第十七章 导电胶的介绍

1、电子封装：简单的回顾
a.电子封装是为主要的电路建立一个内连接和合适的操作环境，以便处理和存储信息的一门科学和艺术，封装主要具有4个功能：
■信号分布，包括主要的拓扑和电磁考虑；
■能量分布：包括电磁、结构和材料方面；
■热分散或冷却：包括结构和材料方面的考虑；
■元件和内连接，包括机械的、化学的和电磁场的；
b.电子封装的级别：
■在第一级封装中，使用引线键合、带自动键合、倒装芯片凸点安装技术等将集成电路安装在一个四方扁平、引脚阵列或球阵列封装中；
■被封装的器件直接附着在PCB板上，或者其他形式的衬底上，这是第二级封装；
■第三级封装时设备部件的外壳；
c.封装技术最好的度量标准时硅效率的分析，硅效率定义为硅面积相对于板面积的比率，随着封装技术的进展，硅效率持续增长：
■20世纪70年代使用双层内嵌封装约为2%；
■80年代四方扁平封装约为10%；
■90年代使用球阵列约为20%；
■多芯片模块和芯片尺寸封装达到40%；
■使用SLIM的系统级封装时，硅效率将高达80%；
■最近的现代高性能封装中的薄纸芯片和三维封装中，硅效率将达到100%；

2、导电胶技术综述：ECA是聚合材料和导电填料的复合物，聚合材料具有优秀的电绝缘性能，因此可以做到电绝缘。导电填料提供了电气性能，而聚合材料则提供了一定的机械强度，因此，电气性能和力学性能是由不同成分来提供的，与金属化焊料的使用情况存在差别，对于金属化焊料，是由一种材料同时提供电气性能和力学性能的。目前导电胶有两种：各向异性导电胶ACA和各向同性导电胶ICA：
a.各项异性导电胶ACA：ACA代理表了聚合物键合剂的第一个主要分支，导电胶的各向异性使得材料在垂直于Z轴的方向具有单一导电方向，这个方向导电率是通过相对较低容量的导电填充材料（5%~20%范围）来达到的；ACA分为两大类，一类是在工艺实施前就具有各向异性导电性能（ACF），另一类是在实施工艺后才具有各向异性导电特性（ACP）:
■黏胶：被用来在交接处形成机械键合，可以使用热定型材料和热塑性材料；
■导电填料：用来提供黏胶电导率的，最简单的填料是金属颗粒，如金、银、镍、铟、铜、铬和无铅焊料SbBi，颗粒通常是球形的或谷粒状，ACA的填料中颗粒的尺寸一般在3~15um之间，有些ACA系统中也使用非导电颗粒，外面带有一薄层金属涂层，或者使用微胶囊填料（将金属球或金属涂覆的塑料球表面涂覆一层绝缘树脂，此树脂层在加压下发生破裂，露出导电表面）；
■ACA的应用：最开始长期应用在液晶显示LCD中，最近大量的研究和发展工作集中在使用ACA作为焊接替代物应用在倒装芯片技术中，另外在表面安装工艺中，研究ACA在完美沟道应用中的潜力；
b.各向同性导电胶ICA：也成为聚合物焊料，是聚合物树脂和导电填料的混合体，导电填料通过导电颗粒之间的接触达到导电的目的，随着填料浓度的增加，ICA的电性能从绝缘体向导体转变，应用过滤理论可以来解释这种混合物的电性能：
■黏胶：ICA中的聚合物类似于ACA中的，理想的ICA黏胶具备以下特性：长的货架寿命（良好的室温储存稳定性）、快速恢复、相对高的Tg，低的吸水量和良好的黏性；
■ICA的导电填充物：金、镍、铜和碳都应用在ICA填料中，但是银饰最常用的导电填料。由于银的氧化物Ag2O具有导电性，所以银在成本高的金属中具有独一无二的特性，其它金属氧化物都是绝缘物，另外短碳光纤也应用在导电黏胶中作为导电填料，但电导率要低得多；
■ICA的应用：衬底黏附黏胶、倒装内连接（使用ICA作为倒装凸点、使用ICA进行倒装焊接）、表面安装应用；

