CN1821336A

CN1821336A - 各向异性导电胶及其制备方法

Info

Publication number: CN1821336A
Application number: CN 200510111920
Authority: CN
Inventors: 张建华
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: Shanghai University; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2006-08-23

Abstract

本发明涉及一种各向异性导电胶及其制备方法。该导电胶组成及重量百分含量如下：导电微粒：8－12％，微纳米填充材料1：0.5－10％，该填充材料能降低导电胶的热力学膨胀系数；微纳米填充材料2：0.5－10％，该填充材料在湿热环境中具有自氧化牺牲性；环氧树脂：50－85％，潜伏性环氧固化剂：5－18％。该导电胶的制备方法为把纳米填充材料与导电微粒充分混合均匀制成固相混合物，称为第一混合物；把环氧树脂和环氧固化剂均匀混合制成混合物，称为第二混合物；然后将第一和第二混合物充分混合均匀制成导电胶。

Description

各向异性导电胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导电胶及其制备方法，特别是一种各向异性导电胶及其制备方法。

背景技术

在微电子、光电子、平板显示、微机电系统(MEMS)、智能卡等器件、产品的制造中，都广泛应用导电胶芯片连接材料，承担机械和电连接，实现芯片和基板互连。导电胶芯片连接技术目前主要有两大类：一类是各向同性导电胶技术(Isotropical Conductive Adhesives，ICA)，俗称银胶，在各个方向上都导电，主要采用丝网印刷技术和热固化；另一类是各向异性导电胶(AnisotropicallyConductive Adhesives or Films，简称ACA或ACF)，只在Z方向上导电，在X-Y方向上保持绝缘，主要采用热压键合方法。与Pb-Sn合金、无铅焊料相比，导电胶具有环境友好、低温键合、工艺简单、适合高密度、柔性基版封装等优点。

虽然各向异性导电胶目前的应用已涉及智能卡、LCD、LED、数码相机、移动电话、膝上电脑等多种信息、微电子、光电子产品中，但迄今为止导电胶广泛存在的接触电阻较高、高频场作用下性能不稳定等缺点，局限了其更广泛的应用。特别是在经历高温高湿(85℃/85％RH)老化实验后，有些导电胶连接接头电阻会大幅度增加，严重的甚至出现界面分层，开路，导致电连接失败，机械性能下降。

尽管一些现有技术正在着手解决上述缺陷中的一些，但他们的不足之处是包含一些基体树脂的复杂合成，并且必须实施一些附加的处理步骤，制备工艺不够简单。而且，现有技术中导电胶的可靠性有待进一步提高。

降低导电胶材料与芯片、基版的热力学膨胀系数差异，抑制导电通道中各金属结构层的氧化和腐蚀，提供一种具有高的粘结强度、低的接触电阻、好的可靠性，而且不需借助于复杂的过程或配方就可对其进行直接连接(键合)的导电胶，这是长期以来一直寻求的目标。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术中存在的问题，提供一种具有良好可靠性、较低热膨胀系数、良好粘结强度、良好抗氧化、腐蚀能力以及具有良好导电性、较小电阻偏移的各向异性导电胶。

本发明的目的之一在于提供该各向异性导电胶的制备方法。

研究表明：导电胶的失效主要由两个关键因素决定：(1)导电胶连接(键合)结构各界面连接材料的热力学匹配差异；(2)导电通道各金属结构层的氧化或腐蚀(包括电极，芯片凸点，导电颗粒金属层)。因此，要提高各向异性导电胶键合系统的可靠性，关键是应解决以上两个重要问题。

