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      如果你想了解導電膠,請看完這篇文章

      2017-07-18 10:43:53 分類:常見問題

      如果你想了解導電膠,請看完這篇文章

          導電膠是一種同時具備導電性能和粘結性能的膠黏劑,它可以將多種導電材料連接在一起,使被連接材料間形成導電通路。它是通過將導電填料填充在有機聚合物基體中,從而使其具有與金屬相近的導電性能。與普通導電聚合物不同的是,導電膠要求體系在儲存條件下具有流動性,通過加熱或其他方式可以發生固化,從而形成具有一定強度的連接。


      一、導電膠的組成

      導電膠的組成導電膠一般是由基體和導電填料兩部分組成,

      (1)導電膠的基體

      基體包括預聚體、固化劑(交聯劑)、稀釋劑及其他添加劑(增塑劑、偶聯劑、消泡劑等)。

      預聚體是導電膠的主要組分之一,它含有活性基團,加入固化劑后可以進行固化。預聚體固化后形成了導電膠的分子骨架,同時提供了粘接性能和力學性能的保障,并能使導電填料粒子形成通道。常用的聚合物基體包括環氧樹脂、酚醛類樹脂、聚酸亞胺、聚氨酷等。與其他樹脂相比,環氧樹脂具有穩定性好、耐腐蝕、收縮率低、粘接強度高、粘接面廣以及加工性好等優點,因此,環氧樹脂是目前研究最多、使用最廣的基體材料。但是環氧樹脂具有吸濕性,且耐熱性較差,所以對環氧樹脂進行改性,通過對環氧樹脂主漣結構和取代基進行調整,得到綜合性能更高的改性樹脂的研究正在開發中。

      固化劑是多官能團化合物,可以連接預聚體,形成網絡結構,也是固化后體系的一部分。

      稀釋劑是導電膠的另一個重要組分。它可以調節體系的粘度,使導電粒子能較好的分散在基體樹脂中,同時在導電粒子和膠層及被粘接電子元器件間形成了良好的導電接觸。稀釋劑分為活性稀釋劑和非活性稀釋劑兩類,其中活性稀釋劑含有活性端基,可以參加交聯反應,固化前不需去除,固化后成為體系的一部分;非活性稀釋劑不參與交聯,僅起調節作用,固化前需要除去。

      預聚體、交聯劑和稀釋劑是固化過程中體積變化的主要影響因素。為了提高導電膠的性能,有時還需加入偶聯劑、增塑劑、消泡劑等各種添加劑。

      偶聯劑可改善導電填料在樹脂基體中的分散性,同時還能改善導電膠的表面性能,增加界面的粘附性能。加入增塑劑可以提高膠層的柔韌性和粘接強度。消泡劑在導電膠的制備過程中,可降低表面張力,消除物料混合過程中產生的泡沫。

      (2)導電填料

      導電填料主要是通常有碳、金屬、金屬氧化物三大類。碳類材料中的炭黑的導電性很好,但存在加工困難的問題;石墨很難粉碎和分散,且導電性隨產地等變化較大。碳類填料一般選用炭黑和石墨的混合粉末。金屬氧化物導電性普遍較差。常用的填料多為Au、Ag、Cu、Ni等電阻率較低的金屬粉末。

      Au粉具有優異的導電性和化學穩定性,是最理想的導電填料,但價格昂貴,一般只在要求較高的情況下使用。Ag粉價格相對較低,導電性較好,且在空氣中不易氧化,但在潮濕的環境下會發生電遷移現象,使得導電膠的導電性能下降。Cu粉和Ni粉具有較好的導電性,成本低,但在空氣中容易氧化,使得導電性變差。因此,導電填料一般選用Ag或cu。

      導電填料的粒度和形狀對導電膠的導電性能有直接影響。粒度大的填料導電效果優于小的,但同時會帶來連接強度的降低。不定形(片狀或纖維狀)的填料導電性能和連接強度優于球形的。但各向異性導電膠只能用粒度分布較窄的球形填料。不同粒度和形狀的填料配合使用可以得到較好的導電性能和連接強度。

