微电子封装用导电胶的研究

微电子封装用导电胶的研究【摘要】随着经济社会的发展和科学技术水平的迅速提高，电子产品逐渐向小型化、数字化、智能化、便携化等方面发展，微电子封装用导电胶以其绿色、环保、无污染的特性逐渐取代了传统的Pn/Sn材料，并作为电子时代工业材料的主流被广泛使用和推广。

本文主要研究了微电子封装用导电胶的组成和分类以及不同结构的用途和优势，研究了导电胶的发展进程和可靠性评估，提出了导电胶在微电子封装技术中的作用和价值，并为电子数码技术的不断发展提供了借鉴。

【关键词】微电子封装；导电胶；可靠性；研究进展一、引言随着经济全球化的发展和互联网时代的相继到来，电子数码产品广泛在工业、农业、商业等不同领域得到应用。

而随着电子数码技术的不断发展，对电子封装技术的要求越来越严格，尤其是从上世纪末起，电子产品逐渐趋向于小型化，自身体积越来越小，如智能手机、笔记本电脑、Mp3、Mp4等产品的相继出现，使得大量的电子产品可以随身携带，为个人的日常工作和生活带来了极大地便利，其半导体芯片的集成度也越来越高，功能也越来越多，数据处理能力由单层处理向多层处理发展，并出现立体化技术。

不同电子数码技术集成化的发展对电子封装提出了更高的要求，数码芯片上I/O的单位面积增加，密度增大。

原始的电子封装多采用Pn/Sn材料的焊接，由于当时的数码产品多具有体积巨大，不可携带的特点，Pn/Sn材料具有成本低、稳定性强、结构强度大、加工塑性和润湿度较高等优势而在原始电子封装中广泛应用。

然而随着数码产品不断微型化发展，Pn/Sn材料本身的密度大、质量大、扭曲性弱、易腐蚀等弊端逐渐暴露，Pn/Sn逐渐被导电胶取代。

大量数据研究表明，铅对于不同年龄段的人群都有着较大的危害，如影响儿童的发育、青少年的反应快慢、成年人的血压和血液循环水平等。

而导电胶相对于Pn/Sn材料而言，极大地降低了铅等重金属对人体带来的健康危害，因此得到了广泛推广，微电子封装用导电胶已经成为电子数码技术的一种发展趋势。

电子封装无铅化主要利用高温钎焊技术来加强铅接工艺配合，同时采用新型无铅连接工具制备成特殊的无铅材料，最大程度将铅等重金属含量将至最低。

目前，最具有发展前景的而是以锌为主合金，主要优势为熔点低（240℃）、可塑性强、可与其他金属高温融合等，随着电子数码技术的不断发展逐渐获得了一定价值的商业应用。

此外，同样具有明显优势的无铅材料有Sn/Ag和Sn/Ag/Cu，二者共融的熔点只有180℃，而大多数材料的熔点都在220℃以上，这样可以极大地降低了焊接难度和焊接成本，增强系统的功能稳定性。

导电胶主要由无机聚合物的粘合剂填充，采用导电性材料，性能上主要通过有机高分子材料提供物理机械化性能，它与Pn/Sn材料相比，同样无铅污染，焊接时不需要焊前清理和焊后清理，焊接环境相对安全；固化温度低，适用于不同的热敏性元件；能提供不同力合和间距的零件组装，避免了由于热消耗而造成的功率大量损失；导电胶的热固性使得在使用中仅局部加热就能带动整个系统的安全运行。

减少对铅等重金属的使用已经成为全球关注的热点问题，而导电胶的引进在很大技术程度上减弱了这种现象，大量发展微电子封装用导电胶取代Pn/Sn材料，对电子数码技术的发展和对环境方面的保护都有着重要的作用。

然而，导电胶由于发展周期不长，目前还没有得到全面的应用和推广，因此，对导电胶的研究还需相关技术人员不断研发、不断创新，从不同角度和领域加强导电胶的应用效果，扩大应用范围。

