铜粉导电胶如何制作

铜粉导电胶的制备及性能研究

导电胶是一种同时具备导电性能和粘结性能的胶粘剂。随着电子工业和信
息技术等产业的高速发展，电子仪器正在向小型化、便携化、高集成化方向迈
进，导电胶在微电子互连中的应用也越来越广泛。与传统的
Sn/Pb
焊料相比，
导电胶具有分辨率高、粘接温度低、互连工艺简单等优点，是替代
Sn/Pb
焊料
的理想微电子互连材料。因此，对导电胶进行研究具有很重要的意义。

本文以改性酚醛树脂
/
环氧树脂共固化物为基体，铜粉作为导电填料，加入
各种添加剂，制备出了热固化铜粉导电胶。通过正交试验设计，确定了导电胶
体系中各添加剂的Z佳填充量为：硅烷偶联剂
KH-550
为铜粉质量的
3%
，还原
剂甲醛为铜粉质量的
7%
，消泡剂磷酸三丁酯为体系总重的
0.1%
。偶联剂的加
入改善了铜粉的分散性，同时，偶联剂和还原剂的加入还可保护铜粉，防止铜
粉氧化。

并对铜粉导电胶的固化、
热稳定性、
导电性、
剪切强度等性能进行了测试。
通过红外光谱和差示扫描量热法（
DSC
）对导电胶的固化过程进行了研究。红
外光谱分析表明，导电胶在发生固化反应的过程中，酚醛树脂的酚羟基与环氧
树脂的环氧基发生了反应，
同时，
酚醛树脂的羟甲基间也发生了缩合反应。
DSC
分析可以得出导电胶体系的近似凝胶温度为
86
℃，固化温度为
152
℃，后处理
温度为
171
℃，
为导电胶固化工艺参数的确定提供了一定的依据。
采用
Kissinger
方程和
Crane
方程求得导电胶固化体系固化反应的表观活化能为
51.64KJ/mol，
反应级数为
0.87
，说明导电胶体系的固化反应是一个复杂反应。

通过
TG/DTG
测试，得出导电胶的初始分解温度为
318
℃，此时导电胶的
残余质量分数约为
67%
，说明导电胶可以在较高温度下使用，热稳定性较好。

导电性能分析表明，随着铜粉添加量的逐渐增加，导电胶由不导电变为导
电，当填充量达到一定程度时，导电胶的体积电阻率缓慢下降，当填充量达到
渗流阈值时，体积电阻率会急剧下降，填充量再继续增加时，体积电阻率的变
化又趋于平缓。

剪切强度分析表明，随着铜粉填充量的增加，导电胶的剪切强度前期下降
速度较慢，后期的下降速度很快。当铜粉的添加量达到渗流阈值时，导电胶的
拉伸剪切强度下降速度变快。进一步增加铜粉的添加量，体系的强度则急剧降
低。

综合铜粉填充量对导电胶体积电阻率和拉伸剪切强度的影响，可以得出铜
粉的Z佳填充量为
68wt%
，此时可以制备出体积电阻率为
1.2×10
-3Ω·㎝，拉伸剪切强度为10.8 MPa的导电胶。因此，我们应设法降低导电胶体系的渗流阈值，
II
这样可以在较低的导电填料添加比例下获得导电性能和粘接强度均较好的导电
胶。
关键词：
导电胶，环氧树脂，酚醛树脂，体积电阻率，剪切强度
导电胶的组成
导电胶是一种同时具备导电性能和粘接性能的胶粘剂，
它可以将多种导电材
料连接在一起，
使被连接材料间形成电的通路。
它是通过将导电填料填充在有机
聚合物基体中，
从而使其具有与金属相近的导电性能。
与其他导电聚合物不同的
是，
导电胶要求体系在储存条件下具有流动性，
通过加热或其他方式可以发生固
化，从而形成具有一定强度的连接。

导电胶一般是由基体和导电填料两部分组成，其中，基体包括预聚体、固化
剂、稀释剂及其他添加剂等。

预聚体是导电胶的主要组分之一，
它含有活性基团，
加入固化剂后可以进行
固化。
预聚体固化后形成了导电胶的分子骨架，
同时提供了粘接性能和力学性能
的保障，并能使导电填料粒子形成通道。常用的聚合物基体包括环氧树脂、酚醛
类树脂、聚酰亚胺、聚氨酯等。与其他树脂相比，环氧树脂具有稳定性好、耐腐
蚀、收缩率低、粘接强度高、粘接面广以及加工性好等优点，因此，环氧树脂是
目前研究Z多、
使用Z广的基体材料。
但是环氧树脂具有吸湿性，
且耐热性较差，
所以对环氧树脂进行改性，
通过对环氧树脂主链结构和取代基进行调整，
得到综
合性能更高的改性树脂的研究正在开发中。