      二、導電膠的優點

      導電膠的產生背景隨著科技的進步,電子元件不斷向微型化的方向發展,器件集成度不斷提高,要求連接材料具有很高的線分辨率,傳統的連接材料Pb /Sn焊料只能應用在0 . 65mm以下節距的連接, 無法滿足工藝需要;連接工藝中溫度高于230℃產生的熱應力也會損傷器件和基板,此外,Pb /Sn焊料中的鉛為有毒物質。人們迫切需要新型無鉛連接材料。

      導電膠作為一種Pb/Sn焊料的替代品應運而生。與Pb /Sn焊料相比,它具有五大優點:

      (1)線分辨率大大提高,能適應更高的I/O密度;

      (2)涂膜工藝簡單,連接步驟少;

      (3)固化溫度低,減少能耗,避免基材損傷,可應用在對溫度敏感的材料或無法焊接的材料上。

      (4)熱機械性能好,韌性比合金焊料好,接點抗疲勞性高;

      (5)與大部分材料潤濕良好。

      三、導電膠的分類

      (1)按基體可分為熱塑性導電膠和熱固性導電膠。熱塑性導電膠的基體樹脂分子鏈很長,且支鏈少,在高溫下固化時流動性較好,可重復使用。而熱固性導電膠的基體材料最初是單體或預聚合物,在固化過程中發生聚合反應,高分子鏈連接形成交聯的三維網狀結構,高溫下不易流動。

      (2)按導電機理分為本征導電膠和復合導電膠。本征導電膠是指分子結構本身具有導電功能的共扼聚合物,這類材料電阻率較高,導電穩定性及重復性較差,成本也較高,故很少研究。復合導電膠是指在有機聚合物基體中添加導電填料,從而使其具有與金屬相近的導電性能,目前的研究主要集中在這一塊。

      (3)按導電方向分為各向同性(ICAs)和各向異性(ACAs)兩大類。前者在各個方向有相同的導電性能;后者在XY方向是絕緣的,而在Z方向上是導電的。通過選擇不同形狀和添加量的填料,可以分別做成各向同性或各向異性導電膠。兩種導電膠各有所長,目前的研究主要集中在后者。

      (4)按照固化體系的不同,導電膠可分為室溫固化導電膠、中溫固化導電膠、高溫固化導電膠和紫外光固化導電膠等。室溫固化需要的時間太長,一般需要數小時到幾天,且室溫儲存時體積電阻率容易發生變化,因此工業上較少使用。中溫固化導電膠力學性能優異,且固化溫度一般低于150℃,此溫度范圍能較好地匹配電子元器件的使用溫度和耐溫能力,因此是目前應用較多的導電膠。高溫固化導電膠高溫固化時,金屬粒子容易被氧化,固化速度快,導電膠使用時要求固化時間須較短,因此也使用較少。紫外光固化導電膠主要是依靠紫外光的照射引起樹脂基體發生固化反應,固化速度較快,樹脂基體在避光的條件下可以保存較長時間,是一種新型的固化方式。這種新型的固化方式將紫外光固化技術和一導電膠結合起來,賦予了導電膠新的性能。目前這方面的研究也是人們關注的熱點。

      (5)按導電粒子分類的導電膠又可以分為金導電膠、銀導電膠、銅導電膠、碳類導電膠、納米碳管導電膠等。

      四、影響導電膠性能的因素

      (1)導電粒子

      導電粒子是導電膠中導電性的來源,不同導電粒子的各參數不同,添加人導電膠后其導電性和膠體的其他性能也有所不同。自身導電性高、粒子間排列較集中、表面處理較好的導電粒子其導電性也高,對膠體的聚合固化行為也更敏感。導電粒子粒徑不但對導電膠的形貌有影響,同樣對粘接性能也有一定的影響,粒徑較小的在基體樹脂中分散較均勻、固化后較致密,粘接力學性能也較好。主要影響因素為導電粒子的形貌和粒徑尺寸及導電粒子的用量。

