導(dǎo)電膠連接
發(fā)布時(shí)間:2011/8/26 10:36:48 訪問次數(shù):3110
作為一種電氣互連技術(shù)，導(dǎo)電膠連接以其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)獲得業(yè)界青睞，成為無鉛連接技術(shù)中最有發(fā)展前景的技術(shù)之一。
與傳統(tǒng)軟釬焊相比，導(dǎo)電膠連接具有以下特點(diǎn)：
(1)導(dǎo)電膠中不含鉛或其他有毒金屬，不需焊前及焊后清洗，無殘余物，符合環(huán)保需求；
(2)導(dǎo)電膠固化溫度低（室溫～150℃）且具有柔順性，可用作撓性線路板、不可焊線路板（玻璃或陶瓷線路板）和溫度敏感元件的互連材料，在連接后修補(bǔ)方面也獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。在某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，導(dǎo)電膠連接是唯一可行的互連方法；
(3)導(dǎo)電膠線分辨率高，適用于更精細(xì)的引線間距和高密度組裝，而且連接材料自身密度小，相同應(yīng)用條件下需要量少（約為其他類型微電子互連材料的一半），符合微電子產(chǎn)品微型化、薄型化和輕量化的發(fā)展要求；
(4)導(dǎo)電膠連接工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)難度低，制造成本低。
除了導(dǎo)電與導(dǎo)熱性外，導(dǎo)電膠連接與焊接的其他性能已經(jīng)可以相比，部分性能特別是環(huán)境影響已經(jīng)超過焊接。
2．導(dǎo)電膠的導(dǎo)電機(jī)理
(1)接觸效應(yīng)通過導(dǎo)電填料間的相互接觸形成鏈狀導(dǎo)電通路，從而獲得導(dǎo)電性。據(jù)此，采用導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)電填料、降低導(dǎo)電粒子表面的電阻、增加內(nèi)壓促進(jìn)導(dǎo)電粒子的接觸，都可以提高其導(dǎo)電性。
(2)隧道效應(yīng) 除一部分導(dǎo)電粒子直接接觸形成導(dǎo)電，沒有直接接觸的導(dǎo)電粒子在肢中以孤立體或小團(tuán)聚體的形式存在，不參與導(dǎo)電。但在電場(chǎng)作用下，相距很近的粒子上的電子還可通過導(dǎo)體之間的電子躍遷產(chǎn)生傳導(dǎo)。特別是當(dāng)導(dǎo)電粒子間的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，由隧道效應(yīng)引起的電荷轉(zhuǎn)移會(huì)急劇增大，同時(shí)借助熱振動(dòng)躍過勢(shì)壘形成較大的隧道電流，從而使導(dǎo)電性能增強(qiáng)，如圖6.5.1所示。
3．導(dǎo)電膠的分類
導(dǎo)電膠種類繁多，根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理可以將導(dǎo)電膠分為各向同性和各向異性兩大類。
(1)各向異性導(dǎo)電膠(anisotropic conductive adhesives，ACA)指膠體在XY方向是絕緣的，而在Z方向上是導(dǎo)電的。各向異性導(dǎo)電膠中導(dǎo)電粒子的濃度低（占5%～20%體積分?jǐn)?shù)），不能在Xy方向靠導(dǎo)電粒子接觸而形成導(dǎo)電通道；在Z方向，固化的同時(shí)對(duì)焊盤施加壓力，促使在這一方向形成導(dǎo)電通道，從而實(shí)現(xiàn)Z向的導(dǎo)電性：這種膠對(duì)工藝和設(shè)備的要求較高，使用受到了限制。
(2)各向同性導(dǎo)電膠(isotropic conductive adhesives，ICA)指各個(gè)方向有相同導(dǎo)電性能的導(dǎo)電膠，又稱為“高分子釬料”，由高分子樹脂膠和導(dǎo)電填充物構(gòu)成。由于導(dǎo)電填充物較多，依靠導(dǎo)電穎粒接觸而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性。隨著導(dǎo)電填充物比例增加，導(dǎo)電膠的電阻逐步降低，當(dāng)達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，導(dǎo)電膠的電阻急劇降低，使膠體變成導(dǎo)體。圖6.5.2所示為兩類導(dǎo)電膠連接原理示意圖。