本文主要研究导电胶在微电子封装中的应用，并具体介绍了其研究进展。

二、导电胶的组成与分类1.导电胶的组成导电胶是导电性胶粘剂的简称，通过无机胶连接不同材料进行使用，是一种具有导电等基本性能的粘合剂。

导电胶一般有导电填充物和导电树脂组成，具体结构包括预聚体、固化剂、增塑剂、稀释剂、导电填料等，其中预聚体包括PU、PE、EU等，主要为增强粘合程度；固化剂包括胺类、磋米类、有机硅酸等化合物，主要与预聚体发生化学反应产生与三维网中聚合物不融合的物质；增塑剂包括甲临苯二乙偏硅酸、磷酸化合物等，主要为提高材料的稳定性和抗冲击能力；稀释剂包括丙酮、乙二醇和甘油等，主要为降低粘度，减少焊接前后的冲洗以增强导电胶的使用寿命；导电填料包括Cu、Ag、Au和碳粉以及复合粉等，主要为提高导电胶的导电性。

2.导电胶的分类导电胶具有多种类型，在具体分类是可以按照不同标准确定不同的种类。

按照组成的基体不同，导电胶可分为结构性和填充性两大类，其中填充性导电胶由于具有高导电性而广泛使用。

在此基础上按照导电性能的强弱又可分为各向同性导电胶和各向异性导电胶，各向同性导电胶是指在不同方向都有相同的导电性，可以提供机械控制和塑化功能，主要适用于便于携带的电子数码产品，因为便携式产品的芯片往往可以随机倒置，但其功能性不可随之发生变化，而各向异性导电胶一般针对同一个方向，如对Z方向发挥作用，而在类似X方向等则变成了不导电的绝缘体，其原理类似于发光二极管的单向导电过程，另一种各向异性还包括不同方向性能不同的研究，如智能手机在观看播放器时，需要XY方向的多层控制，保证手机在不同角度都能使得人们观看到视频的正向角度。

在理论上，各向同性导电胶和各向异性导电胶理论上的差异主要是各向同性导电胶是基于渗流理论和填充粒子的形状尺寸决定的，一般情况下φ=10%~20%，而对于各向异性导电胶，渗滤值浓度很高，致使导电胶不能在各个方向上导电，只能在Z方向畅通无阻。

由于各向异性导电胶对焊盘的压力不同，因此对胶接工艺和原料配制率的要求比较高，在实际使用中受到了一定的限制。

导电胶按照固化条件可分为热稳定导电胶、高温烧制导电胶、光电子导电胶和固定束导电胶等；按照固化温度又可以分为高温固化导电胶、室温固化导电胶（一般低于150℃）、低温固化导电胶（高于300℃），一般情况下，室温和低温固化时间较长，但是固化程度比较安全稳定，高温固化虽然效率高，但容易对元件和胶体造成损坏。

按导电离子的不同，导电胶还可分为金银铜等通过电镀产生的混合物，在实际使用中，金由于价格昂贵而很少使用，银成为导电胶构成的主要材料之一，不仅可以适应相对高温的环境，还能在潮湿的条件下降低化合物的分解，增强使用寿命，然而为防止银的迁移和失效，镀银导电胶需要长期置于空气中，以防止物理性能的丧失。

表1 银粉导电胶的性能型号密度/（g·cm-3）体积电阻/（Ω·cm）硬度粘性/（Pa·s）储存器（0~5℃）/dEasman3882 3.2 1 4~5B 25 150 Easman3886 3.23 1 6~7H 20 150Three Bond3302B2.43 3 4~7H 162 89Three Bond2201F3.93 3 3~6B 25 53SD-9 5 <1 2~5B 90ST-2 <3 3~8H 90~120（25℃）3.导电机理导电胶的导电机理主要包括“导电通道”学说和“隧道效应”学说。

“导电通道”学说认为，通过不同导电材料的相互接触形成不同电阻的并联电路，从而获得导电性，电路中胶体稳定接触的部分称为稳定层，其余称为连接层，导电胶固化经过稳定层而固化或干燥，因此导电体在粘合剂的作用效果下，导电填充层体积发生收缩而成为新的连接层，此时的导电胶导电性最强。

