电子封装用导电胶的研究进展与应用

1、电子封装用导电胶的研究进展与应用摘要：随着微电子工业的发展，导电胶替代传统的锡铅焊料已经成为一种发展趋势。本文介绍了导电胶的组成和分类、导电机理及国内外导电胶的研究现状和发展方向。着重介绍了各向异性导电胶(ACAs)的研究现状和未来的发展。关键词：各向异性导电胶；电子组装；研究发展。The Recent Development and Application of Anisotropic Conductive Adhesives for Eletronic PackagingAbstract: As the development of electronic industry,conducti

2、ve adhesives have been a good alternative available to replace traditional Pb/Sn solder. This paper introduces the ingredients and classification of conductive adhesives, as well as the electric conduction mechanism and the recent research progress and development. This paper highlights the recent r

3、esearch progress and future development.Keywords:ACAs, Electronic Packaging, Research Progress.1 引言随着科技发展，电子产业突飞猛进，但是它给人带来便利的同时也给人带来了危害。如许多电子电气产品中铅、镉、汞、六价铬、聚溴联苯(PBB)和聚溴二苯醚(PBDE)等是多种有毒有害物质。其中作为焊接用的锡铅焊料就是污染源之一。19861990 年, 美国通过了一系列法律禁止铅的应用, 瑞典政府提议在2001 年禁止在电路板上使用含铅焊膏, 日本规定2001年限制使用铅。1欧盟 1998年 4月提出的WEEE

4、 /Ro HS指令,已于 2003年 2月 13日生效。该指令要求进入欧盟的电子、 电气产品须满足以下要求：(1)有毒有害物质, 包括铅、 镉和汞等,含量不能超过法律规定值; (2)废弃物的处理要符合法律规定,否则不能进入欧盟市场。2,3此外，随着电子产品向小型化、便携化方向发展。器件集成度的不断提高，传统的Pb/Sn焊料存在一系列材料及工艺问题，已经不能满足工艺要求，迫切需要开发新型连接材料。目前，各国都在抓紧研究Pb/Sn合金焊料的替代品。其中，在微电子组装领域，导电胶膜是代替传统的Pb/Sn焊料的选择之一。与传统的Ph/Sn焊料相比，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

5、简单，易于操作，可提高生产效率，同时也避免了锡铅焊料中重金属铅引起的环境污染。2 导电胶的组成导电胶一般由预聚体、稀释剂、交联剂、催化剂、导电填料以及其他添加剂组成。其中预聚体作为主要组分含有活性基团，为固化后的聚合物基体提供分子骨架。预聚体也是粘结强度的主要来源。导电胶的力学性能和粘结性能主要是由聚合物基体决定。稀释剂的作用是用来调节体系粘度，使之适合工艺要求。稀释剂一般分为2类：一类不参与交联反应，仅仅起调节作用，固化前需要去除；另一类含有活性端基，可以参加交联反应，固化前不需去除，固化后成为体系的一部分。交联剂是多官能团化合物，可以连接预聚体，形成网络结构，也是固化后体系的一部分。预聚体

6、、稀释剂以及交联剂是构成固化体系的主要成分。催化剂可以提高固化速度，降低固化温度。为提高固化后导电胶的强度和韧性，有时还需要添加一定的增强剂和增韧剂。导电填料有碳、金属、金属氧化物3大类，常以球形、片状或纤维状分散于基体中构成导电通路。导电填料的力度和形状对导电胶的导电性能有直接影响，粒度大的填料导电效果好，但连接强度降低；不定形的填料导电性能和连接强度优于球形的，但各向异性导电胶只能用粒度分布较窄的球形填料。3 导电胶的分类导电胶种类很多, 按基体组成可分为结构型和填充型两大类。结构型是指作为导电胶基体的高分子材料本身即具有导电性的导电胶；填充型是指通常胶粘剂作为基体，而依靠添加导电性填料使

