來源|中國膠粘劑作者|左興單位|上海市塑料研究所有限公司原文 |DOI:10.13416/j.ca.2022.10.010
摘要:采用一系列銀粉制備了不同種類的導(dǎo)電膠。通過不同的配方來調(diào)配導(dǎo)電膠的黏度,并結(jié)合導(dǎo)電膠的相關(guān)性能,最終調(diào)試得到了 A、B、C三種導(dǎo)電膠。對其黏度、熱穩(wěn)定性、固化性能、導(dǎo)電導(dǎo)熱性和力學(xué)性能進行了研究。研究結(jié)果表明:三種導(dǎo)電膠的觸變性均較好,熱分解溫度在 390℃左右,耐溫性較佳,固化溫度都在 220℃左右;三種導(dǎo)電膠的導(dǎo)熱系數(shù)分別為 27.31、31.93、29.23 W/(m·K),遠超企標要求[>2 W/(m·K)];制備的三種導(dǎo)電膠在高溫時的拉伸剪切強度相比傳統(tǒng)導(dǎo)電膠要高50%,可充分滿足導(dǎo)電膠的高溫使用條件。綜上所述,三種導(dǎo)電膠的常規(guī)性能均能滿足企業(yè)標準,性能穩(wěn)定,可應(yīng)用于對熱導(dǎo)率要求較高的高精密半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞:高填充銀粉;微納米銀粉;導(dǎo)電膠;高導(dǎo)熱
00
前言
導(dǎo)電膠是一種主要由樹脂和導(dǎo)電填料組成的特殊膠粘劑,可用于微電子組件、封裝制造工藝中的粘接材料。導(dǎo)電膠與傳統(tǒng) Sn/Pb 焊料相比,不需要做焊前、焊后清洗工作,沒有鉛類有毒重金屬,有效避免了環(huán)境污染;對比焊接施工,樹脂膠粘劑的固化溫度較低,可避免焊接高溫導(dǎo)致的電子元件損傷、熱變形及內(nèi)應(yīng)力的形成,可用于熱敏性材料和不可焊接材料的粘接。如果將導(dǎo)電膠加工成漿料,可實現(xiàn)很高的線分辨率,能提供更細間距的能力,適合精細間距元器件組裝,因此導(dǎo)電膠具有加工工序簡單、易操作、可靠性高、對環(huán)境友好等優(yōu)點。
根據(jù)導(dǎo)電填料的不同,可以將導(dǎo)電膠分為金屬導(dǎo)電膠和碳系導(dǎo)電膠。金屬系主要包括金粉、銀粉、銅粉、鎳粉等。其中金粉穩(wěn)定性最好,銅粉成本低廉但易氧化穩(wěn)定性差,鎳粉成本低廉但導(dǎo)電性和穩(wěn)定性較差。銀粉由于其導(dǎo)電性好,化學(xué)性能穩(wěn)定,價格相對金粉低而常被用來制備導(dǎo)電膠。銀粉導(dǎo)電膠自 1966年問世以來,已被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路的封裝、液晶顯示屏(LCD)、發(fā)光二極管(LED)、有機發(fā)光屏(OLED)、印刷電路板(PCB)、壓電晶體等諸多領(lǐng)域。
近年來,部分半導(dǎo)體芯片功率越來越大,同時隨著導(dǎo)電膠技術(shù)的發(fā)展,中小功率器件可以用高散熱導(dǎo)電膠替代原有焊料工藝。照明用 LED 也正向大功率、高亮度發(fā)展,因此,高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的市場需求變得越來越大。普通銀粉由于其自身的局限性,導(dǎo)致其銀粉導(dǎo)電膠的導(dǎo)電導(dǎo)熱不夠高。而微納米級別的片狀銀粉相比于傳統(tǒng)銀粉,對電層間隙填充效果比大顆粒球形銀漿料更加優(yōu)異,導(dǎo)電導(dǎo)熱效果更好,但因粒徑小、比表面積大很難分散,因此可通過在普通銀粉中添加適量微納米銀粉來提高導(dǎo)電膠的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。