      (2)樹脂體系和固化工藝

      樹脂體系作為導電膠力學性能和粘接性能的主要來源,其選擇很重要。根據不同力學性能和用途的需要選擇不同的樹脂體系。常用的樹脂體系為環氧樹脂,其粘接性好,粘度低,固化溫度適中,適合導電膠的制備,一般用于常溫固化或中溫固化導電膠中。根據電子元器件的要求,需要高溫固化時,可以使用聚酞亞胺樹脂作為基體樹脂或是在傳統環氧樹脂中加人耐高溫物質如雙馬來酞亞胺樹脂提高耐熱性。用于光敏固化的導電膠的樹脂體系選擇丙烯酸環氧類光敏物質。

      固化工藝對導電膠的導電性有一定的影響。加熱固化時,應盡量縮短凝膠點以前的時間,因為凝膠時間長,會導致膠黏劑對導電粒子表面進行充分的包覆,降低導電性,所以加熱固化時一般都是直接置于固化溫度下固化,以減少潤濕包覆帶來的不利影響。固化溫度和時間不但影響導電膠的導電性,對其力學性能也有很大影響。對于室溫固化銅粉導電膠,延長固化時間會使剪切強度下降了,中高溫固化導電膠延長固化時間會提高力學性能。

      (3)稀釋劑(溶劑)的影響

      稀釋劑在導電膠中起著重要的作用。它能降低體系粘度,使導電粒子能較好的分散在基體樹脂中,同時在導電粒子和膠層及被粘接電子元器件間形成良好的導電接觸。用于導電膠的稀釋劑有活性稀釋劑和非活性稀釋劑兩種。非活性稀釋劑一般選用高極性的溶劑如醇類、醚類、酯類等。高極性的溶劑因為可以在膠層表面充當抵抗腐蝕的介質所以會提高導電膠的抗濕熱性。非活性稀釋的用量在0.1%~20%,隨著用量的增加可以提高導電性能,但同時也會降低力學性能?;钚韵♂寗┲饕砑拥綐渲?,作為一種反應物,降低體系的黏度。這類物質加人后在降低體系黏度的同時也會損失耐熱性,所以用量要控制在合理的范圍。在實際使用中,可以混合使用活性稀釋劑和非活性稀釋劑,以達到最好的稀釋效果。

      (4)其他添加劑的影響

      其他添加劑主要是根據導電膠的需要,加人一些物質來提高導電膠的性能。一般導電膠中都加人偶聯劑來降低金屬顆粒和膠層之間的界面表面能,如硅烷類偶聯劑、鈦酸鹽偶聯劑等。

      七、導電膠的研究狀況

      隨著導電膠導電機理的日益完善,目前對于導電膠的研究主要集中在高性能導電膠制備上,主要包括下面幾個方向

      (1)納米導電粒子的研究

      目前廣泛應用于導電膠中的導電填料一般為C、Au、Ag、Cu和Ni等。Au的導電性能較好,并且性能穩定,但其價格較高。Ag的價格比Au低,但在電場作用下會產生遷移等現象,從而降低了導電性能和使用壽命。Cu、Ni價格低廉,在電場作用下不會產生遷移,但溫度升高時會發生氧化反應,導致電阻率增加。碳粉在長時間高溫條件下使用時容易形成碳化物,致使電阻變大,導電性能下降,并且其受環境影響較大,納米碳管具有較強的力學性能,將其作為導電填料,可以明顯增加導電膠的拉伸強度(1700 MPa),另外,納米碳管的管狀軸承效應和自潤滑效應,使其具有較高的耐摩擦性,耐酸堿性和耐腐蝕性能,從而提高了含納米碳管導電膠的使用壽命和抗老化性能。

      馮永成制備了導電性能極好的雙組分納米銀/碳復合管導電膠,研究結果表明,該導電膠的體積電阻率低于10-3m,剪切強度高于150 MPa剝離強度高于35N/cm與傳統導電銀粉膠粘劑相比,該導電膠可節省銀原料30%~50%。

