导电胶连接
发布时间:2011/8/26 10:36:48 访问次数:3087
作为一种电气互连技术，导电胶连接以其独到的优势获得业界青睐，成为无铅连接技术中最有发展前景的技术之一。
与传统软钎焊相比，导电胶连接具有以下特点：
(1)导电胶中不含铅或其他有毒金属，不需焊前及焊后清洗，无残余物，符合环保需求；
(2)导电胶固化温度低（室温～150℃）且具有柔顺性，可用作挠性线路板、不可焊线路板（玻璃或陶瓷线路板）和温度敏感元件的互连材料，在连接后修补方面也独具优势。在某些特殊应用领域，导电胶连接是唯一可行的互连方法；
(3)导电胶线分辨率高，适用于更精细的引线间距和高密度组装，而且连接材料自身密度小，相同应用条件下需要量少（约为其他类型微电子互连材料的一半），符合微电子产品微型化、薄型化和轻量化的发展要求；
(4)导电胶连接工艺简单，技术难度低，制造成本低。
除了导电与导热性外，导电胶连接与焊接的其他性能已经可以相比，部分性能特别是环境影响已经超过焊接。
2．导电胶的导电机理
(1)接触效应通过导电填料间的相互接触形成链状导电通路，从而获得导电性。据此，采用导电性能良好的导电填料、降低导电粒子表面的电阻、增加内压促进导电粒子的接触，都可以提高其导电性。
(2)隧道效应 除一部分导电粒子直接接触形成导电，没有直接接触的导电粒子在肢中以孤立体或小团聚体的形式存在，不参与导电。但在电场作用下，相距很近的粒子上的电子还可通过导体之间的电子跃迁产生传导。特别是当导电粒子间的体积分数达到一个临界值时，由隧道效应引起的电荷转移会急剧增大，同时借助热振动跃过势垒形成较大的隧道电流，从而使导电性能增强，如图6.5.1所示。
3．导电胶的分类
导电胶种类繁多，根据导电机理可以将导电胶分为各向同性和各向异性两大类。
(1)各向异性导电胶(anisotropic conductive adhesives，ACA)指胶体在XY方向是绝缘的，而在Z方向上是导电的。各向异性导电胶中导电粒子的浓度低（占5%～20%体积分数），不能在Xy方向靠导电粒子接触而形成导电通道；在Z方向，固化的同时对焊盘施加压力，促使在这一方向形成导电通道，从而实现Z向的导电性：这种胶对工艺和设备的要求较高，使用受到了限制。
(2)各向同性导电胶(isotropic conductive adhesives，ICA)指各个方向有相同导电性能的导电胶，又称为“高分子钎料”，由高分子树脂胶和导电填充物构成。由于导电填充物较多，依靠导电颖粒接触而实现导电性。随着导电填充物比例增加，导电胶的电阻逐步降低，当达到一个临界值时，导电胶的电阻急剧降低，使胶体变成导体。图6.5.2所示为两类导电胶连接原理示意图。
此外，导电胶根据不同的标准，还有多种分类：
(1)根据导电粒子种类不同，可分为银系、金系、铜系和碳系导电胶等，其中应用最广的是银系导电胶；
(2)根据固化条件不同，可分为热固化型、常温固化型、高温烧结型、光固化型和电子束固化型导电胶等；
(3)根据粘料的类型，又可将导电胶分为无机导电胶和有机导电胶；
(4)根据是否添加导电粒子可分为有导电粒子胶和无导电粒子胶；其中无导电粒子胶由不含导电粒子的有机导电聚合物组成。这种导电胶填充在两块连接材料之间，在热和压力的作用下，接触处产生许多小的缝隙连接，两个被粘面的距离由表面的粗糙程度决定。如果使这两个接触面产生一定数量的接触点，就可以形成回路使电流通过。
4．常用导电胶
(1)银导电胶银的电阻率低，氧化缓慢且其氧化物也具有导电性，这使得银成为最广泛使用的导电胶粘剂填料之一。其缺点是银价格高，在直流电场和湿气条件下存在银迁移现象。
