導電膠技術革新

漢興自動化 時間：2025-04-05 20:09:59

電子元件向微型化的方向發展，帶來一系列材料及工藝的問題。例如，微型元件的安裝、復雜線路的連接，很難用一般的焊接方法來完成。這是由于微型元件體積較小，不僅操作困難，質量難以保證，同時焊接所引起的高溫影響許多熱敏電子元件的性能。

又如，波導元件的制造過程，過去沿用高溫釬焊，結果引起波導管高溫變形，光潔的表面產生氧化現象，必須采用手工進行拋光、修整，使勞動強度增大，生產率降低。為此，導電黏結劑便應運而生。

      導電黏結劑又稱導電膠，是一種固化或干燥后具有一定導電性能的膠黏劑。它通常以基體樹脂和導電填料即導電粒子為主要組成成分，通過基體樹脂的黏結作用把導電粒子結合在一起，形成導電通路，實現與被黏材料的導電連接。由于導電膠的基體樹脂是一種膠黏劑，可以選擇適宜的固化溫度進行黏結，如環氧樹脂膠黏劑可以在室溫至150℃固化，遠低于錫鉛焊接的200℃以上的焊接溫度，這就避免了焊接高溫可能導致的材料變形、電子器件的熱損傷和內應力的形成。同時，由于電子元件的小型化、微型化及印制電路板的高密度化和高度集成化的迅速發展，鉛錫焊接的0.65mm的最小節距遠遠滿足不了導電連接的實際需求，而導電膠可以制成漿料，實現很高的線分辨率。而且導電膠工藝簡單，易于操作，可提高生產效率，也避免了錫鉛焊料中重金屬鉛引起的環境污染。所以導電膠是替代鉛錫焊接，實現導電連接的理想選擇。

     目前導電膠已廣泛應用于液晶顯示屏（LCD）、發光二極管（LED）、集成電路（IC）芯片、印制電路板組件（PCBA）、點陣塊、陶瓷電容、薄膜開關、智能卡、射頻識別等電子元件和組件的封裝和黏結，有逐步取代傳統的錫焊焊接的趨勢。

1.導電膠的種類

    國內外導電膠的品種已有數百種，廣泛應用于大型集成電路、檢波器、傳感器、光敏元件、電子攝像機和儀器波導等許多電氣元件和部件上同種或異種材料間的導電連接。

     從應用角度可以將導電膠分成一般型導電膠和特種導電膠兩類。一般型導電膠只對導電膠的導電性能和黏結強度有一定要求；特種導電膠除對導電性能和黏結強度有一定要求外，還有某種特殊要求，如耐高溫、耐超低溫、瞬間固化、各向異性和透明性等。

     按固化工藝特點，可將導電膠分為反應固化型、熱熔型、高溫燒結型、溶劑型和壓敏型導電膠。

      按導電膠中導電粒子的種類不同，可將導電膠分為銀系導電膠、金系導電膠、銅系導電膠和炭系導電膠等，應用最廣的是銀系導電膠。

      按導電膠中黏料的化學類型又可將導電膠分成無機導電膠和有機導電膠。無機導電膠耐高溫性能好，但對金屬的黏附性能差，主要有硅酸鹽型和磷酸鹽型等；有機導電膠對多種材料都有較好的黏附性能，但耐熱性不高，主要有環氧樹脂導電膠、酚醛樹脂導電膠、聚氨酯導電膠、熱塑性樹脂導電膠和聚酰亞胺導電膠，應用最廣的是環氧樹脂導電膠。

       按導電方向又可分為各向同性導電膠和各向異性導電膠。各向同性導電膠是指各個方向均導電的膠黏劑，可廣泛用于多種電子領域；各向異性導電膠則指在一個方向上如Z方向導電，而在X和Y方向不導電的膠黏劑。一般來說，各向異性導電膠的制備對設備和工藝要求較高，比較不容易實現，較多用于板的精細印刷等場合。

2.導電膠的組成

     導電膠主要由黏料、填充導電體顆粒、固化劑媒介物、溶劑、稀釋劑和添加劑組成。導電填充材料是金屬顆粒，如金、銀、銅和鎳及氧化物（如氧化銦和氧化錫），或者是炭黑和石墨顆粒，合成材料（如包覆銅粉的銀）也可以被采用，銀顆粒和包覆銅粉的銀顆粒也可被選為導電填充材料來使用。

