導電膠連接
發(fā)布時間:2011/8/26 10:36:48 訪問次數(shù):3099
作為一種電氣互連技術(shù)，導電膠連接以其獨到的優(yōu)勢獲得業(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，導電膠連接具有以下特點：
(1)導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，在連接后修補方面也獨具優(yōu)勢。在某些特殊應用領(lǐng)域，導電膠連接是唯一可行的互連方法；
(3)導電膠線分辨率高，適用于更精細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)導電膠連接工藝簡單，技術(shù)難度低，制造成本低。
除了導電與導熱性外，導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．導電膠的導電機理
(1)接觸效應通過導電填料間的相互接觸形成鏈狀導電通路，從而獲得導電性。據(jù)此，采用導電性能良好的導電填料、降低導電粒子表面的電阻、增加內(nèi)壓促進導電粒子的接觸，都可以提高其導電性。
(2)隧道效應 除一部分導電粒子直接接觸形成導電，沒有直接接觸的導電粒子在肢中以孤立體或小團聚體的形式存在，不參與導電。但在電場作用下，相距很近的粒子上的電子還可通過導體之間的電子躍遷產(chǎn)生傳導。特別是當導電粒子間的體積分數(shù)達到一個臨界值時，由隧道效應引起的電荷轉(zhuǎn)移會急劇增大，同時借助熱振動躍過勢壘形成較大的隧道電流，從而使導電性能增強，如圖6.5.1所示。
3．導電膠的分類
導電膠種類繁多，根據(jù)導電機理可以將導電膠分為各向同性和各向異性兩大類。
(1)各向異性導電膠(anisotropic conductive adhesives，ACA)指膠體在XY方向是絕緣的，而在Z方向上是導電的。各向異性導電膠中導電粒子的濃度低（占5%～20%體積分數(shù)），不能在Xy方向靠導電粒子接觸而形成導電通道；在Z方向，固化的同時對焊盤施加壓力，促使在這一方向形成導電通道，從而實現(xiàn)Z向的導電性：這種膠對工藝和設備的要求較高，使用受到了限制。
(2)各向同性導電膠(isotropic conductive adhesives，ICA)指各個方向有相同導電性能的導電膠，又稱為“高分子釬料”，由高分子樹脂膠和導電填充物構(gòu)成。由于導電填充物較多，依靠導電穎粒接觸而實現(xiàn)導電性。隨著導電填充物比例增加，導電膠的電阻逐步降低，當達到一個臨界值時，導電膠的電阻急劇降低，使膠體變成導體。圖6.5.2所示為兩類導電膠連接原理示意圖。
此外，導電膠根據(jù)不同的標準，還有多種分類：
(1)根據(jù)導電粒子種類不同，可分為銀系、金系、銅系和碳系導電膠等，其中應用最廣的是銀系導電膠；
(2)根據(jù)固化條件不同，可分為熱固化型、常溫固化型、高溫燒結(jié)型、光固化型和電子束固化型導電膠等；
(3)根據(jù)粘料的類型，又可將導電膠分為無機導電膠和有機導電膠；
(4)根據(jù)是否添加導電粒子可分為有導電粒子膠和無導電粒子膠；其中無導電粒子膠由不含導電粒子的有機導電聚合物組成。這種導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，兩個被粘面的距離由表面的粗糙程度決定。如果使這兩個接觸面產(chǎn)生一定數(shù)量的接觸點，就可以形成回路使電流通過。
4．常用導電膠
(1)銀導電膠銀的電阻率低，氧化緩慢且其氧化物也具有導電性，這使得銀成為最廣泛使用的導電膠粘劑填料之一。其缺點是銀價格高，在直流電場和濕氣條件下存在銀遷移現(xiàn)象。
(2)銅導電膠銅的體積電阻率與銀相近，其價格僅是銀價格的1/20，是導電膠的理想的尋電填料。但銅化學性質(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，或者對銅進行表面處理，如鍍銀使銅表面磷化形成絡合物，使銅氧化問題得到一定緩解。
(3)金導電膠在通常環(huán)境中基本沒有遷移現(xiàn)象，可以在苛刻的環(huán)境中工作，所以對可靠性要求高而芯片尺寸小的電路，金導電膠就成了必要的材料。其缺點是價格高、固化溫度較高。
(4)石墨導電膠鱗片狀石墨具有較好的導電性能，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，價格低廉，相對密度小。其缺點是電阻率較高，一般只能用于中阻值漿料。
(5)碳納米管導電膠碳納米管作為導電膠的導電填料，有很強的力學性能，可以大大增加導電膠的拉伸強度，并且由于納米碳管的管狀軸承效應和自潤滑效應有著很強的耐摩擦性能、耐酸堿性和耐腐蝕性，大大提高了納米碳管導電膠的使用壽命和抗老化性。
(6)復合導電膠采用多種導電材料的復合導電膠，可以發(fā)揮多種材料的綜合優(yōu)勢，例如銀一銅一石墨一鎳等混合金屬一非金屬材料的復合導電膠粘，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阻擋層防止銅進一步分散。當導電填料的
比例達到最佳比例時，導電膠電阻小、固化熱容雖小，同時達到較高穩(wěn)定性。
5．導電膠在倒裝芯片互連中的應用
倒裝芯片互連可以采用導電膠和回流焊兩種工藝，其中導電膠互連是一種工藝簡單的低成本方案，可用于一般要求的產(chǎn)品制造中。
圖6.5.3和圖6.5.4分別為各向異性導電膠和各向同性導電膠連接示意圖。從工藝上說,各向異性導電膠相當于同時完成了連接和黏結(jié)（通常稱為底部填充，為了增強連接可靠性）；而各向同性導電膠連接只完成了連接。 M2764A-2F1