7、胶液具有导电作用的导电胶。按组份分类，导电胶可分为单组份导电胶与双组份导电胶。其中，双组份导电胶中，由于预聚体和交联剂反应活性较高，因此要将组成成分中预聚体与交联剂分开存放，使用时现混现用，其他成分按照反应性活等因素分配。而单组份导电胶中含有各种成分，可以直接使用。所以单组份导电胶需要低温储存，而双组份导电胶可以在室温下存放。按照固化体系分，导电胶一般分为室温固化导电胶、中温固化导电胶、高温固化导电胶以及紫外光固化导电胶。其中，室温固化导电胶比较不稳定，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

8、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。而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。在填充型导电胶中添加的导电性填料，通常均为金属粉末。由于采用的金属粉末的种类、粒度、结构、用量的不同，以及所采用的胶粘剂基体种类的不同，导电胶的种类及其性能也有很大区别。按导电粒子的不同, 导电胶可分为金、银、铜、碳系导电胶。金价格昂贵，一般只用在高精端领域，例如航天产业；而银系导电胶的中，银离子会产生迁移，容易造成导电胶不稳定；铜系导电胶是目前

9、为止运用最广泛，最稳定的一种，铜的价格低廉，导电性能仅仅略低于银粉；碳黑、石墨等由于存在性能或使用上的问题而不宜使用。4而最为广泛的分类还是按导电方向来分，可分为各向同性导电胶(ICAs，Isotropic Conductive Adhesives)和各向异性导电胶(ACAs，Anisotropic Conductive Adhesives)。ICA中电流传导没有固定的方向，而ACA粘接时只能在较薄的Z轴方向实现电传导在 X-Y平面中由于填料颗粒之间无法相互接触而不能实现电传导。5 ICA与ACA之间这种导电性质的差异可以通过渗流理论来加以解释。6渗流理论中假设一种渗透物要通过渗透或扩散才能到

10、达某一媒介的另一端当媒介的密度达到临界值时渗透物从媒介一端到达另一端的渗透速率会突然增加。如图1所示。7 在电子器件的制造和装配中，采用各向同性导电胶连接易产生短路，而选用各向异性导电胶则不会，从而保证了器件质量并提高产品合格率，因此各向异性导电胶应用更为广泛。图1：导电粒子填充量与导电能力之间关系的渗流理论解释图2：导电胶用于倒装芯片互连中互连结构示意图4 导电胶的导电机理导电胶的导电性通常认为是通过两种形式实现的：(1)通过导电填料间的直接接触产生传导；(2)通过导体之间的电子跃迁，即隧道效应，产生传导。而对于各向异性导电胶，目前，导电机理概括起来有3种：(1)导电通道学说：导电粒子相互连

11、接成链，电子通过链移动而导电；(2)隧道效应学说：除了粒子之间的接触，电子也可在导电粒子间迁移而导电；(3)电场发射学说：由于导电粒子之间的高强电场，产生发射电流而导电。导电通道学说主要用来解释电阻率与填料浓度的关系，它并不涉及导电的本质，只是从宏观上解释导电胶的导电现象；隧道效应理论是应用量子力学来研究导电胶与导电粒子间隙的关系，它与导电填料的浓度及导电胶使用温度有直接的关系；而电场发射理论只是隧道效应导电机理中一种比较特殊的情况。85 导电胶的应用与局限性导电胶在用于微电子封装时，由于其本身力学性能和电学性能的差异，所以选择性地进行了应用。ICA 因具有较高的导电颗粒填充量，故主要用于裸片

12、或芯片的贴装技术中; 倒装芯片封装技术(Flip Chip)中所用的导电胶既有 ICA, 又有ACA，其中ACA的优势非常明显，特别是在平板显示器(FPD)和液晶显示器(LCD)的封装过程中更是如此。另外，ACF在LCD平板、印制线路板( PWB) 、玻璃衬底芯片(COG)和柔性芯片(COF)的载带封装(TCP) 中具有重要作用, 并已用于微细间距器件的生产。911图2为两种导电胶用于倒装芯片互连中互连结构的示意图。导电胶的应用也存在一些限制和不足之处，如有限的抗冲击性、接触电阻的不稳定性和界面的分层失效等导电胶连接的可靠性问题变得越来越突出12；另外，不同气候环境下胶体及连接接头力学性能的下