      吳海平等制備了以碳納米管和鍍銀碳納米管為導電填料的各向同性導電膠(ICA)。

      研究結果表明,以碳納米管作為導電填料,當Φ(碳納米管)=34%時導電膠的最低電阻率為2.4*10-3Ω·cm,當Φ(碳納米管)=23%時導電膠的剪切性能最好;以鍍銀碳納米管為導電填料,當Φ(碳納米管)=28%時導電膠的最低電阻率為2.2 * 10-4Ω·cm;當導電膠中分別填充碳納米管和鍍銀碳納米管時,導電膠的抗老化性能均較好,在85 ℃/RH85%環境中經過 1 000 h老化測試后,導電膠的體積電阻率和剪切強度的變化率均低于10%。

      (2)復合導電膠

      復合型導電高分子材料已發展成為一種新型的功能性材料,在抗靜電、電磁屏蔽、導電 自動控制和正溫度系數材料等方面具有廣闊的應用前景,其市場需求量不斷增大。

      雷芝紅等采用無鈀活化工藝在環氧樹脂(EP)粉末上形成活性點,利用化學鍍法成功制備出新型外鍍銀銅/EP復合導電粒子,其電阻率為4.5*10-3Ω·cm,可以作為各向異性導電膠的導電填料(代替純金屬導電填料)。

      Eom等制備出一種新型低熔點各向異性導電膠。研究結果表明:該導電膠的電阻低于10 mΩ,而傳統導電膠的電阻則低于1000 mΩ;該導電膠可以在電流密度為10000 A/cm2的條件下使用;高壓蒸煮試驗前后,導電膠的電阻和電流密度均沒有發生變化,而剪切強度的變化率為23%。

      (3)紫外光固化導電膠

      紫外光(UV)固化導電膠是近年來開發的新品種。與普通導電膠相比,其將紫外光固化技術與導電膠結合起來,賦予了導電膠新的功能,并擴大了導電膠的應用范圍。該導電膠具有固化溫度低,固化速率快和使用設備簡單等特點,由于其不含溶劑或者只含少量的惰性稀釋劑,故固化時不需要加熱,具有環境污染小、能耗低、效率高、收縮率低和化學穩定性好等優點,能夠滿足精細線路連接自動化流水生產線的生產工藝要求。

      常英等采用自制的鍍銀銅粉制備環氧丙烯酸樹脂/鍍銀銅粉導電膠。研究結果表明:該導電膠的電阻率為2.0*10-4Ω·cm,而聚丙烯酸酯樹脂導電膠的電阻率為1*10-4Ω·cm;當 Φ(鍍銀銅粉)=70%、Φ(光引發劑)=3%和Φ(熱引發劑)=1%~2%時,導電膠的性能最好;該導電膠可以在紫外燈照射下固化,并且能夠滿足電子產品的使用要求。

      (4)無導電粒子導電膠

      近年來,一種NCA鍵合技術(無鉛無導電顆?;ヂ摷夹g)深受人們的關注。這種互連方式具有良好的粘接強度和較低的成本,所使用的連接材料是NCA聚合物,通常不填充任何導電填料。這種互連技術在實現連接時,需要在一定的溫度條件下,通過向 IC 芯片和基板施加壓力才能使 NCA 在芯片粘接部位表面處形成直接的物理連接。該技術省略了膠體中加入導電填料的步驟,去除了填充金屬所帶來的成本,其連接位置由金屬直接接觸形成,從而成為一種簡單、高效和價廉的互連方式。

      無導電粒子導電膠與含導電粒子導電膠相比,具有如下優點:①不必填充導電粒子,價格較低;②可以應用于多種材料;③加工工藝簡單;④固化溫度較低。近年來,無導電粒子導電膠的發展十分迅速,出現了(類似于各向異性導電膠)Z軸方向上導電的新品種,連接材料中的空隙尺寸達到納米級尺度。

      六、導電膠的應用及問題

      導電膠是一種同時具備導電性能和粘接性能的膠粘劑,它可以將多種導電材料連接在一起,使被連接材料間形成電的通路。自1966年問世以來,導電膠已經在電子科技中起到越來越重要的作用。目前,導電膠已廣泛應用于印刷線路板組件、發光二極管、液晶顯示屏、智能卡、陶瓷電容、集成電路芯片等電子元器件的封裝和粘接。

