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一文看懂导电胶原理、分类、组成、前景及用途!

导电胶是一种固化或干燥后具有一定导电性能的胶黏剂,它通常以基体树脂和导电填料即导电粒子为主要组成成分, 通过基体树脂的粘接作用把导电粒子结合在一起, 形成导电通路, 实现被粘材料的导电连接.由于导电胶的基体树脂是一种胶黏剂, 可以选择适宜的固化温度进行粘接, 同时, 由于电子元件的小型化、微型化及印刷电路板的高密度化和高度集成化的迅速发展, 而导电胶可以制成浆料, 实现很高的线分辨率.而且导电胶工艺简单, 易于操作, 可提高生产效率,所以导电胶是替代铅锡焊接, 实现导电连接的理想选择。

1.导电胶的导电原理


导电胶的导电原理重要有两种。

第一种是导电粒子间的相互接触,形成导电通路,使导电胶具有导电性,胶层中粒子间的稳定接触是由于导电胶固化或干燥造成的。导电胶在固化或干燥前,导电粒子在胶粘剂中是分离存在的,相互间没有连续接触,因而处于绝缘状态。导电胶固化或干燥后,由于溶剂的挥发和胶粘剂的固化而引起胶粘剂体积的收缩,使导电粒子相互间呈稳定的连续状态,因而表现出导电性。


第二种是隧道效应使导电胶中粒子间形成一定的电流通路。当导电粒子中的自由电子的定向运动受到阻碍,这种阻碍可视为一种具有一定势能的势垒。根据量子力学的概念可知,对于一个微观粒子来说,即使其能量小于势垒的能量,它除了有被反射的可能性之外,也有穿过势垒的可能性,微观粒子穿过势垒的现象称为贯穿效应,也可叫做隧道效应。电子是一种微观粒子,因而它具有穿过导电粒子间隔离层阻碍的可能性。电子穿过隔离层几率的大小与隔离层的厚度及隔离层势垒的能量与电子能量的差值有关,厚度和差值越小,电子穿过隔离层几率就越大。当隔离层的厚度小到一定值时,电子就很容易穿过这个薄的隔离层,使导电粒子间的隔离层变为导电层。由隧道效应而产生的导电层可用一个电阻和一个电容来等效。

2.导电胶的分类

导电胶种类很多,按导电方向分为各向同性导电胶(ICAs,Isotropic Conductive Adhesive)和各向异性导电胶(ACAs,Anisotropic Conductive Adhesives).ICA是指各个方向均导电的胶黏剂, 可广泛用于多种电子领域;ACA则指在一个方向上如Z方向导电, 而在X和Y方向不导电的胶黏剂.一般来说ACA的制备对设备和工艺要求较高, 比较不容易实现, 较多用于板的精细印刷等场合, 如平板显示器(FPDs)中的板的印刷。


按照固化体系导电胶又可分为室温固化导电胶、中温固化导电胶、高温固化导电胶、紫外光固化导电胶等.室温固化导电胶较不稳定, 室温储存时体积电阻率容易发生变化.高温导电胶高温固化时金属粒子易氧化, 固化时间要求必须较短才能满足导电胶的要求.目前国内外应用较多的是中温固化导电胶(低于150℃), 其固化温度适中, 与电子元器件的耐温能力和使用温度相匹配, 力学性能也较优异, 所以应用较广泛.紫外光固化导电胶将紫外光固化技术和导电胶结合起来, 赋予了导电胶新的性能并扩大了导电胶的应用范围, 可用于液晶显示电致发光等电子显示技术上, 国外从上世纪九十年代开始研究, 我国近年也开始研究。

3.导电胶的组成

导电胶主要由树脂基体、导电粒子和分散添加剂、助剂等组成.目前市场上使用的导电胶大都是填料型。


填料型导电胶的树脂基体, 原则上讲, 可以采用各种胶勃剂类型的树脂基体, 常用的一般有热固性胶黏剂如环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂等胶黏剂体系.这些胶黏剂在固化后形成了导电胶的分子骨架结构, 提供了力学性能和粘接性能保障, 并使导电填料粒子形成通道.由于环氧树脂可以在室温或低于150℃固化, 并且具有丰富的配方可设计性能, 目前环氧树脂基导电胶占主导地位。