1）黏料

      黏料是一種用來使導電性填料與基材密切連接，同時又使導電粒子以鏈鎖狀聯結，從而產生導電性，還賦予導電膜物理和化學穩定性的材料。導電膠用的黏料有合成樹脂、合成橡膠和一些無機鹽等。常用的合成樹脂有環氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯、丙烯酸酯類樹脂、小飽和聚酯、聚酰亞胺、有機硅樹脂及一些熱塑性烯烴類樹脂等。常用的橡膠有聚異丁烯橡膠、硅橡膠、丁基橡膠和天然橡膠等。常用的無機鹽有硅酸鹽和磷酸鹽等。

2）導電填料

導電填料也稱導電粒子。導電膠用的導電粒子有金粉、銀粉、鎳粉、羰基鎳、鈀粉、鉬粉、鈷粉、鍍銀金屬粉、鍍銀二氧化硅粉、鍍銀玻璃微珠、石墨、銀的硅化物、碳化硅、碳化鎢、碳化鎳、碳化鈀等，部分導電粒子材料的電阻率如表1所示。

 表1 部分導電粒子材料的電阻率

    銀粉具有優良的導電性和化學穩定性，它在空氣中氧化極慢，在膠層中幾乎不氧化，即使已經氧化了，生成的氧化物仍有一定的導電性，因而在電氣可靠性要求高的電氣裝置上應用最多。

銀粉價格高，相對密度大、易沉淀，在潮濕環境中有遷移現象，但在導電膠配制中，銀粉仍是一種較理想和應用最多的導電粒子。

銀粉的制備方法有電解法（電化學還原法）、化學還原法、加熱分解法和物理法。

電化學還原法是利用離子化傾向差異的方法，即在硝酸銀溶液中加入硝酸.然后插入銅板，銀就會析出在銅板上。此外，以硝酸銀作為電解液，以銀作為陰極進行電解，就會在陰極處析出樹枝狀銀粒。

      化學還原法是由硝酸銀制取銀鹽，然后用各種還原劑使它還原，制得銀粉。其還原劑可以使用肼，若同時再使用胺或表面活性劑，則可得到比表面積大且分散性優良的銀粉，使用甲醛可以提高銀粉的得率。此外，在氫氣中進行加壓還原，可得到0.2～5μm的細粒子銀粉。

加熱分解法制備銀粉是將銀鹽加熱分解后制得海綿狀銀粉。

     屬于物理性質的制造方法是把銀置于真空中加熱，使之飛濺開來（真空鍍膜、噴涂、離子噴鍍）后，用錘碎機等粉碎，可得到扁平狀的銀粉。此外，用水噴射以噴嘴噴出的熔融銀，使銀飛濺，可以得到球粒狀銀粉（霧化法）。在由上述方法制得的銀粉中加入脂肪酸等潤滑劑，再進行粉碎可得到磷片狀銀粉。表2 表明不同方法制得的銀粉性質是不相同的。

表2 不同方法制得的銀粉的性質

金粉具有優異的化學穩定性和優良的導電性，是導電膠中最理想的導電粒子，但價格昂貴，僅用于要求穩定性和可靠性非常高的產品上。金粉可用金的氯化物通過化學反應制取，也可用金箔粉碎法來制得。

      銅粉、鋁粉和鎳粉具有較好的導電性，成本低，但在空氣中易氧化，使導電性變壞，使用溫度受到限制。用銅粉、鋁粉和鎳粉所配制的導電膠，其穩定性和可靠性不如銀系導電膠，僅用于穩定性和可靠性要求不高的產品上。在使用銅粉和鎳粉時，應加入相應的助劑，除去表面氧化層，使導電性提高。

     炭粉、石墨粉成本低，相對密度小，分散性好，但導電性差，僅用于屏蔽和防靜電的產品上。

       將中空微玻璃球、炭粉、鋁粉等粒子鍍銀后得到的鍍銀粒子，具有導電性好、成本低、相對密度小等特點，可用于配制對導電性要求不高的導電膠。

       銅粉鍍銀粒子具有好的導電性，鍍層穩定性高，是一種有發展前途的導電粒子。

將金屬粒子和樹脂混合后，進行同化或硫化，然后粉碎，得到復合物導電粒子，用這種導電粒子所配制的導電膠具有好的黏結強度。

3）其他配合劑

        在導電膠組成中，加入增韌劑可以提高膠層的柔韌性和黏結強度。常用的增韌劑有聚乙烯醇縮醛、聚丁二烯環氧、丁腈橡膠和尼龍等。液體丁腈橡膠的加入會使導電性有所降低，一般用量不超過10%。以固體橡膠增韌時，有時需加入硫化劑，當以銀粉為導電粒子時，應選用不含疏的硫化劑，以避免硫同銀粉發生化學反應，使導電性能下降。