13、降等都对导电胶的应用产生很大的障碍13。所以，深入研究微电子封装中导电胶粘接的可靠性是至关重要的。6 导电胶互连可靠性研究6.1 失效模式一般来说，多失效模式是胶粘接复合结构的一个重要特征。基于前人的研究工作14，胶粘接结构的失效模式可以分为三种: (1)胶粘接失效，也称准界面失效，如图3(a)所示。该失效模式是指界面粘接强度较低，粘接剂在被粘物表面处发生脱落；(2)粘结剂的失效, 如图3(b)所示，由于粘接剂本体强度低于界面粘接强度，从而发生粘结剂内部的断裂失效；(3)复合失效模式，如图3(c)所示，兼有胶粘接失效和粘结剂失效两种模式。图3：胶粘结结构的失效形式导电胶互连方式的失效主要是以上

14、述三种失效模式体现的。Lin 等15采用扫描电子显微镜对湿热老化(85/85%RH)后的COG试样的剪切断面进行观察发现：未经过湿热老化处理的试样其断裂面表现出一定的延性，部分胶体被拉伸后才断裂，此时应该属于胶膜内部的断裂，也即粘结剂的失效。随着湿热老化试验的进行，导电胶膜的连接逐渐失去延性，以界面裂纹高速扩展的脆断为主要的失效模式，通常称之为粘接界面的断裂失效（简称胶粘接失效）。考虑到导电胶粘接结构的失效模式，对导电胶本体的力学性能和界面粘接可靠性展开研究是非常重要的。6.2 影响因素外力载荷、温度和湿度等环境因素，以及各组件性能对导电胶粘接部件电性能和粘接强度的影响，是其粘接可靠性的主要方

15、面，故许多学者对此展开了研究。(1)外力载荷对导电胶粘接可靠性的影响：电子器件在元件安装处理的整个生产过程中，不可避免地受到振动等强烈的力学冲击，因此研究冲击载荷对导电胶粘接可靠性的影响引起了广泛的关注。ASTM D950-1994中给出了冲击实验的规范。16 具体试验规范请参考相关文献。(2)环境载荷对导电胶粘接可靠性的影响：由于外界环境的干扰，导电胶互连器件的接触电阻不稳定和粘接强度下降是影响导电胶互连可靠性并引起广泛关注的可靠性问题之一。研究表明，温度循环载荷、热冲击、高温以及高温高湿等环境均会影响导电胶互连器件的可靠性。(3)组件单元性能对导电胶连接可靠性的影响：对于导电胶互连器件来说

16、，其各组成单元的性能对器件的可靠性也有一定的影响。导电胶的弹性模量越低，芯片和基板由于热膨胀系数的不匹配产生的剪切残余应力越小，但导电胶的弹性模量太小会引起其玻璃化转变温度Tg降低，而且也会引起导电胶强度的下降，所以导电胶的弹性模量是可靠性的一项重要参数17。导电胶中导电粒子数量增加，胶膜的玻璃化转变温度Tg和储能模量都增加，而其互连器件的接触电阻减小，但粒子数增加到一定程度时接触电阻趋于稳定，所以在不影响导电胶黏度和粘接强度的情况下，应尽量增加导电粒子的数量18。7各向异性导电胶膜各向异性导电胶膜(Anisotropic Conductive Film)是由导电粒子、胶粘剂、添加剂组成的，具

17、有导电性、粘结性和绝缘性的电子、电气各向异性高分子薄膜（如图4所示）。其中导电粒子赋予各向异性导电胶膜以导电性能。胶粘剂赋予各向异性导电胶膜以连接性能（粘结性和绝缘性）。无序ACF是目前的主流产品，但由于其导电粒子的无序性，对产品互连的性能有很大的影响，以发生导电粒子桥联、导电粒子空缺等缺陷。如图5所示。而有序ACF可以很好的解决以上问题，有序ACF通过控制导电粒子得排列，是粒子之间间距一致（如图6所示），并且可以控制导电粒子的密度，提高了产品的连接性能。图4：各向异性导电胶膜的组成示意图图5：无序ACF常见缺陷图6：有序ACF导电粒子排列示意图8 导电胶的研究方向目前的研究主要集中在对其基本

