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如果你想了解导电胶,请看完这篇文章

2017/7/18 10:43:53 分类:常见问题

如果你想了解导电胶,请看完这篇文章

    导电胶是一种同时具备导电性能和粘结性能的胶黏剂,它可以将多种导电材料连接在一起,使被连接材料间形成导电通路。它是通过将导电填料填充在有机聚合物基体中,从而使其具有与金属相近的导电性能。与普通导电聚合物不同的是,导电胶要求体系在储存条件下具有流动性,通过加热或其他方式可以发生固化,从而形成具有一定强度的连接。


一、导电胶的组成

导电胶的组成导电胶一般是由基体和导电填料两部分组成,

(1)导电胶的基体

基体包括预聚体、固化剂(交联剂)、稀释剂及其他添加剂(增塑剂、偶联剂、消泡剂等)。

预聚体是导电胶的主要组分之一,它含有活性基团,加入固化剂后可以进行固化。预聚体固化后形成了导电胶的分子骨架,同时提供了粘接性能和力学性能的保障,并能使导电填料粒子形成通道。常用的聚合物基体包括环氧树脂、酚醛类树脂、聚酸亚胺、聚氨酷等。与其他树脂相比,环氧树脂具有稳定性好、耐腐蚀、收缩率低、粘接强度高、粘接面广以及加工性好等优点,因此,环氧树脂是目前研究最多、使用最广的基体材料。但是环氧树脂具有吸湿性,且耐热性较差,所以对环氧树脂进行改性,通过对环氧树脂主涟结构和取代基进行调整,得到综合性能更高的改性树脂的研究正在开发中。

固化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。

稀释剂是导电胶的另一个重要组分。它可以调节体系的粘度,使导电粒子能较好的分散在基体树脂中,同时在导电粒子和胶层及被粘接电子元器件间形成了良好的导电接触。稀释剂分为活性稀释剂和非活性稀释剂两类,其中活性稀释剂含有活性端基,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;非活性稀释剂不参与交联,仅起调节作用,固化前需要除去。

预聚体、交联剂和稀释剂是固化过程中体积变化的主要影响因素。为了提高导电胶的性能,有时还需加入偶联剂、增塑剂、消泡剂等各种添加剂。

偶联剂可改善导电填料在树脂基体中的分散性,同时还能改善导电胶的表面性能,增加界面的粘附性能。加入增塑剂可以提高胶层的柔韧性和粘接强度。消泡剂在导电胶的制备过程中,可降低表面张力,消除物料混合过程中产生的泡沫。

(2)导电填料

导电填料主要是通常有碳、金属、金属氧化物三大类。碳类材料中的炭黑的导电性很好,但存在加工困难的问题;石墨很难粉碎和分散,且导电性随产地等变化较大。碳类填料一般选用炭黑和石墨的混合粉末。金属氧化物导电性普遍较差。常用的填料多为Au、Ag、Cu、Ni等电阻率较低的金属粉末。

Au粉具有优异的导电性和化学稳定性,是最理想的导电填料,但价格昂贵,一般只在要求较高的情况下使用。Ag粉价格相对较低,导电性较好,且在空气中不易氧化,但在潮湿的环境下会发生电迁移现象,使得导电胶的导电性能下降。Cu粉和Ni粉具有较好的导电性,成本低,但在空气中容易氧化,使得导电性变差。因此,导电填料一般选用Ag或cu。

导电填料的粒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优于小的,但同时会带来连接强度的降低。不定形(片状或纤维状)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。不同粒度和形状的填料配合使用可以得到较好的导电性能和连接强度。

二、导电胶的优点

导电胶的产生背景随着科技的进步,电子元件不断向微型化的方向发展,器件集成度不断提高,要求连接材料具有很高的线分辨率,传统的连接材料Pb /Sn焊料只能应用在0 . 65mm以下节距的连接, 无法满足工艺需要;连接工艺中温度高于230℃产生的热应力也会损伤器件和基板,此外,Pb /Sn焊料中的铅为有毒物质。人们迫切需要新型无铅连接材料。

导电胶作为一种Pb/Sn焊料的替代品应运而生。与Pb /Sn焊料相比,它具有五大优点:

(1)线分辨率大大提高,能适应更高的I/O密度;

(2)涂膜工艺简单,连接步骤少;

(3)固化温度低,减少能耗,避免基材损伤,可应用在对温度敏感的材料或无法焊接的材料上。

(4)热机械性能好,韧性比合金焊料好,接点抗疲劳性高;