此外，導(dǎo)電膠根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，還有多種分類：
(1)根據(jù)導(dǎo)電粒子種類不同，可分為銀系、金系、銅系和碳系導(dǎo)電膠等，其中應(yīng)用最廣的是銀系導(dǎo)電膠；
(2)根據(jù)固化條件不同，可分為熱固化型、常溫固化型、高溫?zé)Y(jié)型、光固化型和電子束固化型導(dǎo)電膠等；
(3)根據(jù)粘料的類型，又可將導(dǎo)電膠分為無機(jī)導(dǎo)電膠和有機(jī)導(dǎo)電膠；
(4)根據(jù)是否添加導(dǎo)電粒子可分為有導(dǎo)電粒子膠和無導(dǎo)電粒子膠；其中無導(dǎo)電粒子膠由不含導(dǎo)電粒子的有機(jī)導(dǎo)電聚合物組成。這種導(dǎo)電膠填充在兩塊連接材料之間，在熱和壓力的作用下，接觸處產(chǎn)生許多小的縫隙連接，兩個(gè)被粘面的距離由表面的粗糙程度決定。如果使這兩個(gè)接觸面產(chǎn)生一定數(shù)量的接觸點(diǎn)，就可以形成回路使電流通過。
4．常用導(dǎo)電膠
(1)銀導(dǎo)電膠銀的電阻率低，氧化緩慢且其氧化物也具有導(dǎo)電性，這使得銀成為最廣泛使用的導(dǎo)電膠粘劑填料之一。其缺點(diǎn)是銀價(jià)格高，在直流電場(chǎng)和濕氣條件下存在銀遷移現(xiàn)象。
(2)銅導(dǎo)電膠銅的體積電阻率與銀相近，其價(jià)格僅是銀價(jià)格的1/20，是導(dǎo)電膠的理想的尋電填料。但銅化學(xué)性質(zhì)比銀活潑易氧化。目前使用酚醛類樹脂和胺類耦合劑，加還原劑還原氧化銅，或者對(duì)銅進(jìn)行表面處理，如鍍銀使銅表面磷化形成絡(luò)合物，使銅氧化問題得到一定緩解。
(3)金導(dǎo)電膠在通常環(huán)境中基本沒有遷移現(xiàn)象，可以在苛刻的環(huán)境中工作，所以對(duì)可靠性要求高而芯片尺寸小的電路，金導(dǎo)電膠就成了必要的材料。其缺點(diǎn)是價(jià)格高、固化溫度較高。
(4)石墨導(dǎo)電膠鱗片狀石墨具有較好的導(dǎo)電性能，通常要和炭黑混合使用，性能比較穩(wěn)定，有一定的耐酸堿能力，價(jià)格低廉，相對(duì)密度小。其缺點(diǎn)是電阻率較高，一般只能用于中阻值漿料。
(5)碳納米管導(dǎo)電膠碳納米管作為導(dǎo)電膠的導(dǎo)電填料，有很強(qiáng)的力學(xué)性能，可以大大增加導(dǎo)電膠的拉伸強(qiáng)度，并且由于納米碳管的管狀軸承效應(yīng)和自潤(rùn)滑效應(yīng)有著很強(qiáng)的耐摩擦性能、耐酸堿性和耐腐蝕性，大大提高了納米碳管導(dǎo)電膠的使用壽命和抗老化性。
(6)復(fù)合導(dǎo)電膠采用多種導(dǎo)電材料的復(fù)合導(dǎo)電膠，可以發(fā)揮多種材料的綜合優(yōu)勢(shì)，例如銀一銅一石墨一鎳等混合金屬一非金屬材料的復(fù)合導(dǎo)電膠粘，銅能夠很好地分散在金和鎳的表面，鎳層能夠存在于金和銅之間形成一個(gè)阻擋層防止銅進(jìn)一步分散。當(dāng)導(dǎo)電填料的
比例達(dá)到最佳比例時(shí)，導(dǎo)電膠電阻小、固化熱容雖小，同時(shí)達(dá)到較高穩(wěn)定性。
5．導(dǎo)電膠在倒裝芯片互連中的應(yīng)用
倒裝芯片互連可以采用導(dǎo)電膠和回流焊兩種工藝，其中導(dǎo)電膠互連是一種工藝簡(jiǎn)單的低成本方案，可用于一般要求的產(chǎn)品制造中。
圖6.5.3和圖6.5.4分別為各向異性導(dǎo)電膠和各向同性導(dǎo)電膠連接示意圖。從工藝上說,各向異性導(dǎo)電膠相當(dāng)于同時(shí)完成了連接和黏結(jié)（通常稱為底部填充，為了增強(qiáng)連接可靠性）；而各向同性導(dǎo)電膠連接只完成了連接。 M2764A-2F1
