CN109652005A - 一种导电粘接剂 - Google Patents

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Abstract

一种导电粘接剂，该粘接剂是采用二乙二醇和氰酸酯树脂为有机混合溶剂，掺入A、B两类银粉，再加入分散剂混合制得的粘接剂。所用的A、B两类银粉是以纯度99.95%的银粉，通过高能球磨成微纳米级银粉，然后分选出直径3～20μm的A类银颗粒与直径200nm以下的B类银颗粒。本发明的优点：①采用二乙二醇和氰酸酯树脂为混合溶剂体系，加强热塑性树脂粘接性能，使较小电子元器件拥有足够强的粘接力，扩大了使用范围；②采用高含量的微纳米级银颗粒组分配合混合溶剂的类似三维链状通路，增强了银系粘接剂的高导电性能；③保证一个封装腔体内，一种粘接剂尽可能多地粘接电子元器件。④工艺简单，便于批量生产。适用于粘接各种集成电路。

Description

一种导电粘接剂
技术领域
本发明涉及粘接剂，具体来说，涉及导电粘接剂，尤其涉及集成电路封装中的导电粘接剂。
背景技术
众所周知，导电粘合剂属于功能粘合剂的一类。集成电路电子元器件粘接方式主要分为两种，一种为合金焊，一种为粘接剂粘接。两种粘接方式涵盖了绝大多数的电子元器件的粘接方式。
合金焊常常用在大功率电子元器件的粘接中，原因是其具有高导电、高散热和高强度的粘接性能。然而，电子元器件必须背面金属化才能采用合金焊粘接；另外，电子元器件的尺寸也会限制粘接效果，在混合电路和模块的合金焊粘接中，较大（尺寸≥1×1mm）的粘接效果比较理想，然而，对于小电子元器件（尺寸<1×1mm）的粘接难以精确对位会导致粘接面不平整，从而降低粘接效果。
近年来，粘接剂对解决合金焊无法涉及的裸芯片粘接有所进展。微纳米银系列粘接剂很受关注，因为它具备芯片粘接后高导电和散热性能，已经趋近合金焊导电和散热性能，针对粘接面积较大的电子元器件也具有较强的粘接力。一些粘接材料公司甚至宣传推出的银系列粘接剂产品具有优异性能，已成功应用在0.3×0.3～15×15mm2粘接范围。但当芯片面积低于1×1mm2时，芯片剪切强度大幅下降，大多数还达不到GJB 548B-2005《微电子器件试验方法和程序》中剪切力合格标准，若芯片面积小于0.32mm2，应承受的最小力为（0.1倍时）的6N/mm2或（2倍时）的12N/mm2，尤其是纳米银导电粘接剂, 目前只能达到4N/mm2。另外，银系列粘接剂对芯片和电子元器件的粘接面有要求，有些只能用于背面金属化（金、银）的粘接面，而不能粘接铜、铁等粘接面，如果粘接铜、铁面就会大幅度增加电阻，少则几十欧姆，多则几千欧姆。因此，对于不同的粘接面需要对银粘接剂进行选择。一个集成电路封装腔体内出现多种粘接剂，造成集成电路性能不稳定。迄今为止，粘接面积低于1×1mm2且高于0.3×0.3mm2的电子元器件仍然是一个技术难题。
经检索，中国专利数据库中涉及导电粘接剂的申请件多为国外申请人申请的，例如日本申请人申请的2011800570777号《导电性粘接剂》、2015800280490号《导热性导电性粘接剂组合物》、2016800081311号《导热性导电性粘接剂组合物》、2017800102399号《导电性粘接剂》，韩国人申请的2018101468591号《导电性粘接剂组合物》；国内也有部分申请件，如891038167号《一种导电粘接剂》、2013105818661号《一种大功率导电芯片粘接剂》等。这些专利技术均没有解决粘接面积低于1×1mm2且高于0.3×0.3mm2的电子元器件的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种导电粘接剂，以满足所有导电电子元器件的粘接需要，解决面积低于1×1mm2且高于0.3×0.3mm2的电子元器件的粘接问题，同时避免选择粘接面材质、增加粘接元器件的导电性问题。
为达到这个发明目的，发明人提供的导电粘接剂是采用二乙二醇和氰酸酯树脂为有机混合溶剂，掺入A、B两类银粉，再加入分散剂混合制得的粘接剂；该导电粘接剂的制备方法如下：
(1) 取二乙二醇和氰酸酯树脂按比例混合，得到混合溶剂体系，通过充分搅拌形成均匀的有机混合溶剂；
(2) 选用纯度为99.95%的银粉，通过高能球磨，将银粉球磨成微纳米级银粉，然后选用不同目数的分样筛，分选出直径为3～20μm的A类银颗粒与直径200nm以下的B类银颗粒，按质量配比混合倒入前一步制得的混合有机溶剂中；
(3) 再向其中加入分散剂;
(4) 采用混合机进行混合浸润，最后制成导电胶粘接剂成品。