納米及微納米銀粉由于低溫?zé)Y(jié)的特性,在樹脂固化前即可熔化,與其他金屬浸潤連接,形成良好的導(dǎo)電通路。作為高散熱、高導(dǎo)電材料的填充粒子,納米銀和微納米銀粉已被廣泛研究。JIANG 等在原有的導(dǎo)電膠體系中加入少量納米銀粉,即將導(dǎo)電膠體積電阻率大大提升。
本試驗采用可高填充的銀粉,并通過添加一定量的微納米銀粉制備導(dǎo)電膠,制備出了熱導(dǎo)率更高且較易施工的銀基導(dǎo)電膠。它可作為一種高散熱的特種導(dǎo)電膠使用于一些特殊環(huán)境,例如有發(fā)熱器件需要散熱、同時有一定耐溫要求的芯片粘接、不適用焊料的場合。
01
試驗部分
1.1試驗原料
微納米銀粉,分析純(牌號 SV-006、SV-007、SV-008),上海市塑料研究所有限公司;片狀銀粉(牌號 0295)、高填充銀粉(牌號 P-336),分析純,美國Metalor公司;環(huán)氧樹脂,自制。
1.2試驗儀器
DV-Ⅱ+Pro 型錐板黏度計,上海人和科學(xué)儀器有限公司;ARV-310 LED 型真空脫泡攪拌機,日本Thinky 公司;SB2233 型直流數(shù)字電阻測試儀,上海精密科學(xué)儀器有限公司;AG-50 kNE 型萬能電子拉力機,日本島津公司;DSC25 型差示掃描量熱儀(DSC)、Q400型熱重分析儀(TGA),美國TA公司;LFA467型導(dǎo)熱儀,德國耐馳公司。
1.3試驗制備
將特定樹脂、不同銀粉按相應(yīng)比例混合,初步手動攪拌均勻后,放入自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)攪拌機中,以500 r/min 轉(zhuǎn)速在 0.2 kPa 壓力下攪拌 5 min。本研究通過一種高填充(即高散熱、低片狀化)的銀粉和三種微納米銀粉制備了 A、B、C 三種高散熱導(dǎo)電膠。由于微納米銀粉比表面積是片狀銀粉 10倍左右,粒徑是片狀銀粉幾分之一,因此很難在樹脂中分散,且隨著比例增加,導(dǎo)電膠黏度快速上升,綜合考慮微納米銀粉只能少量添加。A~C 導(dǎo)電膠的配方如下。
A導(dǎo)電膠:m(特定樹脂)=15%,m(P-336銀粉)=80%,m=(SV-006銀粉)=5%。
B導(dǎo)電膠:m(特定樹脂)=15%,m(P-336銀粉)=80%,m=(SV-007銀粉)=5%。
C導(dǎo)電膠:m(特定樹脂)=15%,m(P-336銀粉)=80%,m=(SV-008銀粉)=5%。
在較高填充量的情況下加入一定比例微納米銀粉,再進一步利用微納米銀粉可在較低溫度(160~240℃)部分熔融,在銀粉之間浸潤連接,形成良好的通路,起到類似焊接作用,以降低熱阻。
1.4測定或表征
(1)固化溫度:采用 DSC 對樣品進行表征(升溫速率為20 K/min,空氣氣氛)。
(2)分解溫度:采用 TGA 對樣品進行表征(升溫速率為20 K/min,氮氣氣氛)。
(3)黏度:采用椎板黏度計分別測量導(dǎo)電膠樣品在5和0.5 r/min時的黏度。
(4)剪切強度:按照 GB/T 7124—2008 標準,采用萬能電子拉力機對樣品進行測定(鋼片基材的尺寸 為 100cm×25cm×0.3cm,施膠面的尺寸為2.5cm×1cm)。
(5)電阻和體積電阻率:按照 GJB 548A—1996標準對樣品進行測定和計算。
(6)導(dǎo)熱系數(shù):采用激光脈沖法對樣品進行測定,試樣尺寸為 10 mm×10 mm,厚度為 1 mm,試樣表面噴涂石墨。
02
結(jié)果與討論
2.1導(dǎo)電膠的黏度
黏度是影響導(dǎo)電膠施工工藝性的重要因素,因此在制備新的導(dǎo)電膠產(chǎn)品時,首先應(yīng)該考察導(dǎo)電膠的黏度問題。制備的不同種類導(dǎo)電膠的黏度如表 1所示。
表1不同銀粉添加量的導(dǎo)電膠的黏度