       某些導電膠需加入固化劑，有時也加入少量固化促進劑、稀釋劑和偶聯劑等。

當選用酚醛樹脂或熱塑性高分子化合物為黏料時，需加入溶劑，選用的溶劑一定要對黏料有良好的溶解性，否則將引起黏料凝聚，使導電粒子不能很好地呈鏈狀結構，導致導電性能降低。采用網板印刷的導電膠，為防止涂膜干燥而引起網眼堵塞，應選用揮發慢的溶劑。

       選用銅粉和鎳粉為導電粒子時，為了除掉粒子表面的氧化層，應加入相應的助劑配合使用。例如，選用銅粉時，可加入胺或酚類，使銅粉表面的氧化物被還原；選用銀粉為導電粒子時，為了防止或降低銀遷移現象的發生，可加入少量五氧化二礬或采用銀和銅、銀和鎳、銀和鈀、銀和銦、銀和釩等混合導電粒子。

      為了減少導電粒子的用量，降低導電膠的熱膨脹系數，可在導電膠中加入一定量的非導電性粒子，如玻璃粉、二氧化硅粉和氧化鋁粉。配膠時，應將非導電粒子先同黏料及其他配合劑混合均勻，然后再加導電粒子，這樣才能獲得較好的導電性。

3.影響導電膠導電性的主要因素

      導電膠中黏料和配合劑的種類，導電粒子的種類、用量、粒度、形狀、導電膠的配制工藝和固化工藝等對導電膠的導電性能都有很大影響。

（1）導電粒子類型的影響。

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小，導電膠的性能越好。表3列出了不同種類導電粒子對導電膠導電性的影響。

表3 導電粒子對導電膠導電性的影響

（2）導電粒子用量的影響。

隨導電粒子加入量的增多，導電膠的電阻率下降。如果導電粒子加入量過少，固化干燥后，膠層中的導電粒子得不到鏈狀聯結，此時可能完全不導電。相反如果導電粒子加入量過多，導電粒子得不到牢固聯結，導電性是不穩定的，黏結強度也明顯下降。因此，導電粒子和黏料要有一個適當的混合比，這個混合比受導電粒子的種類的影響。

（3）導電粒子形狀的影響。

導電粒子聯結狀態因導電粒子的形狀而異，并使其導電性也顯示出不同值。例如，銀粉有球狀、片狀和針狀等形狀。片狀的面接觸比球狀的點接觸更容易獲得好的導電性。銀粉含量相同時用球狀銀粉配制的導電膠電阻率為10-2Ω·cm，而片狀銀粉導電膠的電阻率可達10-4Ω·cm，如果將球狀銀粉和片狀銀粉按適當比例混合使用，可得到更好的導電性，如圖1所示。

圖1 不同形狀銀粉的接觸狀態

（4）導電粒子大小的影響。

導電粒子的大小對導電性也有一定影響，對銀粉來講，粒子直徑大小在l0μm以下，分布適當，在最緊密填充狀態下導電性最好；粒子直徑大小在10nm左右時，反而會使接觸電阻增大，導電性變壞。

（5）配膠方式的影響。

導電膠中常用的黏料及其他配合劑對導電粒子表面都有一定的潤濕黏附能力，一日導電粒子表面被膠黏劑所潤濕，膠黏劑分子就黏附在導電粒子表面上，導電粒子就會局部或完全被膠黏劑分子所包覆，這種現象稱為潤濕包覆。導電粒子被潤濕包覆的程度將決定導電膠的導電性能，被潤濕包覆程度越大，固化或干燥后的導電膠中導電粒子間相互接觸的概率就越小，導電性就越不好。

導電膠在配制過程中，將各組分放在一起后要進行研磨或攪拌。適當的研磨有利于導電粒子的分散，可獲得好的導電性；如果研磨時間過長，由于機械力和熱的作用，膠黏劑對導電粒子潤濕包覆程度增大，結果導致導電性能變壞。表4 為配膠方式對導電性的影響情況。

表4 配膠方式對導電性的影響情況

（6）固化方式的影響。

表5 的數據表明在一定的溫度范圍內，起始固化溫度低，導電膠的凝膠時間長，有利于膠黏劑對導電粒子表面進行充分的潤濕包覆，使導電性能變壞。

隨著起始固化溫度的提高，凝膠時間縮短，當溫度提高到一定程度時，導電膠在此溫度下很快凝膠，使膠黏劑難以對導電粒子充分潤濕包覆，這就增加了導電粒子相互接觸的可能性，因此導電性變好。

     表5起始固化溫度對導電膠導電性的影響

導電膠的固化程度取決于固化溫度和固化時間，在一定的溫度范圍內，固化溫度越高或固化時間越長，固化程度就越高。一般導電膠在固化過程中，都要產生收縮，固化程度高，收縮大，導電性能好。

