导电胶的研究和应用

 

1． 导电胶 的概述

 

    导电胶 是一种固化或干燥后具有一定导电性能的胶粘剂,它通常以基体树脂和导电填料即导电粒子为主要组成成分, 通过基体树脂的粘接作用把导电粒子结合在一起, 形成导电通路, 实现被粘材料的导电连接。由于 导电胶 的基体树脂是一种胶黏剂, 可以选择适宜的固化温度进行粘接, 如环氧树脂胶黏剂可以在室温至150℃ 固化, 远低于锡铅焊接的200℃以上的焊接温度, 这就避免了焊接高温可能导致的材料变形、电子器件的热损伤和内应力的形成。同时, 由于电子元件的小型化、微型化及印刷电路板的高密度化和高度集成化的迅速发展, 铅锡焊接的0.65mm的最小节距远远满足不了导电连接的实际需求, 而 导电胶 可以制成浆料, 实现很高的线分辨率。而且 导电胶 工艺简单, 易于操作, 可提高生产效率, 也避免了锡铅焊料中重金属铅引起的环境污染。所以 导电胶 是替代铅锡焊接, 实现导电连接的理想选择。

目前 导电胶 已广泛应用于液晶显示屏（LCD）、发光二极管（LED）、集成电路(IC)芯片、印刷线路板组件(PCBA)、点阵块、陶瓷电容、薄膜开关、智能卡、射频识别等电子元件和组件的封装和粘接, 有逐步取代传统的锡焊焊接的趋势。

2. 导电胶 的分类及组成

 

   2.1 导电胶 的分类

      导电胶 种类很多, 按导电方向分为 各向同性导电胶（ICAs，Isotropic Conductive Adhesive）和 各向异性导电胶（ACAs，Anisotropic Conductive Adhesives）。ICA是指各个方向均导电的胶黏剂, 可广泛用于多种电子领域；ACA则指在一个方向上如Z方向导电, 而在X和Y方向不导电的胶黏剂。一般来说ACA的制备对设备和工艺要求较高, 比较不容易实现, 较多用于板的精细印刷等场合, 如平板显示器（FPDs）中的板的印刷 。

按照固化体系导电胶又可分为室温固化导电胶、中温固化导电胶、高温固化导电胶、紫外光固化导电胶等。室温固化导电胶较不稳定, 室温储存时体积电阻率容易发生变化。高温导电胶高温固化时金属粒子易氧化, 固化时间要求必须较短才能满足导电胶的要求。目前国内外应用较多的是中温固化导电胶（低于150℃）, 其固化温度适中, 与电子元器件的耐温能力和使用温度相匹配, 力学性能也较优异, 所以应用较广泛。紫外光固化导电胶将紫外光固化技术和导电胶结合起来, 赋予了导电胶新的性能并扩大了导电胶的应用范围, 可用于液晶显示电致发光等电子显示技术上, 国外从上世纪九十年代开始研究, 我国近年也开始研究。

 

2.2    导电胶 的组成

      导电胶 主要由树脂基体、导电粒子和分散添加剂、助剂等组成。目前市场上使用的导电胶大都是填料型。

填料型导电胶的树脂基体, 原则上讲, 可以采用各种胶勃剂类型的树脂基体, 常用的一般有热固性胶黏剂如环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂等胶黏剂体系。这些胶黏剂在固化后形成了导电胶的分子骨架结构, 提供了力学性能和粘接性能保障, 并使导电填料粒子形成通道。由于环氧树脂可以在室温或低于150℃固化, 并且具有丰富的配方可设计性能, 目前环氧树脂基导电胶 占主导地位。导电胶要求导电粒子本身要有良好的导电性能粒径要在合适的范围内, 能够添加到导电胶基体中形成导电通路。导电填料可以是金、银、铜、铝、锌、铁、镍的粉末和石墨及一些导电化合物

 

3． 国内外研究状况及前景

     目前, 国内生产导电胶的单位主要有上海合成

树脂研究所, 国外企业有日本的日立公司、Three-Bond公司、美国Epoxy的公司、slont公司，Ablistick公司，Loctite公司、3M公司等。已商品化的导电胶种主要有导电胶膏、导电胶浆、导电涂料、导电胶带等组分有单、双组分。导电胶一般用于微电子封装、印刷电路板、导电线路粘接等各种电子领域中。

    导电胶 作为锡膏的换代产品有着广阔的前景,但是目前与锡膏或锡焊相比仍存在着成本高的问题, 而且导电稳定性和耐久性仍有待于提高。今后的研究方向首先是对现有粘接体系的改进, 如对环氧树脂的稀释、复合和改性, 使其既有着良好的力学性能又与导电粒子有良好的配合和适宜的润湿作用。通过对固化动力学的研究, 分析固化过程中活性基团的变化以及交联网络的形成过程中导电粒子聚集态的变化规律, 优化固化体系。第二是制备出导电率高、性能稳定、耐腐蚀和环境影响的导电粒子, 降低成本, 并提高导电胶的稳定性和可靠性。第三是发展新型的固化方式, 提高其工艺性, 实现低温或者室温固化, 如固化、电子束固化等。