另一种“隧道效应”学说主要指的是，导电胶中导电离子发生直接接触，根据同级相斥异性相吸的原则，导电离子会在通道中发生定向移动，除了离子的直接接触还会带来一定规律的热振动，导电离子可在大量粒子形成的高速电场中产生电流发射，当离子之间的距离足够小，以至于小于1nm范围内，隧道效应会使电场力急剧加大，这便形成了导电胶的导电功能。

在对导电胶的研究中，M.Sun等人通过建立相应的数学模型对导电胶的导电性进行了模拟，研究了压力、压强、温度、环境噪声等物理条件对其造成的影响，并对导电胶芯片BGA技术倒片装置连接中的表现进行了预测，预测结果表明，导电填料对导电胶的导电性有着很大的影响，填料的电阻与压力呈现反比关系，且其理论计算应用到实践中效果良好。

三、导电胶的可靠性研究1.可靠性对于导电胶的可靠性研究，国内外学者大多都是通过进行加速试验或热效应探测试验来验证，如模拟高温环境、高湿环境、热稳定性分析以及高温贮藏实验等。

环境实验是电子连接材料和生产中不可或缺的一部分，在电子数码领域中发挥了越来越重要的作用。

实验主要测试不同环境条件下元件的老化程度和电阻率的变化，由于在不同环境下，尤其是温度不同时，电阻往往不相同，一般趋势是随着温度的升高而降低，电阻率的测试事宜在环境温度不同的条件下进行；元件老化程度不仅受到环境温度的影响，还随着湿度、稳定性的变化而变化，老化过程包括：热循环（-40~60℃，一个循环/h；0~100℃，三个循环/h），高温贮藏实验（148℃，1000h），高温高湿环境（90℃/90%RH，36V，800h）等，在实际操作中应具体情况具体分析，从不同角度研究导电胶的可靠性。

2.失效机理粘合体的连接失效大多发生在接头最边缘的部分，这一部分往往相对薄弱一些，无法使得导电行为发生在胶黏剂和被粘物质发挥作用的区域，破坏的形式主要有：内聚合失效、粘附失效和混合失效。

内聚合失效发生在胶黏层内，由于胶黏层内部粘性较强，内壁容易发生废物粘合而导致失效；粘附失效指胶黏剂在表层遭到高速粒子的冲击而发生异性吸引力差异所致；混合失效则是内壁破坏和粘附失效相互作用的结果，如果胶体粘合剂混合失效，则需要元件重新组合。

胶黏剂或被黏材料的破坏是100%的内聚合破坏，因为这种材料在破坏时会对其强度造成很大的冲击，由于胶黏剂和被黏材料的构成性差异，粘结起点和终点处会发生裁差，接头内应力增强，为了减弱这种由失效造成的内应力，应该减少因热交合或者高温固冷化而产生的热膨胀系数相接近，以防止作用效果的进一步恶化。

3.环境实验的影响聚合物在高温下会发生不同程度的降解，从而导致聚合物的力学性能下降，对环境变化的反应越来越敏感。

对于耐高温的聚合物而言，要对其熔点和软化点进行严格的检测，防止在运行过程中发生热分解。

许多热塑合剂在室温下能发挥正常功能，然而它的系统温度却要高于耐高温聚合物的熔点，在玻璃化温度条件下仍然会造成融熔化，塑性强度减弱，内聚合度降低。

热固性胶合剂虽然没有固定的熔点，但在高温下的发生热氧化也会影响其不同机能发挥作用。

在热循环基本实验中，环境温度的控制显得尤为重要，控制导电颗粒和被黏物质之间的热膨胀系数值，减少导电胶在热冲击时胶接接头的环境应力。

对于环境试验，C.W.Tan研究了暴露在高温高湿（125℃，100%RH，2atm）条件下，加以平行电场，产生的各向异性粒子集中到电胶连接表面，Au/Ni/Cu 韧性物质和焊接区的Al接头发生定向移动接触，增强了电胶的可靠性和热稳定性，经过C.W.Tan的研究发现，随着老化时间的累计，老化程度也不断加深，电胶接头的机械性能和导电性都明显降低，在高温高湿环境24小时之后，导电胶的内电阻由480mΩ降低到230mΩ，剪切强度也从18.3MNm-2降低到8.43MNm-2。