（7）黏料和增韌劑的影響。

導電膠的黏料一般為有機高分子化合物，這些物質多為電絕緣性的。另外，黏料的分子量、玻璃化溫度和導電粒子的潤濕能力都影響導電膠的導電性能。黏料對導電粒子潤濕能力差，分子量高，玻璃化溫度高，導電性好。

      增韌劑和黏料一樣，對導電性有類似的影響，用固體增韌劑改性導電膠比用液體增韌劑更容易獲得好的導電性。

4.導電膠的性質

1）環氧導電膠

      環氧導電膠由環氧樹脂、固化劑、增韌劑、導電粒子及其他配合劑組成，可以配制成一液型（單組分）和多液型（多組分），也可配制成室溫固化型、中溫固化型和高溫固化型，還可以配制成含有溶劑和無溶劑的，是目前導電膠中應用最廣的一種。以銀粉為導電粒子的環氧導電膠，導電性好，長期使用性能比較穩定，具有較好的耐潮濕性，是環氧導電膠中最主要的品種。

     國產銀粉環氧導電膠DAD-87導電膠是一種含有溶劑的單組分加熱固化膠種，具有好的導電性、導熱性和耐熱性，使用方便，雜質量少，可在-60～+l75℃范圍內使用，短期耐熱可達350℃，可用于塑料封裝的集成電路、中小功率晶體管的裝片、二極管引線和PTC陶瓷發熱元件等電氣元件的黏結。DAD-87導電膠的固化工藝為150℃/4h，175℃/3h，200℃/2h，250℃/（0.5～l）h；電阻率為（1～5）×10-4Ω·cm，熱導率為14.58W/（m·K），玻璃化溫度為99℃，熱分解溫度為 341℃，Na+含量≤5×10-6，Cl-含量≤10×10-6，25℃時的黏度為（20±5）Pa·s，儲存期0～5℃時為1年，20℃時為3個月，30～35℃時為1個月。對多種材料都有良好的黏附性，如表6所示。

表6 DAD-87導電膠對不同材料的黏結強度

       室溫固化型環氧導電膠具有使用方便的特點，但其導電性比加熱固化型要低，為了提高其導電性能，可適當地增加導電粒子的用量，這就使導電膠變稠，工藝性能變差，為使黏度降低，需要加入無毒或低毒的稀釋劑，這種稀釋劑對環氧樹脂必須有非常好的相容性。

     在環氧樹脂和銀粉組成的導電膠中，加入鉬粉，當銀含量為 50%時，即可得到電阻率為10-3Ω·cm的導電膠。在組成中加入玻璃粉，當銀含量為50%時，就和不加玻璃粉的銀含量為70%的導電膠具有相同的導電性，而且強度可以提高80%左右。

     以鍍銀粒子配制的導電膠，成本低，可節省用量80%～85%。鍍銀無機粒子相對密度小，適于配制單組分導電膠，在鍍銀粒子中加入10%的銀粉。可使導電性明顯提高。典型例子CLD-5導電膠就是以鍍銀二氧化硅粒子、環氧樹脂和三乙醇胺等配制而成的，該種膠除導電性比純銀粒子導電膠略差外，力學性能、耐熱與濕熱老化性能與后者相近。表7 為國內其他銀粉環氧導電膠的性能。

表7 國內其他銀粉環氧導電膠的性能

       銅粉導電膠是近年來被開發的一類導電膠，具有成本低、不存在導電粒子遷移等優點。

但是，銅粉表面在空氣中極易氧化，生成氧化銅和氧化亞銅，影響導電性，如何有效地除去銅粉表面氧化膜和防止銅粉表面生成新的氧化膜是銅粉導電膠獲得廣泛應用的關鍵。

在銅粉導電膠中，加入某些胺類、醛類和酚類等物質可使銅的氧化物被還原銅，使導電膠具有較好的導電性。

2）酚醛導電膠

      酚醛導電膠由酚醛樹脂、導電粒子、增韌劑和溶劑等組成。這類導電膠一般都有好的導電性和較高的耐熱性，有熱固化型和室溫固化型兩類，對多種材料都有較好的黏結強度。

酚醛導電膠含有溶劑，涂膠后需晾置，固化過程中需施加較大的壓力，因而應用范圍受到一定限制，多用于要求耐老化性能好、耐熱性能高的產品上。

      30l導電膠是由301酚醛樹脂、聚乙烯醇縮丁醛、電解銀粉和溶劑組成的單組分熱固化型導電膠，使用溫度為-40～+100℃，150℃固化2h后的電阻率為（2～5）×10-4Ω·cm。該膠粘硬鋁時的剪切強度為15MPa（室溫）、13MPa（60℃）和16MPa（100℃），室溫拉伸強度為50MPa。