 

4．导电胶 的应用领域

（1）导电胶粘剂 用于微电子装配，包括细导线与印刷线路、电镀底板、陶瓷被粘物的金属层、金属底盘连接，粘接导线与管座，粘接元件与穿过印刷线路的平面孔，粘接波导调谐以及孔修补。
  （2）导电胶粘剂 用于取代焊接温度超过因焊接形成氧化膜时耐受能力的点焊。导电胶粘剂作为锡铅焊料的替代晶，其主要应用范围如：电话和移动通信系统；广播、电视、计算机等行业；汽车工业；医用设备；解决电磁兼容(EMC)等方面。
  （3） 导电胶粘剂 的另一应用就是在铁电体装置中用于电极片与磁体晶体的粘接。导电胶粘剂可取代焊药和晶体因焊接温度趋于沉积的焊接。用于电池接线柱的粘接是当焊接温度不利时导电胶粘剂的又一用途。
  （4）导电胶粘剂 能形成足够强度的接头，因此，可以用作结构胶粘剂。

 

5．国内外导电胶的应用情况

  目前国内市场上一些高尖端的领域使用的导电胶主要以进口为主：美国的Ablistick公司、3M公司几乎占领了全部的IC和LED领域，日本的住友和台湾翌华也有涉及这些领域。日本的Three-Bond公司则控制了整个的石英晶体谐振器方面导电胶的应用。国内的导电胶生产厂家有上合所，有研钢院，深隆等。

ZH-DD-HY系列的导电胶主要适用于LED、大功率LED、 LED数码管、LCD、TR、IC、COB、PCBA、点阵块、显示屏、晶振、谐振器、太阳能电池、光伏电池、蜂鸣器、陶瓷电容、半导体分立器件等各种电子元件和组件的封装以及粘结等。应用范围涉及电子元器件、电子组件、电路板组装、显示及照明工业、通讯、汽车电子、智能卡、射频识别等领域。

 

5．导电胶的应用及面临的技术难题

     导电胶主要存在以下问题：

(1)电导率低，对于一般的元器件，大多导电胶均可接受，但对于功率器件，则不一定。

(2)粘接效果受元器件类型、PCB(印刷线路板)类型影响较大；

(3)固化时间长。

由基体树脂和金属导电粒子组成的导电胶，其电导率往往低于Pb／Sn焊料。为了解决这一问题，国内外的科研工作者做了以下的努力：增加树脂网络的固化收缩率；用短的二羧酸链去除金属填充物表面的润滑剂；用醛类去除金属填充物表面的金属氧化物；采用纳米级的填充粒子等。

(4)导电胶 的另一个技术问题是相对较低的粘接强度，在节距小的连接中，粘接强度直接影响元件的抗冲击性能。

6．结束语

微电子封装技术正处于高速发展阶段, 导电胶以其诸多优点成为锡铅焊料未来可能的替代品, 但仍存在许多制约其广泛应用的缺陷, 目前对导电胶的研究主要集中在下述几个方面。

(1) 新体系的开发

     现在使用的导电胶大部分都是环氧树脂体系。但是, 环氧树脂存在固化温度高、易吸水等缺点,环氧树脂导电胶的粘接强度相对Pb /Sn 体系偏低,银系导电胶有银迁移和腐蚀作用; 铜和镍易氧化,导电胶中多用胺类等污染环境的固化剂及偶合剂,导电率较低且固化时间相对较长。因此, 聚合物的共混( 导电胶和导电聚合物的共混, 改善其综合性能) 和改性、固化剂的改性以及导电粒子的表面活性处理、覆镀合金或低共熔合金和由此制备的新型导电聚合物是近几年的研究重点。

(2) 固化动力学的研究

     通过固化动力学的研究, 可以对导电胶的聚合过程得到更深的认识, 为选择高效率的固化剂提供指导固化动力学的研究可以通过原位红外光谱分析来实现。通过对固化过程中活性基团红外光谱的原位分析推断固化过程中发生的反应, 进而优化固化体系。

(3) 新固化方式的实现

     低温甚至室温连接是未来连接材料的发展趋势。UV 固化、电子束固化已经在涂料、油墨、光刻胶等材料中得到应用。利用UV 固化、电子束固化得到接近金属焊料的连接强度, 将极大推动导电胶的大规模应用, 我们正在进行有关这方面的研究, 已取得了令人满意的固化效果和连接强度。目前我国电子产业正大量引进和开发SMT 生产线, 导电胶 在我国必然有广阔的应用前景。但我国在这方面的研究起步较晚, 目前所需用的高性能导电胶主要依赖进口, 因此必须大力加强粘接温度和固化时间、粘接压力、粒子含量等因素导电胶可靠性的影响的研究和应用开发, 制备出新型的导电胶, 以提高我国电子产品封装业的国际竞争力。