作為一種電氣互連技術(shù)，導電膠連接以其獨到的優(yōu)勢獲得業(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，導電膠連接具有以下特點：
(1)導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，在連接后修補方面也獨具優(yōu)勢。在某些特殊應用領(lǐng)域，導電膠連接是唯一可行的互連方法；
(3)導電膠線分辨率高，適用于更精細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)導電膠連接工藝簡單，技術(shù)難度低，制造成本低。
除了導電與導熱性外，導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．導電膠的導電機理
(1)接觸效應通過導電填料間的相互接觸形成鏈狀導電通路，從而獲得導電性。據(jù)此，采用導電性能良好的導電填料、降低導電粒子表面的電阻、增加內(nèi)壓促進導電粒子的接觸，都可以提高其導電性。
(2)隧道效應 除一部分導電粒子直接接觸形成導電，沒有直接接觸的導電粒子在肢中以孤立體或小團聚體的形式存在，不參與導電。但在電場作用下，相距很近的粒子上的電子還可通過導體之間的電子躍遷產(chǎn)生傳導。特別是當導電粒子間的體積分數(shù)達到一個臨界值時，由隧道效應引起的電荷轉(zhuǎn)移會急劇增大，同時借助熱振動躍過勢壘形成較大的隧道電流，從而使導電性能增強，如圖6.5.1所示。
3．導電膠的分類
導電膠種類繁多，根據(jù)導電機理可以將導電膠分為各向同性和各向異性兩大類。
(1)各向異性導電膠(anisotropic conductive adhesives，ACA)指膠體在XY方向是絕緣的，而在Z方向上是導電的。各向異性導電膠中導電粒子的濃度低（占5%～20%體積分數(shù)），不能在Xy方向靠導電粒子接觸而形成導電通道；在Z方向，固化的同時對焊盤施加壓力，促使在這一方向形成導電通道，從而實現(xiàn)Z向的導電性：這種膠對工藝和設備的要求較高，使用受到了限制。
(2)各向同性導電膠(isotropic conductive adhesives，ICA)指各個方向有相同導電性能的導電膠，又稱為“高分子釬料”，由高分子樹脂膠和導電填充物構(gòu)成。由于導電填充物較多，依靠導電穎粒接觸而實現(xiàn)導電性。隨著導電填充物比例增加，導電膠的電阻逐步降低，當達到一個臨界值時，導電膠的電阻急劇降低，使膠體變成導體。圖6.5.2所示為兩類導電膠連接原理示意圖。
此外，導電膠根據(jù)不同的標準，還有多種分類：
(1)根據(jù)導電粒子種類不同，可分為銀系、金系、銅系和碳系導電膠等，其中應用最廣的是銀系導電膠；
(2)根據(jù)固化條件不同，可分為熱固化型、常溫固化型、高溫燒結(jié)型、光固化型和電子束固化型導電膠等；
(3)根據(jù)粘料的類型，又可將導電膠分為無機導電膠和有機導電膠；
(4)根據(jù)是否添加導電粒子可分為有導電粒子膠和無導電粒子膠；其中無導電粒子膠由不含導電粒子的有機導電聚合物組成。這種導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，兩個被粘面的距離由表面的粗糙程度決定。如果使這兩個接觸面產(chǎn)生一定數(shù)量的接觸點，就可以形成回路使電流通過。
4．常用導電膠
(1)銀導電膠銀的電阻率低，氧化緩慢且其氧化物也具有導電性，這使得銀成為最廣泛使用的導電膠粘劑填料之一。其缺點是銀價格高，在直流電場和濕氣條件下存在銀遷移現(xiàn)象。
(2)銅導電膠銅的體積電阻率與銀相近，其價格僅是銀價格的1/20，是導電膠的理想的尋電填料。但銅化學性質(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，或者對銅進行表面處理，如鍍銀使銅表面磷化形成絡合物，使銅氧化問題得到一定緩解。
(3)金導電膠在通常環(huán)境中基本沒有遷移現(xiàn)象，可以在苛刻的環(huán)境中工作，所以對可靠性要求高而芯片尺寸小的電路，金導電膠就成了必要的材料。其缺點是價格高、固化溫度較高。
(4)石墨導電膠鱗片狀石墨具有較好的導電性能，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，價格低廉，相對密度小。其缺點是電阻率較高，一般只能用于中阻值漿料。
(5)碳納米管導電膠碳納米管作為導電膠的導電填料，有很強的力學性能，可以大大增加導電膠的拉伸強度，并且由于納米碳管的管狀軸承效應和自潤滑效應有著很強的耐摩擦性能、耐酸堿性和耐腐蝕性，大大提高了納米碳管導電膠的使用壽命和抗老化性。
(6)復合導電膠采用多種導電材料的復合導電膠，可以發(fā)揮多種材料的綜合優(yōu)勢，例如銀一銅一石墨一鎳等混合金屬一非金屬材料的復合導電膠粘，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阻擋層防止銅進一步分散。當導電填料的
比例達到最佳比例時，導電膠電阻小、固化熱容雖小，同時達到較高穩(wěn)定性。
5．導電膠在倒裝芯片互連中的應用
倒裝芯片互連可以采用導電膠和回流焊兩種工藝，其中導電膠互連是一種工藝簡單的低成本方案，可用于一般要求的產(chǎn)品制造中。
圖6.5.3和圖6.5.4分別為各向異性導電膠和各向同性導電膠連接示意圖。從工藝上說,各向異性導電膠相當于同時完成了連接和黏結(jié)（通常稱為底部填充，為了增強連接可靠性）；而各向同性導電膠連接只完成了連接。 M2764A-2F1
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