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LED封装用高性能导电胶的制备及性能研究

【摘要】:作为弥补传统焊料的一种新型绿色环保互连材料,导电胶具有使用工艺简单、粘接温度低等优点,被广泛应用于IC封装、LED封装等微电子封装领域。然而目前导电胶普遍存在导热系数偏低、体积电阻率偏高、粘接强度不够、储存运输性能较差等缺点。本论文开展了双氰胺固化体系各向同性导电胶(ICAs)配方的筛选优化,系统地研究了ICAs性能尤其是导热性能的影响因素,探讨了功能助剂对ICAs性能提升的作用机制,并对ICAs的应用可靠性及封装失效机理进行了分析。 从ICAs储存性能以及固化后的剪切强度、导电及导热性能等方面考虑,筛选出新型双氰胺固化体系的导电胶,其最佳配比为树脂体系15.8wt.%、双氰胺固化体系1.2wt.%、已二酸及其他助剂5wt.%、银粉78wt.%。该ICAs可在室温下储存3个月,在170℃、60min条件下固化,固化后电阻率为1.310-4Ω·cm,热导率为10.41W/(m·K),剪切强度为19.1MPa。 系统研究了银粉尺寸及数量、固化剂及活性稀释剂含量、功能助剂及其含量、固化条件等对ICAs性能,尤其是导热、导电性能的影响。研究表明ICAs的导热及导电性能均随银粉含量的增加而增强,银粉含量为75wt.%时,达到ICAs的导电性能的渗流阈值,而其导热性能并未出现该现象,热导率随着银粉含量的增大而逐渐增加。对加入了低熔点SnBi合金的ICAs进行SEM-EDS分析,结果表明低熔点合金的加入,可使银粉之间产生冶金连接,在ICAs内部形成了高导热特征的冶金态导热、导电网络,可增强ICAs的导电及导热性能。功能助剂已二酸的添加可显著提升ICAs的导电性能及导热性能,在已二酸含量达到0.3wt.%时,导电胶的体积电阻率和热导率达到最佳值。固化工艺参数对ICAs的导热及导电性能也具有一定的影响,研究发现:1)在固化时间相同的情况下,固化温度越高,ICAs的导热及导电性能越好;2)当固化温度高于环氧树脂的玻璃化转变温度时,固化时间越长,ICAs的导热及导电性能越好。 利用各种分析手段系统研究了已二酸功能助剂如何提升ICAs的性能,揭示了功能助剂与ICAs中的银粉及树脂体系的作用机制。通过对已二酸乙醇溶液处理后的银粉、乙醇溶液处理后的银粉以及原始银粉进行DSC-TG、拉曼光谱、X射线光电子能谱等分析表明:已二酸作为功能助剂可有效去除并取代银粉表面的有机润滑剂。同时通过对双氰胺、已二酸、以及双氰胺与已二酸的混合物进行差热扫描和红外图谱分析,结果显示已二酸能够与树脂体系中的固化剂双氰胺发生化学反应。上述研究表明添加已二酸可有效提升导电胶综合性能的主要原因是由于已二酸有两个活性官能团,在导电胶固化过程中,可同时发生两个反应:一个是已二酸中的一个官能图与银粉表面的润滑剂发生置换反应,有效去除并且取代银粉表面不导电的有机保护层,显著提升ICAs的导电性能及导热性能;另一个是已二酸的另一个官能团在固化温度下与双氰胺发生酰胺化反应,起到桥连作用,提高银粉与树脂的结合力,增强ICAs的力学性能。 针对自主开发的导电胶HG903H从其本体、封装芯片以及封装的LED样品的可靠性能进行较为系统地研究。研究表明导电胶HG903H在高温高湿环境条件下老化500h,其体积电阻率、剪切推力、接触电阻等主要性能指标的变化率分别为8.2%、18.5%、5.8%,皆小于20%;导电胶HG903H封装的LED样品在高温高湿、常温、高温环境条件下老化6000h,其光通量的变化率分别为11%、29%、15%,而在同样条件下美国某品牌导电胶封装的LED样品光通量的变化率分别为23%、42%、17%。 导电胶HG903H封装模块在85℃/85%RH的环境条件下,机械性能及接触电阻变差的原因都与其吸水性有关。导电胶吸水后,在其内部发生树脂的增塑现象而导致ICAs的机械性能降低;此外导电胶吸水后,在其内部形成了电解质溶液环境,在导电胶与Sn/Cu基板的接触界面间形成微电池,具有不同电化学电位的Ag与Sn金属发生电化学腐蚀反应,在接触界面间形成金属氧化物,而金属氧化物的导电性能较差,导致接触电阻变大。

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