作為一種電氣互連技術(shù)，導(dǎo)電膠連接以其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)獲得業(yè)界青睞，成為無鉛連接技術(shù)中最有發(fā)展前景的技術(shù)之一。
與傳統(tǒng)軟釬焊相比，導(dǎo)電膠連接具有以下特點(diǎn)：
(1)導(dǎo)電膠中不含鉛或其他有毒金屬，不需焊前及焊后清洗，無殘余物，符合環(huán)保需求；
(2)導(dǎo)電膠固化溫度低（室溫～150℃）且具有柔順性，可用作撓性線路板、不可焊線路板（玻璃或陶瓷線路板）和溫度敏感元件的互連材料，在連接后修補(bǔ)方面也獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。在某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，導(dǎo)電膠連接是唯一可行的互連方法；
(3)導(dǎo)電膠線分辨率高，適用于更精細(xì)的引線間距和高密度組裝，而且連接材料自身密度小，相同應(yīng)用條件下需要量少（約為其他類型微電子互連材料的一半），符合微電子產(chǎn)品微型化、薄型化和輕量化的發(fā)展要求；
(4)導(dǎo)電膠連接工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)難度低，制造成本低。
除了導(dǎo)電與導(dǎo)熱性外，導(dǎo)電膠連接與焊接的其他性能已經(jīng)可以相比，部分性能特別是環(huán)境影響已經(jīng)超過焊接。
2．導(dǎo)電膠的導(dǎo)電機(jī)理
(1)接觸效應(yīng)通過導(dǎo)電填料間的相互接觸形成鏈狀導(dǎo)電通路，從而獲得導(dǎo)電性。據(jù)此，采用導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)電填料、降低導(dǎo)電粒子表面的電阻、增加內(nèi)壓促進(jìn)導(dǎo)電粒子的接觸，都可以提高其導(dǎo)電性。
(2)隧道效應(yīng) 除一部分導(dǎo)電粒子直接接觸形成導(dǎo)電，沒有直接接觸的導(dǎo)電粒子在肢中以孤立體或小團(tuán)聚體的形式存在，不參與導(dǎo)電。但在電場(chǎng)作用下，相距很近的粒子上的電子還可通過導(dǎo)體之間的電子躍遷產(chǎn)生傳導(dǎo)。特別是當(dāng)導(dǎo)電粒子間的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，由隧道效應(yīng)引起的電荷轉(zhuǎn)移會(huì)急劇增大，同時(shí)借助熱振動(dòng)躍過勢(shì)壘形成較大的隧道電流，從而使導(dǎo)電性能增強(qiáng)，如圖6.5.1所示。
3．導(dǎo)電膠的分類
導(dǎo)電膠種類繁多，根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理可以將導(dǎo)電膠分為各向同性和各向異性兩大類。
(1)各向異性導(dǎo)電膠(anisotropic conductive adhesives，ACA)指膠體在XY方向是絕緣的，而在Z方向上是導(dǎo)電的。各向異性導(dǎo)電膠中導(dǎo)電粒子的濃度低（占5%～20%體積分?jǐn)?shù)），不能在Xy方向靠導(dǎo)電粒子接觸而形成導(dǎo)電通道；在Z方向，固化的同時(shí)對(duì)焊盤施加壓力，促使在這一方向形成導(dǎo)電通道，從而實(shí)現(xiàn)Z向的導(dǎo)電性：這種膠對(duì)工藝和設(shè)備的要求較高，使用受到了限制。
(2)各向同性導(dǎo)電膠(isotropic conductive adhesives，ICA)指各個(gè)方向有相同導(dǎo)電性能的導(dǎo)電膠，又稱為“高分子釬料”，由高分子樹脂膠和導(dǎo)電填充物構(gòu)成。由于導(dǎo)電填充物較多，依靠導(dǎo)電穎粒接觸而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性。隨著導(dǎo)電填充物比例增加，導(dǎo)電膠的電阻逐步降低，當(dāng)達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，導(dǎo)電膠的電阻急劇降低，使膠體變成導(dǎo)體。圖6.5.2所示為兩類導(dǎo)電膠連接原理示意圖。