(2)铜导电胶铜的体积电阻率与银相近，其价格仅是银价格的1/20，是导电胶的理想的寻电填料。但铜化学性质比银活泼易氧化。目前使用酚醛类树脂和胺类耦合剂，加还原剂还原氧化铜，或者对铜进行表面处理，如镀银使铜表面磷化形成络合物，使铜氧化问题得到一定缓解。
(3)金导电胶在通常环境中基本没有迁移现象，可以在苛刻的环境中工作，所以对可靠性要求高而芯片尺寸小的电路，金导电胶就成了必要的材料。其缺点是价格高、固化温度较高。
(4)石墨导电胶鳞片状石墨具有较好的导电性能，通常要和炭黑混合使用，性能比较稳定，有一定的耐酸碱能力，价格低廉，相对密度小。其缺点是电阻率较高，一般只能用于中阻值浆料。
(5)碳纳米管导电胶碳纳米管作为导电胶的导电填料，有很强的力学性能，可以大大增加导电胶的拉伸强度，并且由于纳米碳管的管状轴承效应和自润滑效应有着很强的耐摩擦性能、耐酸碱性和耐腐蚀性，大大提高了纳米碳管导电胶的使用寿命和抗老化性。
(6)复合导电胶采用多种导电材料的复合导电胶，可以发挥多种材料的综合优势，例如银一铜一石墨一镍等混合金属一非金属材料的复合导电胶粘，铜能够很好地分散在金和镍的表面，镍层能够存在于金和铜之间形成一个阻挡层防止铜进一步分散。当导电填料的
比例达到最佳比例时，导电胶电阻小、固化热容虽小，同时达到较高稳定性。
5．导电胶在倒装芯片互连中的应用
倒装芯片互连可以采用导电胶和回流焊两种工艺，其中导电胶互连是一种工艺简单的低成本方案，可用于一般要求的产品制造中。
图6.5.3和图6.5.4分别为各向异性导电胶和各向同性导电胶连接示意图。从工艺上说,各向异性导电胶相当于同时完成了连接和黏结（通常称为底部填充，为了增强连接可靠性）；而各向同性导电胶连接只完成了连接。 M2764A-2F1
作为一种电气互连技术，导电胶连接以其独到的优势获得业界青睐，成为无铅连接技术中最有发展前景的技术之一。
与传统软钎焊相比，导电胶连接具有以下特点：
(1)导电胶中不含铅或其他有毒金属，不需焊前及焊后清洗，无残余物，符合环保需求；
(2)导电胶固化温度低（室温～150℃）且具有柔顺性，可用作挠性线路板、不可焊线路板（玻璃或陶瓷线路板）和温度敏感元件的互连材料，在连接后修补方面也独具优势。在某些特殊应用领域，导电胶连接是唯一可行的互连方法；
(3)导电胶线分辨率高，适用于更精细的引线间距和高密度组装，而且连接材料自身密度小，相同应用条件下需要量少（约为其他类型微电子互连材料的一半），符合微电子产品微型化、薄型化和轻量化的发展要求；
(4)导电胶连接工艺简单，技术难度低，制造成本低。
除了导电与导热性外，导电胶连接与焊接的其他性能已经可以相比，部分性能特别是环境影响已经超过焊接。
2．导电胶的导电机理
(1)接触效应通过导电填料间的相互接触形成链状导电通路，从而获得导电性。据此，采用导电性能良好的导电填料、降低导电粒子表面的电阻、增加内压促进导电粒子的接触，都可以提高其导电性。
(2)隧道效应 除一部分导电粒子直接接触形成导电，没有直接接触的导电粒子在肢中以孤立体或小团聚体的形式存在，不参与导电。但在电场作用下，相距很近的粒子上的电子还可通过导体之间的电子跃迁产生传导。特别是当导电粒子间的体积分数达到一个临界值时，由隧道效应引起的电荷转移会急剧增大，同时借助热振动跃过势垒形成较大的隧道电流，从而使导电性能增强，如图6.5.1所示。
3．导电胶的分类
导电胶种类繁多，根据导电机理可以将导电胶分为各向同性和各向异性两大类。