通過一系列探究,并結(jié)合導(dǎo)電膠后續(xù)的各項性能,最終制備出了三種導(dǎo)電膠 A、B、C(分別對應(yīng)表 1 中配方 1、2、3)。這三種導(dǎo)電膠的黏度適中,在 5.0 r/min 下的黏度在 4~6 Pa·s 之間,觸變度分別為 3.8、4.5 和 4.2,比較適合半導(dǎo)體芯片用導(dǎo)電膠的施工工藝,并具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。
2.2導(dǎo)電膠的熱分解行為
高散熱導(dǎo)電膠一般用于有散熱要求的應(yīng)用場景,即有高溫環(huán)境下使用的需求,因此需要考察所制備導(dǎo)電膠的熱穩(wěn)定性,結(jié)果如圖1所示。
圖1A~C三種導(dǎo)電膠的TGA曲線
由圖 1 可知:A 導(dǎo)電膠在 104.4 ℃時,小分子開始揮發(fā),190.4℃時失重率為 3.57%,與導(dǎo)電膠中助劑(稀釋劑等揮發(fā)物質(zhì))的含量較為一致 。在391.5℃時,A 導(dǎo)電膠開始發(fā)生明顯失重,此時的失重為環(huán)氧樹脂的熱分解行為。在467.4℃時,失重率為12.1%。最終殘余物質(zhì)量分數(shù)為 87.37%,為銀粉和碳骨架殘留。
B 導(dǎo)電膠和 C 導(dǎo)電膠的熱分解行為與 A 導(dǎo)電膠基本一致,最終殘留量分別為 87.53% 和 87.52%。通過 TGA 曲線可以看出,樹脂開始大量分解時溫度在 390 ℃左右,表明本研究制備的導(dǎo)電膠具備高散熱導(dǎo)電膠耐高溫的特征。
2.3導(dǎo)電膠的固化行為
導(dǎo)電膠的固化行為如圖2所示。由圖 2可知:A導(dǎo)電膠在 170℃時有一個小的放熱峰,為導(dǎo)電膠的預(yù)固化。在 218.03℃出現(xiàn)大的放熱峰,此時導(dǎo)電膠開始大量固化。在 300℃保留20 min 以后繼續(xù)升溫,可以看出第二遍的 DSC 曲線沒有大的固化放熱峰。初步判定該導(dǎo)電膠的固化溫度為220℃左右。
圖2A~C三種導(dǎo)電膠的DSC曲線
B 導(dǎo)電膠和 C 導(dǎo)電膠的 DSC 曲線與 A 導(dǎo)電膠類似,固化行為幾乎一樣。固化溫度都在 220℃左右。因此后續(xù)高散熱導(dǎo)電膠的施工工藝中,可以將導(dǎo)電膠的固化溫度設(shè)為220℃。
2.4導(dǎo)電膠的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能
導(dǎo)電膠的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能如表2所示。
表2三種導(dǎo)電膠的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能
由表 2 可知:A 導(dǎo)電膠的體積電阻率為 5.47×10-7Ω·m,B 導(dǎo)電膠的體積電阻率為 4.61×10-7Ω·m,C 導(dǎo)電膠的體積電阻率為 5.05×10-7Ω ·m。目前我司在售導(dǎo)電膠產(chǎn)品中,體積電阻率數(shù)量級大多在 10-6Ω·m,而本課題中制備的導(dǎo)電膠的體積電阻率數(shù)量級為 10-7Ω·m。證明該導(dǎo)電膠的導(dǎo)電性能十分優(yōu)異,在粘接強度較好的前提下,能為半導(dǎo)體封裝中芯片和基座間提供良好的連接導(dǎo)電作用。
三種導(dǎo)電膠的導(dǎo)熱系數(shù)分別為 27.31、31.93 和29.23 W/(m·K)。目前我司在售導(dǎo)電膠企標中的導(dǎo)熱系數(shù)一般為 2 W/(m·K),而本課題中制備的導(dǎo)電膠的導(dǎo)熱系數(shù)高達30 W/(m·K),能充分滿足半導(dǎo)體封裝中對高端導(dǎo)電膠高導(dǎo)熱性能的要求。
2.5導(dǎo)電膠的力學(xué)性能
對三種導(dǎo)電膠進行機械性能測試,分別測試了室溫和高溫(200 ℃)下的拉伸剪切強度,結(jié)果如表3所示。