上述方法的第(1)步中，所述二乙二醇和氰酸酯树脂的混合质量比例为2∶3。
上述方法的第(2)步中，所述A类银颗粒与B类银颗粒的质量配比为8∶1；两类银颗粒的总和与混合有机溶剂的质量配比为100∶9～15。
上述方法的第(3)步中，所述分散剂是2-丙烯酸环己基酯粒子，其粒径小于20μm；加入分散剂的质量是两类银颗粒总和的质量的1%～2%。
上述方法的第(4)步中，所述混合机是双行星动力混合机；所述成品置于-40℃的冰箱中进行存储待用，使用时解冻即可。
本发明的银系粘接剂的导电机理是渗流理论、隧道效应理论和场至发射理论。即导电材料在高分子基体中形成空间上的均匀分布，随着含银量增加到一定体积比Φ之后，体电阻率发生突变现象，即体积比大于Φ时，电极间膜层内的导电粒子会相互接触形成三维链状导电通路，电子在导电粒子间隧穿、跃迁，存在隧穿电阻和集中电阻（电子群在流经大小不同接触点时受到的阻碍）。为此，G.R.Ruschan 等人提出了新的导电模型认为导电路径中存在着一系串联电阻，其中接触电阻为隧穿电阻和集中电阻之和，表达式如下：
式中：pi为导电粒子本征电阻率，d为接触点直径，pt是量子隧穿电阻率，a为接触点面积，L是颗粒间绝缘层厚度。
基于该理论，要想提高粘接剂粘接强度和电导率的方法就是，首先要有一个粘接性能优异的类似三维链状通路；然后就是降低导电路径中的电阻即降低接触电阻R。关于粘接性能优异的类似三维链状通路，发明采用热塑性有机材料二乙二醇和氰酸酯树脂为混合溶剂体系；氰酸酯树脂分子内具有-NCO基化合物，加热后形成三维网状结构，并进行固化的树脂。二乙二醇是分子内具有缩水甘油基的化合物，通过加热缩水甘油基也能形成三维网眼结构并进行固化。二乙二醇溶解氰酸酯树脂，在加热过程中生成结构更加紧密的三维拓扑密堆相，该结构形成了三维链状通路的雏形，有利的促进了微纳米银颗粒在电极间膜层内的相互接触形成三维链状导电通路。其次，降低导电路径中的电阻即降低接触电阻R。具体而言，就是增大d值（增加接触点直径），增加接触点面积a，和降低颗粒间绝缘层厚度L。粘接剂中，较少比例的有机混合溶剂组分，降低了粘接剂热固化后颗粒间绝缘层的厚度。90%含量的微纳米级银颗粒组合增加了组合溶剂内银颗粒表面积，不仅扩大了接触点直径，同时也大幅增加了接触点面积。2-丙烯酸环己基酯粒子作为分散剂，能够抑制空隙的产生，在高温烧结时也能抑制芯片应力和粘接层的变形。由此，可得到一种高导电、高粘接和散热性能好的银系粘接剂，适合需要粘接的导电电子元器件。
本发明具有以下创新点：①采用二乙二醇和氰酸酯树脂为混合溶剂体系，加强了热塑性树脂的粘接性能，使较小电子元器件拥有足够强的粘接力，同时扩大了粘接剂的使用范围，尤其解决了面积低于1×1mm2且高于0.3×0.3mm2的电子元器件的粘接问题；②采用高含量的微纳米级银颗粒组合配合混合溶剂的网状形貌，极大地增强了银系粘接剂的高导电性能；③保证了一个封装腔体内，一种粘接剂尽可能多的粘接电子元器件。④工艺简单，便于批量生产。适用于粘接各种集成电路。
附图说明
图1为使用本发明导电粘接剂粘接时热处理工艺的加热曲线图。
具体实施方式
实施例：
制备用于将铜材粘接于金导带上的导电粘接剂。该铜材尺寸为0.5mm×0.5mm×0.25mm。
采用二乙二醇和氰酸酯树脂为混合溶剂体系，通过充分搅拌形成均匀的有机混合溶剂，二者比重为2∶3；选用纯度为99.95%的银粉，通过高能球磨，将球磨成微纳米级银粉，然后选用不同目数的分样筛，分选出A类直径为3～20μm银颗粒与B类直径200nm以下的银颗粒，按A类银颗粒与B类银颗粒8∶1的质量配比倒入配置好的混合有机溶剂中；然后再向其中加入2-丙烯酸环己基酯粒子作为分散剂，粒径小于20μm。然后采用双行星动力混合机进行混合浸润，最后将制成的导电胶粘接剂置于-40℃的冰箱中进行存储备用。所述导电粘接剂成分中，微纳米银粉的总和以100质量份计，有机混合溶剂用量为10质量份，所述2-丙烯酸环己基酯粒子用量为1质量份。
粘接时热处理工艺如下：取出存储于冰箱中的导电粘接剂，进行室温解冻30分钟，待用；用电胶棒将该导电粘接剂涂于金导带上，然后将铜材放置在导电粘接剂上，在空气中环境下，通过图1所示热处理工艺曲线，在金导带上得到粘接完整的铜材，然后粘接铜材样品100件。最后送往实验检测中心进行检测。
检验结果：
⒈通过X光照射，粘接面空洞率低于2%；
⒉通过剪切力测试，剪切强度大于20N/mm2；
⒊通过100次温度循环测试，剪切强度依旧大于20 N/mm2；
4.体积电阻率2.1×10-5Ω*cm。