      但是,Pb/Sn焊料仍在電子表面封裝技術中大量應用,導電膠雖然擁有許多優點,但因其自身存在的亟待解決的問題,仍然不能完全取代Pb /Sn焊料。導電膠主要存在以下問題:

      (1)電導率低,對于一般的元器件,大多導電膠均可接受,但對于功率器件,則不一定。

      (2)粘接效果受元器件類型、PCB(印刷線路板)類型影響較大;

      (3)固化時間長。

      (4)粘結強度相對較低。在節距小的連接中,粘接強度直接影響元件的抗沖擊性能。

      (5)成本較高。

      七、導電膠的市場狀況

      目前, 國內生產導電膠的單位主要有金屬研究所等,國外企業有TeamChem Company、日本的日立公司、Three-Bond公司、美國Epoxy的公司、Ablistick公司、Loctite公司、3M公司等。已商品化的導電膠種主要有導電膠膏、導電膠漿、導電涂料、導電膠帶、導電膠水等,組分有單、雙組分.導電膠一般用于微電子封裝、印刷電路板、導電線路粘接等各種電子領域中.現今國內的導電膠無論從品種和性能上與國外都有較大差距。

      目前國內市場上一些高尖端領域使用的導電膠主要以進口為主:美國的Ablistick公司、3M公司幾乎占領了全部的IC和LED領域,日本的住友和臺灣翌華也有涉及這些領域.日本的Three-Bond公司則控制了整個的石英晶體諧振器方面導電膠的應用.國內的導電膠主要使用在一些中、低檔的產品上,這方面的市場主要由金屬研究所占有。

      TeamChem Company系列的導電膠主要適用于LED、大功率LED、 LED數碼管、LCD、TR、IC、COB、PCBA、點陣塊、顯示屏、晶振、諧振器、太陽能電池、光伏電池、蜂鳴器、陶瓷電容、半導體分立器件等各種電子元件和組件的封裝以及粘結等.應用范圍涉及電子元器件、電子組件、電路板組裝、顯示及照明工業、通訊、汽車電子、智能卡、射頻識別等領域。

      目前我國電子產業正大量引進和開發SMT 生產線, 導電膠在我國必然有廣闊的應用前景.但我國在這方面的研究起步較晚, 目前所需用的高性能導電膠主要依賴進口。



      八、總結

      目前,我國膠粘劑的生產工藝技術已取得了長足的進步。以輻射法、紫外光固化法和互穿聚合物網絡法等為代表的生產技術,在改進產品性能、提高產品質量方面起到了重要作用,并且耐高溫導電膠和無機導電膠也有了新的突破。伴隨著新技術的應用與推廣,新產品也層出不窮。但是,國內外導電膠的性能差距仍較大,主要表現在國內導電膠的綜合性能較低,而國外導電膠在電導率、老化頻漂穩定性、粘接強度和儲存期等方面具有明顯的優勢。要大幅度提高國產導電膠的綜合性能,必須從下列幾方面著手。

      (1)開發新體系。尋找新的樹脂和固化劑及其配方,制備多功能、高性能的導電膠。銀系導電膠有銀遷移和腐蝕等作用;銅和鎳系導電膠易氧化,電導率較低且固化時間相對較長。因此,聚合物的共混、改性以及由此制備的新型導電聚合物,是近幾年來的研究重點之一。

      (2)開發新型的導電顆粒。制備以納米顆粒為主的導電填料,以覆鍍合金或低共熔合金作為導電填料,并且對導電粒子表面進行活化處理,是制備導電膠的重要條件。

      (3)研究新的固化方式.室溫固化耐高溫粘接材料是未來的發展趨勢;雖然目前熱固化導電膠體系仍占主導地位,但其固化劑及偶合劑等存在污染環境等問題,因此光固化、電子束固化等技術已在涂料、油墨、光刻膠和醫用膠等領域中得到廣泛應用;另外,微波固化技術,也取得了階段性的成果;雙重固化體系(UV固化+熱固化)的開發,也是未來的發展方向。

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