导电胶要求导电粒子本身要有良好的导电性能粒径要在合适的范围内, 能够添加到导电胶基体中形成导电通路.导电填料可以是金、银、铜、铝、锌、铁、镍的粉末和石墨及一些导电化合物。

4.国内外研究状况及前景


目前,国内生产导电胶的单位主要有金属研究所等,国外企业有TeamChem Company,日本的日立公司、Three-Bond公司、美国Epoxy的公司、Ablistick公司,Loctite公司、3M公司等.国内企业有Waysharee卉贤电子, YiHua公司 等. 已商品化的导电胶种主要有导电胶膏、导电胶浆、导电涂料、导电胶带、导电胶水等,组分有单、双组分.导电胶一般用于微电子封装、印刷电路板、导电线路粘接等各种电子领域中.现今国内的导电胶无论从品种和性能上与国外都没有较大差距。

5. 导电胶的应用领域

(1)导电胶粘剂用于微电子装配,包括细导线与印刷线路、电镀底板、陶瓷被粘物的金属层、金属底盘连接,粘接导线与管座,粘接元件与穿过印刷线路的平面孔,粘接波导调谐以及孔修补。


(2)导电胶粘剂用于取代焊接温度超过因焊接形成氧化膜时耐受能力的点焊.导电胶粘剂作为锡铅焊料的替代晶,其主要应用范围如:电话和移动通信系统;广播、电视、计算机等行业;汽车工业;医用设备;解决电磁兼容(EMC)等方面。


(3)导电胶粘剂的另一应用就是在铁电体装置中用于电极片与磁体晶体的粘接.导电胶粘剂可取代焊药和晶体因焊接温度趋于沉积的焊接.用于电池接线柱的粘接是当焊接温度不利时导电胶粘剂的又一用途。


(4)导电胶粘剂能形成足够强度的接头,因此,可以用作结构胶粘剂。


(5)国内外导电胶的应用情况-导电胶后起之秀 目前国内市场上一些高尖端的领域使用的导电胶主要以进口为主:美国的Ablistick公司、3M公司几乎占领了全部的IC和LED领域,日本的住友和台湾翌华也有涉及这些领域.日本的公司则控制了整个的石英晶体谐振器方面导电胶的应用.国内的导电胶主要使用在一些中、低档的产品上,这方面的市场主要由金属研究所占有. 最近几年上海卉贤电子有致力于这方面的发展, 主要时下的性价比非常高。


(6)导电胶粘剂用于微电子装配,包括细导线与印刷线路、电镀底板、陶瓷被粘物的金属层、金属底盘连接,粘接导线与管座,粘接元件与穿过印刷线路的平面孔,粘接波导调谐以及孔修补. 导电胶粘剂用于取代焊接温度超过因焊接形成氧化膜时耐受能力的点焊.导电胶粘剂作为锡铅焊料的替代晶,其主要应用范围如:电话和移动通信系统;广播、电视、计算机等行业;汽车工业;医用设备;解决电磁兼容(EMC)等方面。


(7)导电胶粘剂的另一应用就是在铁电体装置中用于电极片与磁体晶体的粘接.导电胶粘剂可取代焊药和晶体因焊接温度趋于沉积的焊接.用于电池接线柱的粘接是当焊接温度不利时导电胶粘剂的又一用途。


(8)导电胶粘剂能形成足够强度的接头,因此,可以用作结构胶粘剂。


近来,国内出现了室温保存型导电胶,该类导电胶是对传统导电胶的突破。该款产品实现了在室温下储藏三个月的独特性能。在点胶机上使用,可以实现两个月不洗胶盘的工艺要求。

目前我国电子产业正大量引进和开发SMT 生产线, 导电胶在我国必然有广阔的应用前景.但我国在这方面的研究起步较晚, 目前所需用的高性能导电胶主要依赖进口, 因此必须大力加强粘接温度和固化时间、粘接压力、粒子含量等因素导电胶可靠性的影响的研究和应用开发, 制备出新型的导电胶, 以提高我国电子产品封装业的国际竞争力。


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