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導電膠的研究和應用

2017/1/2 14:51:50 分類:行業新聞

1.導電膠 的概述

 

    導電膠是一種固化或幹燥後具有一定導電性能的膠黏劑,它通常以基體樹脂和導電填料即導電粒子為主要組成成分, 通過基體樹脂的粘接作用把導電粒子結合在一起, 形成導電通路, 實現被粘材料的導電連接。由於 導電膠 的基體樹脂是一種膠黏劑, 可以選擇適宜的固化溫度進行粘接, 如環氧樹脂膠黏劑可以在室溫至150℃ 固化, 遠低於錫鉛焊接的200℃以上的焊接溫度, 這就避免了焊接高溫可能導致的材料變形、電子器件的熱損傷和內應力的形成。同時, 由於電子元件的小型化、微型化及印刷電路板的高密度化和高度集成化的迅速發展, 鉛錫焊接的0.65mm的最小節距遠遠滿足不了導電連接的實際需求, 而 導電膠 可以製成漿料, 實現很高的線分辨率。而且 導電膠 工藝簡單, 易於操作, 可提高生產效率, 也避免了錫鉛焊料中重金屬鉛引起的環境汙染。所以 導電膠 是替代鉛錫焊接, 實現導電連接的理想選擇。

目前導電膠已廣泛應用於液晶顯示屏(LCD)、發光二極管(LED)、集成電路(IC)芯片、印刷線路板組件(PCBA)、點陣塊、陶瓷電容、薄膜開關、智能卡、射頻識別等電子元件和組件的封裝和粘接, 有逐步取代傳統的錫焊焊接的趨勢。

2. 導電膠 的分類及組成

 

   2.1 導電膠 的分類

      導電膠 種類很多, 按導電方向分為 各向同性導電膠(ICAs,Isotropic Conductive Adhesive)和 各向異性導電膠(ACAs,Anisotropic Conductive Adhesives)。ICA是指各個方向均導電的膠黏劑, 可廣泛用於多種電子領域;ACA則指在一個方向上如Z方向導電, 而在X和Y方向不導電的膠黏劑。一般來說ACA的製備對設備和工藝要求較高, 比較不容易實現, 較多用於板的精細印刷等場合, 如平板顯示器(FPDs)中的板的印刷 。

按照固化體係導電膠又可分為室溫固化導電膠、中溫固化導電膠、高溫固化導電膠、紫外光固化導電膠等。室溫固化導電膠較不穩定, 室溫儲存時體積電阻率容易發生變化。高溫導電膠高溫固化時金屬粒子易氧化, 固化時間要求必須較短才能滿足導電膠的要求。目前國內外應用較多的是中溫固化導電膠(低於150℃), 其固化溫度適中, 與電子元器件的耐溫能力和使用溫度相匹配, 力學性能也較優異, 所以應用較廣泛。紫外光固化導電膠將紫外光固化技術和導電膠結合起來, 賦予了導電膠新的性能並擴大了導電膠的應用範圍, 可用於液晶顯示電致發光等電子顯示技術上, 國外從上世紀九十年****始研究, 我國近年也開始研究。

 

2.2    導電膠 的組成

      導電膠 主要由樹脂基體、導電粒子和分散添加劑、助劑等組成。目前市場上使用的導電膠大都是填料型。

填料型導電膠的樹脂基體, 原則上講, 可以采用各種膠勃劑類型的樹脂基體, 常用的一般有熱固性膠黏劑如環氧樹脂、有機矽樹脂、聚酰亞胺樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯、丙烯酸樹脂等膠黏劑體係。這些膠黏劑在固化後形成了導電膠的分子骨架 結構, 提供了力學性能和粘接性能保障, 並使導電填料粒子形成通道。由於環氧樹脂可以在室溫或低於150℃固化, 並且具有豐富的配方可設計性能, 目前環氧樹脂基導電膠 占主導地位。導電膠要求導電粒子本身要有良好的導電性能粒徑要在合適的範圍內, 能夠添加到導電膠基體中形成導電通路。導電填料可以是金、銀、銅、鋁、鋅、鐵、鎳的粉末和石墨及一些導電化合物

 

3. 國內外研究狀況及前景

     目前, 國內生產導電膠的單位主要有上海合成

樹脂研究所, 國外企業有日本的日立公司、Three-Bond公司、美國Epoxy的公司、slont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、導電塗料、導電膠帶等組分有單、雙組分。導電膠一般用於微電子封裝、印刷電路板、導電線路粘接等各種電 子領域中。