      室溫固化型酚醛導電膠303導電膠是由改性酚醛樹脂、三聚甲醛、苛性鈉、電解銀粉和溶劑組成的三組分室溫固化導電膠，使用溫度為-40～+l00℃，室溫固化后的電阻率為（2～5）×10-3Ω·cm，室溫剪切強度為10MPa（硬鋁）、8MPa（黃銅）。可用于非金屬導電材料的黏結及收發報機的線路維修等。

3）聚胺-酰亞胺導電膠

      聚胺-酰亞胺導電膠是由聚胺-酰胺酸樹脂、導電粒子、溶劑等組成的單組分導電膠。聚胺-酰胺酸樹脂經加熱固化反應后，生成輕度交聯的聚胺-酰亞胺樹脂。這種樹脂具有一定的柔韌性和較高的熱穩定性，因此，聚胺-酰亞胺導電膠有很好的耐低溫性能和耐高溫性能，最高使用溫度為180℃，可用于高頻濺射儀靶子、錄音機電刷等元件的黏結。

4）無機導電膠

       由硅酸鹽或磷酸鹽和導電粒子配制的無機導電膠，可耐500℃以上高溫，例如由鉬的硅化物和磷酸鹽組成的導電膠，使用溫度為-60～+510℃，電阻率為 4.2×10-2Ω·cm。由磷酸、氧化銅和電解銀粉組成的導電膠80℃固化3h后，可耐600℃的高溫，電阻率為10-2～10-3Ω·cm。無機導電膠的黏結強度一般都比較低，所以其使用范圍受到很大限制。

5）特種導電膠

（1）高溫燒結型導電膠。

這種膠黏劑是由導電性填料、一次黏料、二次黏料以及溶劑等構成的，一次黏料用于改善導電性填料與二次黏料的混煉性和施涂工藝性。一次黏料是要在300～400℃下燒掉的，故采用燃燒后沒有焦炭殘留的丙烯酸酯樹脂和硝化棉。二次黏料用于把導電性填料固著在基材上，采用在300℃以上時熔融的玻璃料。在把晶體管或集成電路黏結在陶瓷基片上或者將導線黏結在透明導電薄膜半導體玻璃（奈塞玻璃）上時，為防止熱變形，宜使用熔點盡可能低的玻璃料。若采用由PbO、B2O3組成的玻璃料，則能夠在500℃以下燒結。

可使用的導電粒子有銀粉和銅粉，以銀粉為導電粒子的燒結型導電膠的燒結溫度一般為400～800℃，電阻率為10-6Ω·cm。高溫燒結型導電膠主要用于集成電路小片或透明電極與導線的連接、陶瓷類零件的導電隔離保護涂層等。

（2）壓敏型導電膠。

壓敏型導電膠可作為磁帶用的信號感受導電膠帶使用的膠黏劑。導電粒子可用銀粉或炭黑，黏料使用橡膠、聚乙烯醇縮丁醛、聚氨酯等柔性高分子化合物。

熱固化特種壓敏膠帶（又稱耐高溫壓敏膠帶）是電子工業電容器生產引進線的重要輔助材料。在電容器生產的環氧浸漬、高溫固化、打印中起排貼固定電容器作用。

（3）各向異性導電膠。

各向異性導電膠是一種只在一個方向導電，在另一方向電阻很大或幾乎不導電的特殊導電膠。在電子零件制造和裝配過程中，如果相鄰的兩個導電連接點間的距離很近時，采用一般的導電膠連接，易產生線路間的短路，選用各向異性導電膠就不會有短路問題。

5.使用導電膠時的注意事項

（1）導電膠黏劑在使用前要充分攪拌，待導電性填料與黏料、溶劑等均勻分散后再涂膠。特別是對于銀粉導電膠，由于銀的相對密度為10.5g/cm3，而樹脂的相對密度約為1.0g/cm3，兩者混合后，銀粉很容易沉降。

（2）要使用跟樹脂匹配的溶劑，若所用溶劑的溶解性較差，則它將對導電性、黏結強度等產生不良影響。

（3）環氧樹脂類導電膠即使在室溫下有時也會逐漸固化，因此要冷藏保存。

（4）雙組分型環氧樹脂導電膠應按規定的配比混合，混合后要馬上使用。

（5）要按照基材，選擇合適的導電膠，不要在熱塑型樹脂上用熱固型導電膠，以免導電膠中所含溶劑侵蝕基材。