(1)各向异性导电胶(anisotropic conductive adhesives，ACA)指胶体在XY方向是绝缘的，而在Z方向上是导电的。各向异性导电胶中导电粒子的浓度低（占5%～20%体积分数），不能在Xy方向靠导电粒子接触而形成导电通道；在Z方向，固化的同时对焊盘施加压力，促使在这一方向形成导电通道，从而实现Z向的导电性：这种胶对工艺和设备的要求较高，使用受到了限制。
(2)各向同性导电胶(isotropic conductive adhesives，ICA)指各个方向有相同导电性能的导电胶，又称为“高分子钎料”，由高分子树脂胶和导电填充物构成。由于导电填充物较多，依靠导电颖粒接触而实现导电性。随着导电填充物比例增加，导电胶的电阻逐步降低，当达到一个临界值时，导电胶的电阻急剧降低，使胶体变成导体。图6.5.2所示为两类导电胶连接原理示意图。
此外，导电胶根据不同的标准，还有多种分类：
(1)根据导电粒子种类不同，可分为银系、金系、铜系和碳系导电胶等，其中应用最广的是银系导电胶；
(2)根据固化条件不同，可分为热固化型、常温固化型、高温烧结型、光固化型和电子束固化型导电胶等；
(3)根据粘料的类型，又可将导电胶分为无机导电胶和有机导电胶；
(4)根据是否添加导电粒子可分为有导电粒子胶和无导电粒子胶；其中无导电粒子胶由不含导电粒子的有机导电聚合物组成。这种导电胶填充在两块连接材料之间，在热和压力的作用下，接触处产生许多小的缝隙连接，两个被粘面的距离由表面的粗糙程度决定。如果使这两个接触面产生一定数量的接触点，就可以形成回路使电流通过。
4．常用导电胶
(1)银导电胶银的电阻率低，氧化缓慢且其氧化物也具有导电性，这使得银成为最广泛使用的导电胶粘剂填料之一。其缺点是银价格高，在直流电场和湿气条件下存在银迁移现象。
(2)铜导电胶铜的体积电阻率与银相近，其价格仅是银价格的1/20，是导电胶的理想的寻电填料。但铜化学性质比银活泼易氧化。目前使用酚醛类树脂和胺类耦合剂，加还原剂还原氧化铜，或者对铜进行表面处理，如镀银使铜表面磷化形成络合物，使铜氧化问题得到一定缓解。
(3)金导电胶在通常环境中基本没有迁移现象，可以在苛刻的环境中工作，所以对可靠性要求高而芯片尺寸小的电路，金导电胶就成了必要的材料。其缺点是价格高、固化温度较高。
(4)石墨导电胶鳞片状石墨具有较好的导电性能，通常要和炭黑混合使用，性能比较稳定，有一定的耐酸碱能力，价格低廉，相对密度小。其缺点是电阻率较高，一般只能用于中阻值浆料。
(5)碳纳米管导电胶碳纳米管作为导电胶的导电填料，有很强的力学性能，可以大大增加导电胶的拉伸强度，并且由于纳米碳管的管状轴承效应和自润滑效应有着很强的耐摩擦性能、耐酸碱性和耐腐蚀性，大大提高了纳米碳管导电胶的使用寿命和抗老化性。
(6)复合导电胶采用多种导电材料的复合导电胶，可以发挥多种材料的综合优势，例如银一铜一石墨一镍等混合金属一非金属材料的复合导电胶粘，铜能够很好地分散在金和镍的表面，镍层能够存在于金和铜之间形成一个阻挡层防止铜进一步分散。当导电填料的
比例达到最佳比例时，导电胶电阻小、固化热容虽小，同时达到较高稳定性。
5．导电胶在倒装芯片互连中的应用
倒装芯片互连可以采用导电胶和回流焊两种工艺，其中导电胶互连是一种工艺简单的低成本方案，可用于一般要求的产品制造中。
图6.5.3和图6.5.4分别为各向异性导电胶和各向同性导电胶连接示意图。从工艺上说,各向异性导电胶相当于同时完成了连接和黏结（通常称为底部填充，为了增强连接可靠性）；而各向同性导电胶连接只完成了连接。 M2764A-2F1
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