導電膠是一種固化或干燥后具有一定導電性的膠粘劑，隨著電子元器件向小型化、微型化、集成化的方向迅速發展，導電膠的發展也取得了長足的進步。導電膠通常以基體樹脂和導電填料組成，通過基體樹脂的粘接作用，把導電填料粒子結合在一起可形成導電通路。常用的導電膠組分可看下表。

表1 導電膠各組份材料及功能

導電性能是導電膠的一項重要指標，為滿足未來先進封裝技術對高互連精度和高可靠性的要求，納米填料對導電膠導電性能的影響引起許多研究者關注。本文便來了解一下納米尺寸的導電填料及納米粉體技術是如何改進導電膠性能的。

一、導電填料的應用機理

導電膠的導電機理主要包括（1）“導電通道”學說（也稱作“滲流理論”）；（2）“隧道效應”學說。

其中“滲流理論”主要是指通過導電填料間的相互接觸形成導電通路，從而獲得導電性。當導電填料處于一定的濃度范圍時，導電膠的電阻率隨填料濃度的增加而產生的變化是不連續的，存在著滲流閾值Uc（如圖所示，此時電阻值發生躍變），這一數值對于確定填料用量有重要的指導意義。

填料體積分數對ECA電阻率的影響

填料間接觸電阻的大小取決于兩個因素：①通過小面積接觸區域時電流集中引起的收縮電阻；②電流克服絕緣基體層庫侖阻塞所引起的隧穿電阻。因此要提高導電膠的導電性能，應在體系中實現良好的導電網絡，并減小填料間的隔離層厚度。

二、納米填料導電膠性能的影響因素

1、納米填料含量的影響

①只加入納米導電填料：以納米顆粒為單一填料的導電膠，其電阻率隨填料含量的變化符合滲流理論。Lee.H.H等以直徑30~100nm的球狀銀顆粒為導電填料，聚乙酸乙烯酯（PVAs）為基體，制備了不同填料體積分數的導電膠。當納米填料填充體積為33.5%，導電膠的電阻率為7.95×102Ω·cm；填料體積分數增至84.8%時，電阻率則驟降至1.93×10－4Ω·cm，滲流閾值在40%左右。

②納米－微米混合填料導電膠：在傳統的導電膠中加入納米填料粉體后，影響會分為兩方面：首先，納米填料分布于微米填料間可促進導電網絡的形成，降低滲流閾值；另外，納米填料的摻入又可能影響到微米銀片間的良好接觸（變為微米銀片-納米顆粒-微米銀片通路），減小了填料間接觸面積，增大了導電網絡接觸電阻。

B.M.Amoli等在傳統銀導電膠中加入不同質量分數的銀納米顆粒時，發現當納米填料占10.7%時尚可起到降低電阻率的效果，但達到19.1%時電阻率降低已不明顯。因此在滲流閾值附近添加納米填料來改善電學性能時，納米填料含量也存在一個合理的范圍，過猶不及。

2、納米填料粒徑的影響

P.Mach等在填料含量為75%的微米銀片/環氧樹脂導電膠中添加了不同粒徑范圍的銀納米顆粒，并對導電膠接頭電阻進行了測量，發現同種納米填料粒徑不同時，電阻的變化趨勢可能出現相反的情況：

未添加銀納米顆粒時的接頭電阻為38mΩ，當體系中加入3.8%直徑為80～100nm的銀納米顆粒后，接頭電阻下降約50%；加入3.8%直徑為6～8nm的顆粒后，電阻反而上升了約90%。

這說明微米銀片間原有的間隙適合80～100nm粒徑的顆粒填充，強化導電網絡；而加入6～8nm的顆粒增大了填料間的接觸電阻，影響了導電膠的性能。

3、納米填料形狀與維度的影響

除納米顆粒外，一維和二維納米填料也被用于導電膠體系中，形狀各異的納米填料賦予了導電膠新的性能特點。

如Marcq F等人在銀-環氧樹脂導電膠體系中添加不同的碳納米管（雙壁碳納米管DWCNTs和多壁碳納米管MWCNTs）發現：微量碳納米管的加入可以降低體系的滲流閾值，并且在較低的銀填充量的情況下就可獲得高的電導率，因為碳納米管可以在銀顆粒之間形成導電橋接，從而提高了導電膠的導電性。

雙壁碳納米管（圖片來源：國安新材料）

4、納米填料表面狀態的影響

納米顆粒在高表面能驅動下易發生團聚，對其進行表面處理可有效防止團聚發生，從而改善導電膠電學性能。LiY.等分別采用丙二酸和對苯二硫酚處理銀納米顆粒，在表面形成了自組裝單層膜（SAMs）輔助填料間吸附接觸，導電膠接頭電阻可達到無鉛釬料接頭的水平。

三、納米填料導電膠性能的改進技術

對于某一導電膠而言，當其納米填料種類與質量分數一定時，優化納米填料空間分布狀態、改變固化溫度與時間也是改進導電膠性能的重要方向。

1、納米填料原位生成

納米填料原位生成優化了其空間分布狀態。若納米填料能夠在膠黏劑基體中原位生成，則在不使用分散劑的情況下，亦能有效避免納米填料團聚的不利影響。此外對于納米－微米混合填料體系而言，通常導電膠由兩種填料分別加入膠黏劑基體中制備而成，若預先使納米填料原位生成于微米填料表面，亦可有效改善其分布。

2、納米填料燒結

由于納米材料的小尺寸效應，其自擴散系數遠高于塊體材料；而且熔化所需增加的內能比塊體材料要小得多，隨著溫度的升高，納米材料表面開始出現液相。

這兩方面因素促進了填料間傳質作用，因此通過調整固化溫度與時間，可實現導電膠中納米填料的低溫燒結，其高表面能在燒結時可驅動孔洞收縮及空位團湮沒，從而達到降低接頭電阻率、提高連接強度的目的。

總結

在一定含量范圍內，在導電膠中采用納米填料可顯著降低滲流閾值，并有助于基體與填料間的緊密結合；而應用納米填料原位生成和納米填料燒結等技術也可對導電膠性能進一步地優化。目前雖然納米填料的成本對其在導電膠的應用造成一定限制，但更加節能環保、可靠性更高的納米復合導電膠產品的開發，無疑將具有重要意義。

資料來源：

1.納米填料導電膠研究進展，何鵬，王君，顧小龍，林鐵松。

2.電子封裝用納米導電膠的研究進展，周良杰，黃揚，吳豐順，夏衛生，付紅志，王世堉，劉哲。

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