(5)与大部分材料润湿良好。

三、导电胶的分类

(1)按基体可分为热塑性导电胶和热固性导电胶。热塑性导电胶的基体树脂分子链很长,且支链少,在高温下固化时流动性较好,可重复使用。而热固性导电胶的基体材料最初是单体或预聚合物,在固化过程中发生聚合反应,高分子链连接形成交联的三维网状结构,高温下不易流动。

(2)按导电机理分为本征导电胶和复合导电胶。本征导电胶是指分子结构本身具有导电功能的共扼聚合物,这类材料电阻率较高,导电稳定性及重复性较差,成本也较高,故很少研究。复合导电胶是指在有机聚合物基体中添加导电填料,从而使其具有与金属相近的导电性能,目前的研究主要集中在这一块。

(3)按导电方向分为各向同性(ICAs)和各向异性(ACAs)两大类。前者在各个方向有相同的导电性能;后者在XY方向是绝缘的,而在Z方向上是导电的。通过选择不同形状和添加量的填料,可以分别做成各向同性或各向异性导电胶。两种导电胶各有所长,目前的研究主要集中在后者。

(4)按照固化体系的不同,导电胶可分为室温固化导电胶、中温固化导电胶、高温固化导电胶和紫外光固化导电胶等。室温固化需要的时间太长,一般需要数小时到几天,且室温储存时体积电阻率容易发生变化,因此工业上较少使用。中温固化导电胶力学性能优异,且固化温度一般低于150℃,此温度范围能较好地匹配电子元器件的使用温度和耐温能力,因此是目前应用较多的导电胶。高温固化导电胶高温固化时,金属粒子容易被氧化,固化速度快,导电胶使用时要求固化时间须较短,因此也使用较少。紫外光固化导电胶主要是依靠紫外光的照射引起树脂基体发生固化反应,固化速度较快,树脂基体在避光的条件下可以保存较长时间,是一种新型的固化方式。这种新型的固化方式将紫外光固化技术和一导电胶结合起来,赋予了导电胶新的性能。目前这方面的研究也是人们关注的热点。

(5)按导电粒子分类的导电胶又可以分为金导电胶、银导电胶、铜导电胶、碳类导电胶、纳米碳管导电胶等。

四、影响导电胶性能的因素

(1)导电粒子

导电粒子是导电胶中导电性的来源,不同导电粒子的各参数不同,添加人导电胶后其导电性和胶体的其他性能也有所不同。自身导电性高、粒子间排列较集中、表面处理较好的导电粒子其导电性也高,对胶体的聚合固化行为也更敏感。导电粒子粒径不但对导电胶的形貌有影响,同样对粘接性能也有一定的影响,粒径较小的在基体树脂中分散较均匀、固化后较致密,粘接力学性能也较好。主要影响因素为导电粒子的形貌和粒径尺寸及导电粒子的用量。

(2)树脂体系和固化工艺

树脂体系作为导电胶力学性能和粘接性能的主要来源,其选择很重要。根据不同力学性能和用途的需要选择不同的树脂体系。常用的树脂体系为环氧树脂,其粘接性好,粘度低,固化温度适中,适合导电胶的制备,一般用于常温固化或中温固化导电胶中。根据电子元器件的要求,需要高温固化时,可以使用聚酞亚胺树脂作为基体树脂或是在传统环氧树脂中加人耐高温物质如双马来酞亚胺树脂提高耐热性。用于光敏固化的导电胶的树脂体系选择丙烯酸环氧类光敏物质。

固化工艺对导电胶的导电性有一定的影响。加热固化时,应尽量缩短凝胶点以前的时间,因为凝胶时间长,会导致胶黏剂对导电粒子表面进行充分的包覆,降低导电性,所以加热固化时一般都是直接置于固化温度下固化,以减少润湿包覆带来的不利影响。固化温度和时间不但影响导电胶的导电性,对其力学性能也有很大影响。对于室温固化铜粉导电胶,延长固化时间会使剪切强度下降了,中高温固化导电胶延长固化时间会提高力学性能。