18、性能（如粘结强度、耐环境性）和特殊性能（如低吸湿性、低应力）的提高。研究导电粒子的组成和结构粘结剂的组成固化工艺等对各向异性导电胶膜性能的影响等方面。综合起来主要表现在以下几个方面19：(1)新体系的开发。现在使用的导电胶膜大部分都是环氧树脂体系，环氧树脂存在固化温度高、吸湿性强等缺点，粘接强度相对PbSn体系偏低，还不能完全满足电子工业的要求，因此新体系的开发，特别是自由基聚合树脂型各向异性导电胶膜的研究必将使其在电子工业上得到更广泛应用。(2)固化技术的研究。低温甚至室温连接是未来连接材料的发展趋势，目前固化技术主要是热固化，固化温度一般在130-150固化时间30min以上。限制了其在高

19、分子基板、液晶显示和电致发光技术上的应用。紫外光固化是近年来兴起的一种新的固化技术，该技术具有固化温度低、固化速度快、使用工艺简单，特别适用于高温敏感的液晶显示、电致发光技术中ITO玻璃与激励电路的连接。(3)导电粒子分散技术的研究。导电粒子的分散好坏直接影响着其应用，导电粒子分散理论的研究和导电粒子在基体表面修饰改性技术的应用，必将极大地推进各向异性导电胶膜在工业上的应用。随着微电子封装技术的发展，各向异性导电胶膜作为无铅连接材料的一种，广泛应用于电子产品及其固化动力学的研究。9 结束语电子封装的发展主要可以概括为集成化、小型化、环保化。在器件封装方面，各向异性导电胶将是发展前景最佳的封装技

20、术。随着其工艺的进一步成熟，必将作为一种基本的主流封装技术渗透于各种不同的封装形式中。通过加强电子封装领域的研究开发，增强科研机构与企业间的交流协作，必将极大地推动我国封装技术的发展。致谢在本文完成的过程中，笔者得到了多方面的帮助和支持，在此表示衷心的感谢。参考文献1熊胜虎,黄卓,田民波. 电子封装无铅化趋势及瓶颈J. 电子元件与材料,2004.2Lu D, Wong C P. Novel conductive adhesives with stable joint resistance for surface mount applicationsA.I MAPS/IEEE proceedin

21、gs of the fifth International Symposium on Advanced Packaging MaterialsC. Braselton GA, 1999.3Smell D J, Biocca P. Lead free solder vs conductive adhesivesJ. Adv Package, 2000.4雷芝红,贺英,高利聪. 微电子封装用导电胶的研究进展A. 微电子器件与技术,2007.5MIR I，KUMAR D. Recent advances in isotropic conductive adhesives for electronic

22、s packaging applications J.International Journal ofAdhesion&Adhesives，2008.6LI Y，WONG C P. Recent advances of conduc tive adhesives as a lead-free alternative in electronic packaging：Materials，processing，reliability and applicationsJ. Materials Science and Engineering，2006.7LIONG S WONG C P BURG

23、OYNE JR W F. Adhesion improvement of thermoplastic isotropically conductive adhesiveJ. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies 2005.8曾黎明功能复合材料及其应用M北京：化学工业出版社，20069Nishida H , Sakamoto K, Og awa H . Micr opitch connection using aniso tro pic conductive materia is for driver IC atta

24、chment t o a liquid cr ystal display J .IBM Journal o f Resear ch and Development, 1998.10Williams D J, Whalley D C, Boy le O A, Og unjimi A O. Anisotr opic conducting adhesives for electr onic interconnection J . Soldering & Surface Mount Technology, 1993.11Liu J, To lvg ard A, Malmo din J, Lai

25、 Z. A reliable and env iro nmentally friendly packag ing technology flip chip joining using aniso tro pically conductive adhesive J . IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 1999.12Zwo linski M, H ickman J, et al. Electr ically conductive adhesives for sur face mount solder repla

26、cement J . IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technologies, Part C, 1996.13Liu J, Gustafsson K, Lai Z, Li C. Surface characteristics reliability and failure mechanisms of tin/ lead,copper and gold metallizations J . IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technologies, 1997.14D