3、导电胶香瓜技术的基本知识和替代焊料的发展趋势：我们已经使用ECA相当长一段时间，其已经被应用在衬底贴附和其他低端应用中，最近ECA被开始认为是含铅焊料的潜在替代物，然而，目前商用的ECA不能直接替代Sn-Pb焊料，主要由于它们电导率较低、接触电阻不稳定、冲击强度较低等，在发展出新的导电黏胶之前，目前导电黏胶的可靠性问题必须进行全面的理解；

4、研究目标：
a.进行银片上有机润滑剂的化学组分和特征的基础研究；
b.通过调查银片润滑剂的作用和ECA聚合物阵列的翘曲收缩，来说明ECA的主要导电机理，并且提取出有效的方法来提高ECA的电导率；
c.研究对于非贵重金属表面上接触阻抗不稳定的主要机理，探讨使接触电阻稳定的方法；
d.寻找能够提高ECA抗冲击强度的树脂；
e.发展出具有满意的电导率、稳定的接触阻抗和所需抗冲击强度的导电胶；

5、研究重点：
a.银膜上的有机润滑剂的化学组分和特征：
■使用不同的方法来对商用银片上润滑剂的化学特征进行说明，如热分析法和傅里叶转换红外能谱法等；
■润滑银片，确定在银片表面和润滑剂之间的化学反应；
■研究银片上有机润滑剂对ECA电导率的影响；
■研究添加剂对移去润滑剂和ECA的电导率的影响；
b.导电胶的导电机理研究：
■对银片和填充银片的ECA的热处理过程中电导率的建立进行研究和对比，通过对比确定聚合体树脂的作用；
■通过研究填充不含有有机润滑剂的银颗粒的电导率的变化，来调查润滑剂的移去和ECA中电导率的建立之间的关系；
■研究在室温下ECA的电导率建立的机理，在室温下，有机润滑剂不能通过加热方法移去，因此ECA的电导率是通过银颗粒之间的更紧密接触来得到的；
■研究电导率的建立和其他特性的改变之间的关系，包括ECA动态和等温处理过程中ECA的翘曲收缩等；
■通过使用不同翘曲压缩比的树脂配料来研究对ECA的电导率的影响；
c.在常规金属上导电胶接触电阻不稳定的主要原因和接触电阻稳定性研究：
■设计一系列实验来区分这两种机制（分别是简单氧化和腐蚀），解释哪一种是主要机制；
■通过使用透射电镜TEM来观察在ECA和非贵重金属之间界面金属氧化物的形成；
■采用不同的措施来使接触电阻稳定，并且分辨出对稳定接触电阻有效的黏胶，这些方法包括使用纯的成分（环氧树脂、硬化剂、催化剂等），使得配料和添加剂的吸湿能力最小；
d.具有良好导电性、稳定的接触电阻和抗冲击的导电胶的研究进展：
■形成具有良好抗冲击强度的ECA，在ECA的配料中具有不同的树脂，包括橡胶老化的环氧等，新的树脂，如环氧终端的聚氨基甲酸酯树脂将会被合成，并使用在ECA的配料中，从这个研究将能分辨出具有应用潜力的树脂；
■配出具有高的抗冲击强度和所需电导率的ECA；
■配出具有所需电导率、高的冲击强度和稳定阻抗的ECA；

6、总体研究工作示意图：
a. 研究银片润滑剂的化学本质和行为—研究对于ECA中，移去润滑剂和处理收缩对于电导率的影响—配制电导率提高的ECA；
b.研究ECA不稳定接触电阻的机理—使用不同的方法来使接触电阻稳定—配制具有稳定接触电阻的ECA；
c.使用不同的改进树脂提高冲击强度—配制冲击强度高的ECA；
通过abc三种方法的结合来研制发展出具有所需电导率、稳定接触电阻和高冲击强度的ECA。