Claims (5)

1.一种导电粘接剂，其特征在于该粘接剂是采用二乙二醇和氰酸酯树脂为有机混合溶剂，掺入A、B两类银粉，再加入分散剂混合制得的粘接剂；该导电粘接剂的制备方法如下：
(1) 取二乙二醇和氰酸酯树脂按比例混合，得到混合溶剂体系，通过充分搅拌形成均匀的有机混合溶剂；
(2) 选用纯度为99.95%的银粉，通过高能球磨，将银粉球磨成微纳米级银粉，然后选用不同目数的分样筛，分选出直径为3～20μm的A类银颗粒与直径200nm以下的B类银颗粒，按质量配比混合倒入前一步制得的混合有机溶剂中；
(3) 再向其中加入分散剂;
(4) 采用混合机进行混合浸润，最后制成导电胶粘接剂成品。
2.如权利要求1所述的导电粘接剂，其特征在于第(1)步中，所述二乙二醇和氰酸酯树脂的混合质量比例为2∶3。
3.如权利要求1所述的导电粘接剂，其特征在于第(2)步中，所述A类银颗粒与B类银颗粒的质量配比为8∶1；两类银颗粒的总和与混合有机溶剂的质量配比为100∶9～15。
4.如权利要求1所述的导电粘接剂，其特征在于第(3)步中，所述分散剂是2-丙烯酸环己基酯粒子，其粒径小于20μm；加入分散剂的质量是两类银颗粒总和的质量的1%～2%。
5.如权利要求1所述的导电粘接剂，其特征在于第(4)步中，所述混合机是双行星动力混合机；所述成品置于-40℃的冰箱中进行存储待用，使用时解冻即可。
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