表3三種導(dǎo)電膠的拉伸剪切強度
由表 3 可知:A 導(dǎo)電膠室溫下的平均拉伸剪切強度為 6.43 MPa,B 導(dǎo)電膠的平均室溫拉伸剪切強度為 6.98 MPa,C 導(dǎo)電膠的平均室溫拉伸剪切強度是 6.40 MPa。三種導(dǎo)電膠由于配方相近,銀粉類型相近,所以性能幾乎保持一致。高散熱導(dǎo)電膠中銀粉質(zhì)量分數(shù)高達 85%,導(dǎo)電膠的強度由樹脂強度決定,同時也會受到不同銀粉與樹脂結(jié)合界面強度影響。
由于本課題中制備的導(dǎo)電膠的樹脂質(zhì)量分數(shù)相對一般傳統(tǒng)導(dǎo)電膠的樹脂含量(質(zhì)量分數(shù) 20%~30%)較低,只有 15%,故此類導(dǎo)電膠的拉伸剪切強度比傳統(tǒng)導(dǎo)電膠的拉伸剪切強度相對較低。但相比同類型高散熱導(dǎo)電膠,本課題制備的高散熱導(dǎo)電膠的拉伸剪切強度較高,符合高散熱導(dǎo)電膠使用時的施工工藝,以及在后續(xù)使用過程中能保持粘接性能。
200 ℃時,A 導(dǎo)電膠的平均拉伸剪切強度為3.02 MPa,B 導(dǎo)電膠的平均拉伸剪切強度為2.83 MPa,C 導(dǎo)電膠的平均拉伸剪切強度為2.92 MPa。三種導(dǎo)電膠在高溫時的拉伸剪切強度也幾乎一致。且根據(jù)多組數(shù)據(jù)來看,性能穩(wěn)定,重復(fù)性較高。由于高散熱導(dǎo)電膠的載體作業(yè)過程一般溫度較高,故需要導(dǎo)電膠在高溫時也能具有較好的強度。公司在售導(dǎo)電膠高溫拉伸剪切強度為 2 MPa,由此可見,本課題中制備的導(dǎo)電膠在高溫時的拉伸剪切強度相比傳統(tǒng)導(dǎo)電膠要高 50%,可充分滿足導(dǎo)電膠的高溫使用條件。
從表 3 數(shù)據(jù)綜合來看,該種類型的導(dǎo)電膠在高溫時的拉伸剪切強度說明,該導(dǎo)電膠在高溫時也能保持一定的強度,保持粘接性能,從而保證載體的順利作業(yè)。
03
結(jié)語
(1)采用一系列銀粉制備了不同種類的導(dǎo)電膠,通過不同的配方來調(diào)配導(dǎo)電膠的黏度,并結(jié)合導(dǎo)電膠的相關(guān)性能,最終調(diào)試得到了 A、B、C 三種導(dǎo)電膠。對其黏度、熱穩(wěn)定性、固化性能、導(dǎo)電導(dǎo)熱性和力學(xué)性能進行了研究。
(2)三種導(dǎo)電膠的觸變性均較好,熱分解溫度在 390℃左右,耐溫性較佳,固化溫度都在 220℃左右。
(3)三種導(dǎo)電膠的導(dǎo)熱系數(shù)分別為 27.31、31.93和29.23 W/(m·K),遠超企標要求[>2 W/(m·K)]。
(4)制備的三種導(dǎo)電膠在高溫時的拉伸剪切強度分別為 3.02、2.83 和 2.92 MPa,相比傳統(tǒng)導(dǎo)電膠(2 MPa 左右)要高 50%,可充分滿足導(dǎo)電膠的高溫使用條件。
(5)綜上所述,三種導(dǎo)電膠的常規(guī)性能均能滿足企業(yè)標準,性能穩(wěn)定,可應(yīng)用于對熱導(dǎo)率要求較高的高精密半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域。
以上部分資料圖片轉(zhuǎn)載于網(wǎng)絡(luò)平臺“熱管理材料”,文章僅用于交流學(xué)習(xí),版權(quán)歸原作者。如有侵權(quán)請告知,立刪。
-
材料
+關(guān)注
關(guān)注
3文章
1223瀏覽量
27276 -
導(dǎo)電膠
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
100瀏覽量
11637
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論