交联剂是多官能团化合物，
可以连接预聚体，
形成网络结构，也是固化后体
系的一部分。

稀释剂是导电胶的另一个重要组分。它可以调节体系的粘度，使导电粒子
能较好的分散在基体树脂中，同时在导电粒子和胶层及被粘接电子元器件间形
成了良好的导电接触。稀释剂分为活性稀释剂和非活性稀释剂两类，其中活性
稀释剂含有活性端基，可以参加交联反应，固化前不需去除，固化后成为体系
的一部分；非活性稀释剂不参与交联，仅起调节作用，固化前需要除去。

预聚体、
交联剂和稀释剂是固化过程中体积变化的主要影响因素。
为了提高
导电胶的性能，有时还需加入偶联剂、增韧剂、消泡剂等各种添加剂。

偶联剂可改善导电填料在树脂基体中的分散性，
同时还能改善导电胶的表面
性能，增加界面的粘附性能。
加入增韧剂可以提高胶层的柔韧性和粘接强度。消
泡剂在导电胶的制备过程中，
可降低表面张力，
消除物料混合过程中产生的泡沫。

导电填料是导电胶导电性能的基础，其以片状、球状或纤维状分散在基体
武汉理工大学硕士学位论文

2

中，构成导电通路。导电填料通常有碳、金属、金属氧化物三大类。碳类材料
中的炭黑的导电性很好，但存在加工困难的问题；石墨很难粉碎和分散，且导
电性随产地等变化较大。碳类填料一般选用炭黑和石墨的混合粉末。金属氧化
物导电性普遍较差。
常用的填料多为
Au
、
Ag
、
Cu
、
Ni
等电阻率较低的金属粉末。
各导电粒子的导电率见表
1-1
[1]
。

表
1-1
各金属的导电率

材料名称

电阻率
/
Ω
·cm
相当汞电导率的倍数

银
1.62×10
-6
59
铜
1.69×10
-6
56.9
金
2.40×10
-6
39.6
铝
2.62×10
-6
36.1
锌
5.92×10
-6
16.0
镍
7.23×10
-6
13.8
锡
1.14×10
-5
8.3
铅
2.06×10
-5
4.6
汞
9.58×10
-5
1.0
铋
1.06×10
-4
0.8
石墨
1~10
-3
(9.5×10
-2
)~(9·5×10
-5
)
炭黑
1~10
-2
(9.5×10
-2
)~(9·5×10
-5
)

Au
粉具有优异的导电性和化学稳定性，
是Z理想的导电填料，但价格昂贵，
一般只在要求较高的情况下使用。
Ag粉价格相对较低，导电性较好，且在空气
中不易氧化，但在潮湿的环境下会发生电迁移现象，使得导电胶的导电性能下降。
Cu粉和Ni粉具有较好的导电性，成本低，但在空气中容易氧化，使得导电性变差。因此，导电填料一般选用Ag或Cu
1.1.2 导电胶的分类
导电胶有很多种。按照不同的分类方法，导电胶可分为以下几种类型：
本征导电胶和复合导电胶
按照导电机理的不同，导电胶分为本征导电胶和复合导电胶。本征导电胶
是指分子结构本身具有导电功能的共轭聚合物，这类材料电阻率较高，导电稳
定性及重复性较差，成本也较高，因此实用价值有限，故本文不作讨论。复合
导电胶是指在有机聚合物基体中添加导电填料，从而使其具有与金属相近的导
电性能的胶粘剂。本文的讨论对象是复合导电胶。
热塑性和热固性导电胶
按照基体的不同，导电胶可分为热塑性导电胶和热固性导电胶。热塑性导
电胶的基体树脂分子链很长，且支链少，在高温下固化时流动性较好，可重复
使用。而热固性导电胶的基体材料Z初是单体或预聚合物，在固化过程中发生
聚合反应，高分子链连接形成交联的三维网状结构，高温下不易流动。
各向同性和各向异性导电胶
按照导电方向的不同，导电胶可分为各向同性导电胶和各向异性导电胶两
大[2，3，4]
所谓各向同性导电胶，
是指在各个方向上都具有相同导电性能的导电
胶。各向异性导电胶，是一种只在一个方向导电而在另一个方向电阻很大或几
乎不导电的特殊导电胶。
图
1-1和图1-2分别为各向同性导电胶和各向异性导电胶的连接示意图