，得到改性中空玻璃微球；将改性中空玻璃微球、聚四氟乙烯微粉和聚酰胺酸溶液在20～50℃进行搅拌，将所得混合溶液旋涂，得到聚酰胺酸薄膜，在100～400℃经梯度亚胺化处理制得。本发明聚酰亚胺薄膜的厚度均匀可控、介电常数低、介电损耗小，可应用于集成电路介电材料、5G通信天线材料领域。