根据上述原理，本发明采用如下技术方案：

一种各向异性导电胶，其特征在于该导电胶组成及重量百分含量如下：

导电微粒 8-12％，

微纳米填充材料1 0.5-10％，该填充材料能降低导电胶的热力学膨胀系数；

微纳米填充材料2 0.5-10％，该填充材料在湿热环境中具有自氧化牺牲性；

环氧树脂 50-85％，

潜伏性环氧固化剂 5-18％。

所述的微纳米填充材料1为硅微粉、或陶瓷粉、或SiO₂、或Al₂O₃；所述的微纳米填充材料2为Cu、或Al、或Zn；所述的导电微粒包括银粉、或金微球、或聚合物表面镀镍或镀金导电小球；所述的潜伏性环氧固化剂为硼胺类、咪唑类环氧固化剂中的任一种或两种以上的混合物。

所述的导电微粒的平均粒径为1-20微米；所述的微纳米填充材料1及微纳米填充材料2的平均粒径应小于所选用的导电微粒的平均粒径。

本发明的向异性导电胶的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：根据上述配方，把纳米填充材料与导电微粒充分混合均匀制成固相混合物，称为第一混合物；把环氧树脂和环氧固化剂均匀混合制成混合物，称为第二混合物；然后将第一和第二混合物充分混合均匀制成导电胶。

所述的混合方法有机械搅拌法、三辊磨混合法、或离心式脱泡匀胶法。

本发明的纳米填充材料可以有多种选择和组合，其中纳米硅微粉、陶瓷粉、SiO₂、Al₂O₃的添加，其作用主要是降低导电胶的热力学膨胀系数，从而降低导电胶连接微结构中的热力学匹配差异、防止湿热环境等引起的分层、开裂等现象；纳米Cu或Al或Zn的添加，主要是在湿热环境中先自氧化牺牲，以保护导电胶导电通道金属不氧化或氧化程度降低。上述纳米填充材料的粒度范围可以有比较广泛的量值。理论上小于导电颗粒的直径即可。但为了降低短路风险及封装连接工艺要求，建议颗粒范围小于500nm。

本发明的导电胶可以通过点胶、甩胶、涂刷、丝网印刷等方法先粘结到基片上，然后对准、贴装芯片，可同时施加压力和升温，在100-250℃左右进行最终固化。本发明中导电胶的工艺选择有较大灵活性，最终固化温度150-220℃，固化时间5-60秒，固化压力5-20Gpa。

本发明的导电胶的粘结强度的测试采用通用的电子材料剪切强度测试方法。将导电胶涂刷在玻璃衬底上，然后将一个0.2×1cm的芯片对准放置在导电胶上面，热压固化。用INSTRON试验机进行粘结强度检测。另一方面，通过超声扫描、或者是扫描电镜观察横断面来观察导电胶连接界面有无裂纹、分层产生。

本发明的导电胶的导电能力(接触电阻)通过四探针电阻测试方法进行。方法和模块参考文献J H Zhang，Y C Chan.“Research on the Contact Resistance，Reliability and Degradation Mechanisms of ACF Interconnection for Flip Chipon Flex Applications，”Journal of Electronic Materials，32(4)：228-234 Apr2003。

本发明的导电胶的可靠性测试环境采用湿热环境可靠性和温度循环试验两种方法。湿热环境可靠性测试条件为：85℃，85％RH，500小时；温度循环试验条件为：-50℃～125℃，低温、高温各停留30分钟，高、低温转变时间2分钟，测试周期1000循环。分别测定可靠性试验前后导电胶的接触电阻、粘结强度变化情况。

