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,在微电子组装领域,导 电胶膜将逐渐代替传统的Pb/Sn焊料。与传统的 Pb/Sn焊料相比,导电胶膜主要存在如下优点[1-4]: ①导电胶膜线分辨率高,适用于更精细的引线间距 和高密度I/O组装,自身密度小,相同应用条件下 需要量少(约为其它类型微电子互连材料的一半), 符合微电子产品微型化、薄型化和轻量化的发展要 求;②可低温连接,能减小互连过程中的疲劳损伤 和应力开裂失效问题,因而特别适合于热敏感元器 件的互连和非可焊性表面的互连;③具有较高的柔 性和抗疲劳性,可与不同的基板连接;④互连工艺简 单,工艺步骤少,可提高工业生产能力和降低生产成 本;⑤不含铅以及其它有毒金属,互连过程无需清 洗,消除了环境污染;⑥电路连接的同时起到填充材 料的保护、防腐等作用;⑦不需要再流过程,对芯片 和基板的影响小。
2各向异性导电胶膜的组成 各向异性导电胶膜是由导电粒子、胶粘剂、添加 剂组成的,具有导电性、粘结性和绝缘性的电子、电 气各向异性高分子薄膜(如图1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)。
3各向异性导电胶膜的导电机理 导电胶膜的导电作用通常被认为是通过3种 形式实现的:①导电通道学说:通过导电填料间的 直接接触产生传导;②隧道效应学说:通过导体之 间的电子跃迁,即隧道效应,产生传导[5-8];③电场发 射学说: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 解释导电胶膜的导电现象;隧道效应理论是应用量 子力学来研究导电胶膜与导电粒子间隙的关系,它 与导电填料的浓度及导电胶膜使用温度有直接的 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[9]。对于各向异性导电胶膜,除了 以上3种导电机理外还有以下因素影响其导电性: ①使导电粒子均匀分散,加压固化;②使导电粒子 在磁力线作用下偏移;③加入比导电粒子粒径小的 绝缘粒子;④使用弹性导电粒子并加压固化。 M Sun、A Shadowiz等[10]人通过建立数学模 型对导电胶的导电性能进行了模拟,研究了压力、 温度等条件的影响,并对导电胶在芯片倒装连接和 BGA技术中的表现进行了预测。
4各向异性导电胶膜的主要特性
导电胶膜的电性能是其主要性能指标,国际制 造科学中心(NCMS)制定的商用表面安装导电胶 膜的技术要求为导电胶膜电阻率不超过1×10-3 Ω·cm,在500 h,85℃,RH85%条件下接触电阻的 变化率不超过20%,即导电胶膜在使用过程中除要 求电阻率达到一定的指标外,还要求具有良好的电 性能稳定性[11]。
导电粒子对导电胶膜的电阻率起着决定性作 用,影响导电胶膜导电性的因素有:导电粒子的种 类、粒径、形状和用量等。在导电粒子表面积和形状 相近的条件下,导电粒子本身的电阻率越低,导电胶 膜的导电性就越好;粒径大的导电粒子导电性优于 粒径小的导电粒子,但同时也会带来连接强度的降 低;不定形(片状或纤维状)的导电粒子导电性能和 连接强度优于球形的;对形状的要求,一般认为导电 粒子为树枝状最好,而球状则最差,因为树枝状的粒 子面接触多,形成导电通道的概率大,而球状粒子之 间是点接触,形成导电通道的概率要小得多。各向异 性导电胶膜中导电粒子的体积分数占5%~10%,导 电粒子的含量对其玻璃化转化温度,贮藏模量和损 失模量都有一定的影响[12],在不影响导电胶膜粘度 和粘结强度的情况下,应尽量增加导电粒子的数量, 也可以适当增加非导电粒子的含量来改变导电胶膜 的物理性质。张洪波等[13]以环氧树脂为原料,铜为 导电粒子,制备了各向异性导电胶。此种导电胶具 有优良的稳定性,使用寿命长,容易保存。沈志刚 等[14]采用磁控溅射方法,在微颗粒表面沉积了金属 铜膜和镍膜,结果表明,采用该方法可以在微颗粒表 面镀上均匀性好,附着力强和致密性好的金属膜。 为提高铜导电胶中铜的抗氧化性, Silvia Liong[15] 在铜粉表面利用电化学的方法镀少量其他的金属如 Zn,在铜粉氧化时Zn可为其提供电子,从而达到保 护铜的目的。利用纳米颗粒粒径小,表面能高,表面 接触机会大,易形成导电通道,可以大大降低金属填 充量。Majima Masatoshi等[16]在导电填料添加量相 同的条件下,研究了不同粒径的颗粒对导电胶电阻 率的影响,结果表明,以纳米镍为导电填料的导电胶 的电阻率显著降低,存在的问题是纳米颗粒表面活 性高,电性能稳定性难以保证。Genetti WB等[17]研 究在金属镍颗粒表面包覆本征导电聚合物聚吡咯 (PPy)制备导电胶。结果表明,表面包覆PPy的镍 导电胶的电阻率反而低于镍导电胶,其主要原因是 PPy使导电颗粒之间接触得更好。导电粒子的种类 及其特点见表1。
5各向异性导电胶膜存在的技术问题及研究方向
5.1存在的技术问题
目前,Pb/Sn焊料仍在电子表面封装技术中大 量应用,导电胶膜虽具有许多优点,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。导电胶膜主要存在以下问题:①电导率低,对于 一般的元器件,大多导电胶膜均可接受,但对于功 率器件,则不一定[18-19];②耐冲击性差[20],长期机 械强度和电稳定性差[20-24];③粘接效果受元器件类 型、PCB(印刷线路板)类型影响较大;④固化时间 长。由基体树脂和金属导电粒子组成的导电胶膜, 其电导率低于Pb/Sn焊料,为了解决这一问题,国 内外的科研工作者做了以下的努力:提高导电颗粒 之间的接触紧密度;增加金属颗粒的填充量;用醛 类去除金属填充物表面的金属氧化物;采用纳米级 的填充粒子等。Daoqiang Lu[25]在研究中发现只有 当胶体固化时导电颗粒实现紧密接触才能形成导 电通道。
导电胶膜的另一个技术问题是相对较低的粘 结强度,在节距小的连接中,粘结强度直接影响元 件的抗冲击性能。M A Uddin等[26]研究发现,用等 离子体清洁导电胶膜的待粘表面可以大大增加粘 接强度。另外,在树脂体系中加入偶联剂,增加接触 表面的粗糙程度也被认为是可行的方法。
5.2研究发展方向
目前的研究主要集中在对其基本性能(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[27 -28 ]: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Pb/Sn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。Silvia Liong研究中提 到利用多环结构聚醚可以得到很好的导电性能和 抗老化性[29]。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 30 min以上,限制了其在高分子基板、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。倪晓军等[30]通过对环氧树脂的改性,得到在紫 外光下迅速固化的各向异性导电胶,为高密度、超精 细线路的连接提供一条新的思路。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。④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。