集成電路封裝中導電膠的材料與性能研究

李彥林

（甘肅林業(yè)職業(yè)技術學院，甘肅 天水 741020）

隨著電子信息技術及智能家居行業(yè)的發(fā)展，以地產(chǎn)建筑、裝修建材、家具家電、衛(wèi)浴空凈等為代表的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，快速向物聯(lián)網(wǎng)靠攏，對集成電路、通訊技術、傳感器技術等產(chǎn)生了極大的需求。為滿足人們對各種建材的高品質(zhì)、高質(zhì)量的需求，對相關的集成電路封裝技術的要求也在日益提高。在集成電路封裝技術中，導電膠作為一種具有一定導電性能的膠黏劑，在微電子封裝、印刷電路板、在線鍵合、導電線路粘接等電子領域，得到了廣泛的應用。下面，筆者對導電膠的材料與性能進行研究，以提升導電膠的整體質(zhì)量與性能，提高與之相關的產(chǎn)品的品質(zhì)，拓展導電膠的應用領域。

1 導電膠的材料與導電機理

導電膠是導電性膠粘劑的簡稱，通過無機膠連接不同材料進行使用，是一種具有導電等基本性能的粘合劑。導電膠一般有導電填充物和導電樹脂組成，具體結構包括預聚體、固化劑、增塑劑、稀釋劑、導電填料等，其中預聚體包括PU、PE、EU等，主要為增強粘合程度；固化劑包括胺類、磋米類、有機硅酸等化合物，主要與預聚體發(fā)生化學反應產(chǎn)生與三維網(wǎng)中聚合物不融合的物質(zhì)；增塑劑包括甲臨苯二乙偏硅酸、磷酸化合物等，主要為提高材料的穩(wěn)定性和抗沖擊能力；稀釋劑包括丙酮、乙二醇和甘油等，主要為降低粘度，減少焊接前后的沖洗，以增強導電膠的使用壽命；導電填料包括Cu、Ag、Au和碳粉以及復合粉等，主要為提高導電膠的導電性。

1.1 銀系導電膠

銀在元素金屬性順序表中位于銅后面，化學性質(zhì)穩(wěn)定不易分解，且具有優(yōu)良的導電性能，在導電膠中幾乎不會被分解氧化，起固定支撐作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，銀可以極大地提高導電膠的使用效率。相比于其他金屬，銀的價格比較便宜，很多學者都致力研究銀系導電膠，并取得了一定進展。研究者張志豪等人，通過液化學還原法，制備了新型納米銀膠，研究顯示，當w（銀的總量）=70%（相對于整個銀系導電膠）、m（微米銀粉）：m（納米銀粉）=3：1時，導電膠的電阻率達到最低水平，此時，剪切強度最高，即通過控制銀粉的量，有效控制了電阻率和導電膠的剪切強度。

吳海平等人研究了填料的不同形式，根據(jù)不同的作業(yè)要求改變填料形式，自制納米線作為導電膠的引線調(diào)節(jié)導電膠的導電方式。研究顯示，當w（自制納米引線）=65%時，導電膠電阻率約為1.2×10-4Ω·cm，比天然納米導電膠提高了6倍左右，其剪切強度（以Al作為基板）相比于天然導電膠（w納米或微米粒子）有了不同程度的提高。

馬瑞等人采用復合固化體系，運用到生產(chǎn)加工和科學研究中，并產(chǎn)生了EP導電膠，這種類型的導電膠有著良好的粘結性和抗腐蝕性，電阻值也比較低，是結合式導電膠，主要供鋁、鐵、銅以及穩(wěn)定性良好的金、鉑等的結構粘結，也可以作為修復體修復其他導電配件在運行過程中出現(xiàn)的功能性問題，最主要是通過鉚接或焊接加強穩(wěn)定性，然而這種方法的缺點是會加速導電膠的磨損，減少導電膠的使用壽命。

目前在市場上，以銀粉為主要導電體系的導電膠，主 要 有 DAD-91E、Loctite3800、Threebond3303B、Ablebond84-1四種，其電阻率、剪切強度、固化溫度及固話時間等物理性能，如表1所示。

表1 幾種銀粉導電膠的性能

1.2 銅系導電膠

銅的金屬穩(wěn)定性與銀接近，都不容易能被強氧化性物質(zhì)氧化，在高溫加濕的條件下，也可以控制其低電阻率，且價格比銀便宜，在實驗室中溫度相對容易控制，因此銅是制備新型導電膠的具有優(yōu)勢的金屬，然而，銅在純金屬狀態(tài)下與在正二價粒子狀態(tài)下的穩(wěn)定性不同，只有在正二價游離狀態(tài)或，與其他物質(zhì)呈現(xiàn)化合物時，不容易被氧化，因此作為導電膠引線的純金屬銅，必須要采取防氧化性措施，如在表面鍍銀，或者加入一定還原劑。