    導電膠 作為錫膏的換代產品有著廣闊的前景,但是目前與錫膏或錫焊相比仍存在著成本高的問題, 而且導電穩定性和耐久性仍有待於提高。今後的研究方向首先是對現有粘接體係的改進, 如對環氧樹脂的稀釋、複合和改性, 使其既有著良好的力學性能又與導電粒子有良好的配合和適宜的潤濕作用。通過對固化動力學的研究, 分析固化過程中活性基團的變化以及交聯網絡的形成過程中導電粒子聚集態的變化規律, 優化固化體係。第二是製備出導電率高、性能穩定、耐腐蝕和環境影響的導電粒子, 降低成本, 並提高導電膠的穩定性和可靠性。第三是發展新型的固化方式, 提高其工藝性, 實現低溫或者室溫固化, 如固化、電子束固化等。

 

4.導電膠 的應用領域

(1)導電膠粘劑 用於微電子裝配,包括細導線與印刷線路、電鍍底板、陶瓷被粘物的金屬層、金屬底盤連接,粘接導線與管座,粘接元件與穿過印刷線路的平麵孔,粘接波導調諧以及孔修補。
  (2)導電膠粘劑 用於取代焊接溫度超過因焊接形成氧化膜時耐受能力的點焊。導電膠粘劑作為錫鉛焊料的替代晶,其主要應用範圍如:電話和移動通信係統;廣播、電視、計算機等行業;汽車工業;醫用設備;解決電磁兼容(EMC)等方麵。
  (3) 導電膠粘劑 的另一應用就是在鐵電體裝置中用於電極片與磁體晶體的粘接。導電膠粘劑可取代焊藥和晶體因焊接溫度趨於沉積的焊接。用於電池接線柱的粘接是當焊接溫度不利時導電膠粘劑的又一用途。
  (4)導電膠粘劑 能形成足夠強度的接頭,因此,可以用作結構膠粘劑。

 

5.國內外導電膠的應用情況

  目前國內市場上一些高尖端的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,日本的住友和台 灣翌華也有涉及這些領域。日本的Three-Bond公司則控製了整個的石英晶體諧振器方麵導電膠的應用。國內的導電膠生產廠家有上合所,有研鋼院,深隆 等。

ZH-DD-HY係列的導電膠主要適用於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。應用範圍涉及電子元器件、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。

 

5.導電膠的應用及麵臨的技術難題

     導電膠主要存在以下問題:

(1)電導率低,對於一般的元器件,大多導電膠均可接受,但對於功率器件,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。

由基體樹脂和金屬導電粒子組成的導電膠,其電導率往往低於Pb/Sn焊料。為了解決這一問題,國內外的科研工作者做了以下的努力:增加樹脂網絡的固化收縮率;用短的二羧酸鏈去除金屬填充物表麵的潤滑劑;用醛類去除金屬填充物表麵的金屬氧化物;采用納米級的填充粒子等。

(4)導電膠 的另一個技術問題是相對較低的粘接強度,在節距小的連接中,粘接強度直接影響元件的抗衝擊性能。

6.結束語

微電子封裝技術正處於高速發展階段, 導電膠以其諸多優點成為錫鉛焊料未來可能的替代品, 但仍存在許多製約其廣泛應用的缺陷, 目前對導電膠的研究主要集中在下述幾個方麵。

(1) 新體係的開發

     現在使用的導電膠大部分都是環氧樹脂體係。但是, 環氧樹脂存在固化溫度高、易吸水等缺點,環氧樹脂導電膠的粘接強度相對Pb /Sn 體係偏低,銀係導電膠有銀遷移和腐蝕作用; 銅和鎳易氧化,導電膠中多用胺類等汙染環境的固化劑及偶合劑,導電率較低且固化時間相對較長。因此, 聚合物的共混( 導電膠和導電聚合物的共混, 改善其綜合性能) 和改性、固化劑的改性以及導電粒子的表麵活性處理、覆鍍合金或低共熔合金和由此製備的新型導電聚合物是近幾年的研究重點。

(2) 固化動力學的研究

     通過固化動力學的研究, 可以對導電膠的聚合過程得到更深的認識, 為選擇高效率的固化劑提供指導固化動力學的研究可以通過原位紅外光譜分析來實現。通過對固化過程中活性基團紅外光譜的原位分析推斷固化過程中發生的反應, 進而優化固化體係。

(3) 新固化方式的實現

     低溫甚至室溫連接是未來連接材料的發展趨勢。UV 固化、電子束固化已經在塗料、油墨、光刻膠等材料中得到應用。利用UV 固化、電子束固化得到接近金屬焊料的連接強度, 將極大推動導電膠的大規模應用, AG8亚游集团正在進行有關這方麵的研究, 已取得了令人滿意的固化效果和連接強度。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。但我國在這方麵的研究起步較晚, 目前所需用的高性能導電膠主要依賴進口, 因此必須大力加強粘接溫度和固化時間、粘接壓力、粒子含量等因素導電膠可靠性的影響的研究和應用開發, 製備出新型的導電膠, 以提高我國電子產品封裝業的國際競爭力。

 

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