与现有技术相比，本发明的方法制备的各向异性导电胶具有如下显而易见的特点和显著优点：

(1)粘结强度高；

(2)起始电阻、电阻漂移值低；

(3)可靠性好；

(4)制备工艺简单；

(5)应用范围广

具体实施方式

现将本发明的实施例叙述于后：

实施例一：通过机械搅拌方法，把纳米硅微粉、纳米Cu、导电微球(日本积水化学，平均粒径5微米)充分混合，制备固相混合物(第一混合物)；

通过把环氧树脂(上海合成树脂厂，商品牌号6002)和环氧固化剂(咪唑类，商品牌号12B02)通过三辊磨、离心式脱泡匀胶机制成液—固混合物(第二混合物)。

然后将这两组混合物混合在一起，直至固体粉末完全被分散和润湿。将最终混合物在离心式脱泡匀胶机中再离心脱泡匀胶5分钟，即可制成各向异性导电胶。

该导电胶总的组分及重量百分含量如下：

纳米硅微粉 5％；纳米Cu 3.6％；

导电微球 10.2％；环氧树脂6002 69.2％；

环氧固化剂12B02 12％

将制成的各向异性导电胶应用于测试模块，于FC-6键合机上进行连接(固化条件：190℃、20s、10Mpa)。将上述测试模块经历恒温恒湿湿热环境可靠性测试(条件为：85℃，85％RH，测试时间500小时)后，检测其接触电阻漂移和界面粘结强度变化情况。经历500小时恒温恒湿可靠性测试后，接触电阻升高5.2％，远远小于标准值(20％)；界面粘结强度降低3.8％；超声扫描、横断面扫描电镜观察均未在导电胶微连接处发现裂纹和分层。

实施例二：通过机械搅拌方法，把纳米SiO₂、纳米Al、导电银粉(平均粒径5微米)充分混合，制备固相混合物(第一混合物)；

通过把环氧树脂(陶氏化学，商品牌号DER351)和环氧固化剂(硼胺类，594；咪唑类，商品牌号12B02)通过三辊磨、离心式脱泡匀胶机制成液—固混合物(第二混合物)。

该导电胶总的组分及重量百分含量如下：

纳米SiO₂ 5.2％；纳米Al 3.4％；

导电银粉 12.2％；环氧树脂6002 67.2％；

环氧固化剂594 8％；环氧促进剂12B02 4％。

将制成的各向异性导电胶应用于测试模块，于FC-6键合机上进行连接(固化条件：200℃、60s、12Mpa)。将上述测试模块经历恒温恒湿湿热环境可靠性测试(条件为：85℃，85％RH，测试时间500小时)后，检测其接触电阻漂移和界面粘结强度变化情况。经历500小时恒温恒湿可靠性测试后，接触电阻升高6.5％，远远小于标准值(20％)；界面粘结强度降低5.0％；超声扫描、横断面扫描电镜观察均未在导电胶微连接处发现裂纹和分层。

Claims

1.一种各向异性导电胶，其特征在于该导电胶组成及重量百分含量如下：

导电微粒 8-12％，

微纳米填充材料 10.5-10％，该填充材料能降低导电胶的热力学膨胀系数；

微纳米填充材料 20.5-10％，该填充材料在湿热环境中具有自氧化牺牲性；

环氧树脂 50-85％，

潜伏性环氧固化剂 5-18％。

2.根据权利要求1所述的各向异性导电胶，其特征在于所述的微纳米填充材料1为硅微粉、或陶瓷粉、或SiO₂、或Al₂O₃；所述的微纳米填充材料2为Cu、或Al、或Zn；所述的导电微粒包括银粉、或金微球、或聚合物表面镀镍或镀金导电小球；所述的潜伏性环氧固化剂为硼胺类、咪唑类环氧固化剂中的任一种或两种以上的混合物。

3.根据权利要求1或2所述的各向异性导电胶，其特征在于所述的导电微粒的平均粒径为1-20微米；所述的微纳米填充材料1及微纳米填充材料2的平均粒径应小于所选用的导电微粒的平均粒径。

4.一种根据权利要求1所述的各向异性导电胶的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：根据上述配方，把纳米填充材料与导电微粒充分混合均匀制成固相混合物，称为第一混合物；把环氧树脂和环氧固化剂均匀混合制成混合物，称为第二混合物；然后将第一和第二混合物充分混合均匀制成导电胶。

5.根据权利要求4所述的各向异性导电胶的制备方法，其特征在于所述的混合采用方法有机械搅拌法、三辊磨混合法、或离心式脱泡匀胶法。