張聚國等人采用EP分析法，將EP銅粉、聚合物以及固化劑等材料結合分析，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)了銅粉導電膠的特點，銅粉導電膠在常溫下容易被氧化，因此，必須要鍍銀，才能在價格最低的條件下，發(fā)揮價值優(yōu)勢。實驗發(fā)現(xiàn)該導電膠電阻率可以達到10-4Ω·cm，成本比銀系導電膠低，且耐剪切性較強，當實驗環(huán)境溫度達到130℃之后，具有高強度的抗氧化性。

劉榮強等人以密胺脲醛脂作為原料，制備了結構穩(wěn)定的銅系導電膠，體積電阻率達到3.8×10-3Ω·cm，固化溫度大約為100℃，剪切強度在22MPa以上。

1.3 導電膠的導電機理

導電膠的導電機理，主要包括“導電通道”學說和“隧道效應”學說?！皩щ娡ǖ馈睂W說認為，通過不同導電材料的相互接觸，形成不同電阻的并聯(lián)電路，從而獲得導電性，電路中膠體穩(wěn)定接觸的部分，稱為穩(wěn)定層，其余部分稱為連接層；導電膠固化經(jīng)過穩(wěn)定層而固化或干燥，因此，導電體在粘合劑的作用效果下，導電填充層體積發(fā)生收縮，而成為新的連接層，此時的導電膠導電性最強。另一種“隧道效應”學說，主要指的是，導電膠中導電離子發(fā)生直接接觸，根據(jù)同級相斥異性相吸的原則，導電離子會在通道中發(fā)生定向移動，除了離子的直接接觸，還會帶來一定規(guī)律的熱振動，導電離子可在大量粒子形成的高速電場中，產(chǎn)生電流發(fā)射，當離子之間的距離足夠小，以至于小于1nm范圍內(nèi)，隧道效應會使電場力急劇加大，這便形成了導電膠的導電功能。

2 導電膠的性能研究

作為一種同時具備導電性和粘合性的膠，導電膠可以連接各種導電材料，將待連接的材料之間形成電通路。目前，導電膠已廣泛用于印刷電路板組件、液晶顯示器、發(fā)光二極管、陶瓷電容器、智能卡、集成電路芯片，以及其他電子元件的封裝和粘接。但由于導電膠自身的性能問題，目前它尚不能完全取代Pb/Sn焊料。

導電膠自身的性能問題，主要有以下幾點：1）導電率低；2）接合效果不穩(wěn)定，不同的元器件類型和印刷電路板類型，對接合效果有很大影響；3）粘合強度較低。在小間距的連接中，粘合強度的大小，直接影響部件的抗沖擊性；4）固化時間長，效率低；5）成本較高，限制了它的應用。

目前，雖然我國的膠粘劑生產(chǎn)技術經(jīng)過了一定時期的發(fā)展，有了很大的進步與突破。但是，與國外生產(chǎn)的導電膠性能相比，我國與之差距仍然很大，國內(nèi)所需的高性能導電膠仍然主要依靠進口。差距在于，國內(nèi)生產(chǎn)的導電膠，整體上性能較差，而國外生產(chǎn)的導電膠，在導電性、粘接強度、老化頻率、漂移穩(wěn)定性以及儲存等方面，具有明顯的優(yōu)勢。為了提高國產(chǎn)導電膠的整體性能，要從以下三方面出發(fā)進行研究：

1）開發(fā)新的樹脂、固化劑及配方。要制造多功能、高性能導電膠，就要開發(fā)新的樹脂、固化劑及配方。銀基導電漿料，具有銀遷移和腐蝕的作用。銅和鎳基導電漿料，易氧化，導電率低，固化時間相對較長。因此，聚合物的共混和改性，以及由其制備的新型導電聚合物，是近年來的研究重點之一。

2）開發(fā)新型導電顆粒。基于納米顆粒、涂層合金，或共晶合金作為導電填料的導電填料的制備，以及導電顆粒表面的活化，是制備導電漿料的重要條件。

3）研究新的固化方法。未來，固化方法的發(fā)展趨勢是室溫固化高溫粘接材料。雖然目前，熱固化導電橡膠體系仍占主導地位，但是，由于其固化劑和偶聯(lián)劑不夠環(huán)保，存在污染環(huán)境等問題，因此，光固化、微波固化、電子束固化等技術正在逐漸取代它，得到了廣泛應用。UV固化+熱固化，即雙固化體系，也是未來固化方法的一個發(fā)展方向。

綜上所述，目前我國電子工業(yè)在快速發(fā)展，導電膠在電子技術中，發(fā)揮著日益重要的作用，具有廣闊、良好的應用前景。但是，由于我國在導電膠領域的研究起步較晚，目前國產(chǎn)導電膠在品種和性能方面與國外有很大差距。為此，我國要從開發(fā)新的樹脂、固化劑及配方、開發(fā)新型導電顆粒、研究新的固化方法等方面出發(fā)，提高國產(chǎn)導電膠的整體質(zhì)量與性能，進而滿足人們對各種建材的高品質(zhì)、高質(zhì)量的需求。