(3)稀释剂(溶剂)的影响

稀释剂在导电胶中起着重要的作用。它能降低体系粘度,使导电粒子能较好的分散在基体树脂中,同时在导电粒子和胶层及被粘接电子元器件间形成良好的导电接触。用于导电胶的稀释剂有活性稀释剂和非活性稀释剂两种。非活性稀释剂一般选用高极性的溶剂如醇类、醚类、酯类等。高极性的溶剂因为可以在胶层表面充当抵抗腐蚀的介质所以会提高导电胶的抗湿热性。非活性稀释的用量在0.1%~20%,随着用量的增加可以提高导电性能,但同时也会降低力学性能。活性稀释剂主要添加到树脂中,作为一种反应物,降低体系的黏度。这类物质加人后在降低体系黏度的同时也会损失耐热性,所以用量要控制在合理的范围。在实际使用中,可以混合使用活性稀释剂和非活性稀释剂,以达到最好的稀释效果。

(4)其他添加剂的影响

其他添加剂主要是根据导电胶的需要,加人一些物质来提高导电胶的性能。一般导电胶中都加人偶联剂来降低金属颗粒和胶层之间的界面表面能,如硅烷类偶联剂、钛酸盐偶联剂等。

七、导电胶的研究状况

随着导电胶导电机理的日益完善,目前对于导电胶的研究主要集中在高性能导电胶制备上,主要包括下面几个方向

(1)纳米导电粒子的研究

目前广泛应用于导电胶中的导电填料一般为C、Au、Ag、Cu和Ni等。Au的导电性能较好,并且性能稳定,但其价格较高。Ag的价格比Au低,但在电场作用下会产生迁移等现象,从而降低了导电性能和使用寿命。Cu、Ni价格低廉,在电场作用下不会产生迁移,但温度升高时会发生氧化反应,导致电阻率增加。碳粉在长时间高温条件下使用时容易形成碳化物,致使电阻变大,导电性能下降,并且其受环境影响较大,纳米碳管具有较强的力学性能,将其作为导电填料,可以明显增加导电胶的拉伸强度(1700 MPa),另外,纳米碳管的管状轴承效应和自润滑效应,使其具有较高的耐摩擦性,耐酸碱性和耐腐蚀性能,从而提高了含纳米碳管导电胶的使用寿命和抗老化性能。

冯永成制备了导电性能极好的双组分纳米银/碳复合管导电胶,研究结果表明,该导电胶的体积电阻率低于10-3m,剪切强度高于150 MPa剥离强度高于35N/cm与传统导电银粉胶粘剂相比,该导电胶可节省银原料30%~50%。

吴海平等制备了以碳纳米管和镀银碳纳米管为导电填料的各向同性导电胶(ICA)。

研究结果表明,以碳纳米管作为导电填料,当Φ(碳纳米管)=34%时导电胶的最低电阻率为2.4*10-3Ω·cm,当Φ(碳纳米管)=23%时导电胶的剪切性能最好;以镀银碳纳米管为导电填料,当Φ(碳纳米管)=28%时导电胶的最低电阻率为2.2 * 10-4Ω·cm;当导电胶中分别填充碳纳米管和镀银碳纳米管时,导电胶的抗老化性能均较好,在85 ℃/RH85%环境中经过 1 000 h老化测试后,导电胶的体积电阻率和剪切强度的变化率均低于10%。

(2)复合导电胶

复合型导电高分子材料已发展成为一种新型的功能性材料,在抗静电、电磁屏蔽、导电 自动控制和正温度系数材料等方面具有广阔的应用前景,其市场需求量不断增大。

雷芝红等采用无钯活化工艺在环氧树脂(EP)粉末上形成活性点,利用化学镀法成功制备出新型外镀银铜/EP复合导电粒子,其电阻率为4.5*10-3Ω·cm,可以作为各向异性导电胶的导电填料(代替纯金属导电填料)。

Eom等制备出一种新型低熔点各向异性导电胶。研究结果表明:该导电胶的电阻低于10 mΩ,而传统导电胶的电阻则低于1000 mΩ;该导电胶可以在电流密度为10000 A/cm2的条件下使用;高压蒸煮试验前后,导电胶的电阻和电流密度均没有发生变化,而剪切强度的变化率为23%。

(3)紫外光固化导电胶

紫外光(UV)固化导电胶是近年来开发的新品种。与普通导电胶相比,其将紫外光固化技术与导电胶结合起来,赋予了导电胶新的功能,并扩大了导电胶的应用范围。该导电胶具有固化温度低,固化速率快和使用设备简单等特点,由于其不含溶剂或者只含少量的惰性稀释剂,故固化时不需要加热,具有环境污染小、能耗低、效率高、收缩率低和化学稳定性好等优点,能够满足精细线路连接自动化流水生产线的生产工艺要求。

