隨著電子產品向小型化、便攜化方向發展,器 件集成度的不斷提高,傳統的Pb/Sn焊料存在一系 列材料及工藝問題,已經不能滿足工藝要求,迫切 需要開發新型連接材料。目前,各國都在抓緊研究 Pb/Sn合金焊料的替代品,在微電子組裝領域,導 電膠膜將逐漸代替傳統的Pb/Sn焊料。與傳統的 Pb/Sn焊料相比,導電膠膜主要存在如下優點[1-4]: ①導電膠膜線分辨率高,適用于更精細的引線間距 和高密度I/O組裝,自身密度小,相同應用條件下 需要量少(約為其它類型微電子互連材料的一半), 符合微電子產品微型化、薄型化和輕量化的發展要 求;②可低溫連接,能減小互連過程中的疲勞損傷 和應力開裂失效問題,因而特別適合于熱敏感元器 件的互連和非可焊性表面的互連;③具有較高的柔 性和抗疲勞性,可與不同的基板連接;④互連工藝簡 單,工藝步驟少,可提高工業生產能力和降低生產成 本;⑤不含鉛以及其它有毒金屬,互連過程無需清 洗,消除了環境污染;⑥電路連接的同時起到填充材 料的保護、防腐等作用;⑦不需要再流過程,對芯片 和基板的影響小。

        2各向異性導電膠膜的組成 各向異性導電膠膜是由導電粒子、膠粘劑、添加 劑組成的,具有導電性、粘結性和絕緣性的電子、電 氣各向異性高分子薄膜(如圖1所示)。其中導電粒 子賦予各向異性導電膠膜以導電性能,膠粘劑賦予 各向異性導電膠膜以連接性能(粘結性和絕緣性)。

        3各向異性導電膠膜的導電機理 導電膠膜的導電作用通常被認為是通過3種 形式實現的:①導電通道學說:通過導電填料間的 直接接觸產生傳導;②隧道效應學說:通過導體之 間的電子躍遷,即隧道效應,產生傳導[5-8];③電場發 射學說:導電粒子之間的高強電場,產生發射電流 而導電。

        導電通道學說主要用來解釋電阻率與填料濃 度的關系,它并不涉及導電的本質,只是從宏觀上 解釋導電膠膜的導電現象;隧道效應理論是應用量 子力學來研究導電膠膜與導電粒子間隙的關系,它 與導電填料的濃度及導電膠膜使用溫度有直接的 關系;而電場發射理論只是隧道效應導電機理中一 種比較特殊的情況[9]。對于各向異性導電膠膜,除了 以上3種導電機理外還有以下因素影響其導電性: ①使導電粒子均勻分散,加壓固化;②使導電粒子 在磁力線作用下偏移;③加入比導電粒子粒徑小的 絕緣粒子;④使用彈性導電粒子并加壓固化。 M Sun、A Shadowiz等[10]人通過建立數學模 型對導電膠的導電性能進行了模擬,研究了壓力、 溫度等條件的影響,并對導電膠在芯片倒裝連接和 BGA技術中的表現進行了預測。

       4各向異性導電膠膜的主要特性

        導電膠膜的電性能是其主要性能指標,制 造科學中心(NCMS)制定的商用表面安裝導電膠 膜的技術要求為導電膠膜電阻率不超過1×10-3 Ω·cm,在500 h,85℃,RH85%條件下接觸電阻的 變化率不超過20%,即導電膠膜在使用過程中除要 求電阻率達到一定的指標外,還要求具有良好的電 性能穩定性[11]。

        導電粒子對導電膠膜的電阻率起著決定性作 用,影響導電膠膜導電性的因素有:導電粒子的種 類、粒徑、形狀和用量等。在導電粒子表面積和形狀 相近的條件下,導電粒子本身的電阻率越低,導電膠 膜的導電性就越好;粒徑大的導電粒子導電性優于 粒徑小的導電粒子,但同時也會帶來連接強度的降 低;不定形(片狀或纖維狀)的導電粒子導電性能和 連接強度優于球形的;對形狀的要求,一般認為導電 粒子為樹枝狀好,而球狀則差,因為樹枝狀的粒 子面接觸多,形成導電通道的概率大,而球狀粒子之 間是點接觸,形成導電通道的概率要小得多。各向異 性導電膠膜中導電粒子的體積分數占5%~10%,導 電粒子的含量對其玻璃化轉化溫度,貯藏模量和損 失模量都有一定的影響[12],在不影響導電膠膜粘度 和粘結強度的情況下,應盡量增加導電粒子的數量, 也可以適當增加非導電粒子的含量來改變導電膠膜 的物理性質。張洪波等[13]以環氧樹脂為原料,銅為 導電粒子,制備了各向異性導電膠。此種導電膠具 有優良的穩定性,使用壽命長,容易保存。沈志剛 等[14]采用磁控濺射方法,在微顆粒表面沉積了金屬 銅膜和鎳膜,結果表明,采用該方法可以在微顆粒表 面鍍上均勻性好,附著力強和致密性好的金屬膜。 為提高銅導電膠中銅的抗氧化性, Silvia Liong[15] 在銅粉表面利用電化學的方法鍍少量其他的金屬如 Zn,在銅粉氧化時Zn可為其提供電子,從而達到保 護銅的目的。利用納米顆粒粒徑小,表面能高,表面 接觸機會大,易形成導電通道,可以大大降低金屬填 充量。Majima Masatoshi等[16]在導電填料添加量相 同的條件下,研究了不同粒徑的顆粒對導電膠電阻 率的影響,結果表明,以納米鎳為導電填料的導電膠 的電阻率顯著降低,存在的問題是納米顆粒表面活 性高,電性能穩定性難以保證。Genetti WB等[17]研 究在金屬鎳顆粒表面包覆本征導電聚合物聚吡咯 (PPy)制備導電膠。結果表明,表面包覆PPy的鎳 導電膠的電阻率反而低于鎳導電膠,其主要原因是 PPy使導電顆粒之間接觸得更好。導電粒子的種類 及其特點見表1。

        5各向異性導電膠膜存在的技術問題及研究方向

         5.1存在的技術問題

         目前,Pb/Sn焊料仍在電子表面封裝技術中大 量應用,導電膠膜雖具有許多優點,但因其自身存 在的亟待解決的問題,仍然不能完全取代Pb/Sn焊 料。導電膠膜主要存在以下問題:①電導率低,對于 一般的元器件,大多導電膠膜均可接受,但對于功 率器件,則不一定[18-19];②耐沖擊性差[20],長期機 械強度和電穩定性差[20-24];③粘接效果受元器件類 型、PCB(印刷線路板)類型影響較大;④固化時間 長。由基體樹脂和金屬導電粒子組成的導電膠膜, 其電導率低于Pb/Sn焊料,為了解決這一問題,國 內外的科研工作者做了以下的努力:提高導電顆粒 之間的接觸緊密度;增加金屬顆粒的填充量;用醛 類去除金屬填充物表面的金屬氧化物;采用納米級 的填充粒子等。Daoqiang Lu[25]在研究中發現只有 當膠體固化時導電顆粒實現緊密接觸才能形成導 電通道。

        導電膠膜的另一個技術問題是相對較低的粘 結強度,在節距小的連接中,粘結強度直接影響元 件的抗沖擊性能。M A Uddin等[26]研究發現,用等 離子體清潔導電膠膜的待粘表面可以大大增加粘 接強度。另外,在樹脂體系中加入偶聯劑,增加接觸 表面的粗糙程度也被認為是可行的方法。

        5.2研究發展方向