此外，導(dǎo)電膠根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，還有多種分類：
(1)根據(jù)導(dǎo)電粒子種類不同，可分為銀系、金系、銅系和碳系導(dǎo)電膠等，其中應(yīng)用最廣的是銀系導(dǎo)電膠；
(2)根據(jù)固化條件不同，可分為熱固化型、常溫固化型、高溫?zé)Y(jié)型、光固化型和電子束固化型導(dǎo)電膠等；
(3)根據(jù)粘料的類型，又可將導(dǎo)電膠分為無機(jī)導(dǎo)電膠和有機(jī)導(dǎo)電膠；
(4)根據(jù)是否添加導(dǎo)電粒子可分為有導(dǎo)電粒子膠和無導(dǎo)電粒子膠；其中無導(dǎo)電粒子膠由不含導(dǎo)電粒子的有機(jī)導(dǎo)電聚合物組成。這種導(dǎo)電膠填充在兩塊連接材料之間，在熱和壓力的作用下，接觸處產(chǎn)生許多小的縫隙連接，兩個(gè)被粘面的距離由表面的粗糙程度決定。如果使這兩個(gè)接觸面產(chǎn)生一定數(shù)量的接觸點(diǎn)，就可以形成回路使電流通過。
4．常用導(dǎo)電膠
(1)銀導(dǎo)電膠銀的電阻率低，氧化緩慢且其氧化物也具有導(dǎo)電性，這使得銀成為最廣泛使用的導(dǎo)電膠粘劑填料之一。其缺點(diǎn)是銀價(jià)格高，在直流電場(chǎng)和濕氣條件下存在銀遷移現(xiàn)象。
(2)銅導(dǎo)電膠銅的體積電阻率與銀相近，其價(jià)格僅是銀價(jià)格的1/20，是導(dǎo)電膠的理想的尋電填料。但銅化學(xué)性質(zhì)比銀活潑易氧化。目前使用酚醛類樹脂和胺類耦合劑，加還原劑還原氧化銅，或者對(duì)銅進(jìn)行表面處理，如鍍銀使銅表面磷化形成絡(luò)合物，使銅氧化問題得到一定緩解。
(3)金導(dǎo)電膠在通常環(huán)境中基本沒有遷移現(xiàn)象，可以在苛刻的環(huán)境中工作，所以對(duì)可靠性要求高而芯片尺寸小的電路，金導(dǎo)電膠就成了必要的材料。其缺點(diǎn)是價(jià)格高、固化溫度較高。
(4)石墨導(dǎo)電膠鱗片狀石墨具有較好的導(dǎo)電性能，通常要和炭黑混合使用，性能比較穩(wěn)定，有一定的耐酸堿能力，價(jià)格低廉，相對(duì)密度小。其缺點(diǎn)是電阻率較高，一般只能用于中阻值漿料。
(5)碳納米管導(dǎo)電膠碳納米管作為導(dǎo)電膠的導(dǎo)電填料，有很強(qiáng)的力學(xué)性能，可以大大增加導(dǎo)電膠的拉伸強(qiáng)度，并且由于納米碳管的管狀軸承效應(yīng)和自潤(rùn)滑效應(yīng)有著很強(qiáng)的耐摩擦性能、耐酸堿性和耐腐蝕性，大大提高了納米碳管導(dǎo)電膠的使用壽命和抗老化性。
(6)復(fù)合導(dǎo)電膠采用多種導(dǎo)電材料的復(fù)合導(dǎo)電膠，可以發(fā)揮多種材料的綜合優(yōu)勢(shì)，例如銀一銅一石墨一鎳等混合金屬一非金屬材料的復(fù)合導(dǎo)電膠粘，銅能夠很好地分散在金和鎳的表面，鎳層能夠存在于金和銅之間形成一個(gè)阻擋層防止銅進(jìn)一步分散。當(dāng)導(dǎo)電填料的
比例達(dá)到最佳比例時(shí)，導(dǎo)電膠電阻小、固化熱容雖小，同時(shí)達(dá)到較高穩(wěn)定性。
5．導(dǎo)電膠在倒裝芯片互連中的應(yīng)用
倒裝芯片互連可以采用導(dǎo)電膠和回流焊兩種工藝，其中導(dǎo)電膠互連是一種工藝簡(jiǎn)單的低成本方案，可用于一般要求的產(chǎn)品制造中。
圖6.5.3和圖6.5.4分別為各向異性導(dǎo)電膠和各向同性導(dǎo)電膠連接示意圖。從工藝上說,各向異性導(dǎo)電膠相當(dāng)于同時(shí)完成了連接和黏結(jié)（通常稱為底部填充，為了增強(qiáng)連接可靠性）；而各向同性導(dǎo)電膠連接只完成了連接。 M2764A-2F1
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