常英等采用自制的镀银铜粉制备环氧丙烯酸树脂/镀银铜粉导电胶。研究结果表明:该导电胶的电阻率为2.0*10-4Ω·cm,而聚丙烯酸酯树脂导电胶的电阻率为1*10-4Ω·cm;当 Φ(镀银铜粉)=70%、Φ(光引发剂)=3%和Φ(热引发剂)=1%~2%时,导电胶的性能最好;该导电胶可以在紫外灯照射下固化,并且能够满足电子产品的使用要求。

(4)无导电粒子导电胶

近年来,一种NCA键合技术(无铅无导电颗粒互联技术)深受人们的关注。这种互连方式具有良好的粘接强度和较低的成本,所使用的连接材料是NCA聚合物,通常不填充任何导电填料。这种互连技术在实现连接时,需要在一定的温度条件下,通过向 IC 芯片和基板施加压力才能使 NCA 在芯片粘接部位表面处形成直接的物理连接。该技术省略了胶体中加入导电填料的步骤,去除了填充金属所带来的成本,其连接位置由金属直接接触形成,从而成为一种简单、高效和价廉的互连方式。

无导电粒子导电胶与含导电粒子导电胶相比,具有如下优点:①不必填充导电粒子,价格较低;②可以应用于多种材料;③加工工艺简单;④固化温度较低。近年来,无导电粒子导电胶的发展十分迅速,出现了(类似于各向异性导电胶)Z轴方向上导电的新品种,连接材料中的空隙尺寸达到纳米级尺度。

六、导电胶的应用及问题

导电胶是一种同时具备导电性能和粘接性能的胶粘剂,它可以将多种导电材料连接在一起,使被连接材料间形成电的通路。自1966年问世以来,导电胶已经在电子科技中起到越来越重要的作用。目前,导电胶已广泛应用于印刷线路板组件、发光二极管、液晶显示屏、智能卡、陶瓷电容、集成电路芯片等电子元器件的封装和粘接。

但是,Pb/Sn焊料仍在电子表面封装技术中大量应用,导电胶虽然拥有许多优点,但因其自身存在的亟待解决的问题,仍然不能完全取代Pb /Sn焊料。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。

(4)粘结强度相对较低。在节距小的连接中,粘接强度直接影响元件的抗冲击性能。

(5)成本较高。

七、导电胶的市场状况

目前, 国内生产导电胶的单位主要有金属研究所等,国外企业有TeamChem Company、日本的日立公司、Three-Bond公司、美国Epoxy的公司、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、导电胶水等,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.现今国内的导电胶无论从品种和性能上与国外都有较大差距。

目前国内市场上一些高尖端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.国内的导电胶主要使用在一些中、低档的产品上,这方面的市场主要由金属研究所占有。

TeamChem Company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。

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。



八、总结

目前,我国胶粘剂的生产工艺技术已取得了长足的进步。以辐射法、紫外光固化法和互穿聚合物网络法等为代表的生产技术,在改进产品性能、提高产品质量方面起到了重要作用,并且耐高温导电胶和无机导电胶也有了新的突破。伴随着新技术的应用与推广,新产品也层出不穷。但是,国内外导电胶的性能差距仍较大,主要表现在国内导电胶的综合性能较低,而国外导电胶在电导率、老化频漂稳定性、粘接强度和储存期等方面具有明显的优势。要大幅度提高国产导电胶的综合性能,必须从下列几方面着手。

(1)开发新体系。寻找新的树脂和固化剂及其配方,制备多功能、高性能的导电胶。银系导电胶有银迁移和腐蚀等作用;铜和镍系导电胶易氧化,电导率较低且固化时间相对较长。因此,聚合物的共混、改性以及由此制备的新型导电聚合物,是近几年来的研究重点之一。

(2)开发新型的导电颗粒。制备以纳米颗粒为主的导电填料,以覆镀合金或低共熔合金作为导电填料,并且对导电粒子表面进行活化处理,是制备导电胶的重要条件。

(3)研究新的固化方式.室温固化耐高温粘接材料是未来的发展趋势;虽然目前热固化导电胶体系仍占主导地位,但其固化剂及偶合剂等存在污染环境等问题,因此光固化、电子束固化等技术已在涂料、油墨、光刻胶和医用胶等领域中得到广泛应用;另外,微波固化技术,也取得了阶段性的成果;双重固化体系(UV固化+热固化)的开发,也是未来的发展方向。

看完了这些,你是否对导电胶有所了解呢?
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