胶的玻璃化温度
环境对各向异性导电胶膜性能参数的影响
张军，贾宏，陈旭
（郑州大学化工学院，郑州 450002）
摘要：各向异性导电胶膜(ACF)的玻璃转化温度Tg是它的一个重要性能参数，用差示扫描热示计(DSC)分别测定商用各向异性导电胶膜固化前和固化后的玻璃转化温度，并确定不同固化时间对它的玻璃转化温度的影响,以及高温高湿(85℃，85%RH)环境对它的玻璃转化温度的影响,得到各向异性导电胶玻璃转化温度下降是其粘接强度下降的原因之一。
关键词：微电子封装； 各向异性导电胶； 玻璃转化温度； 粘接强度
The effect of environment for the anisotropic conductive adhesive film (ACF)
capability parameter
ZHANG Jun, JIA Hong, CHEN Xu
(School of Chemical Engineering and Technology, Zhengzhou University, Zhengzhou 450002, China)
Abstract: The glass change temperature (T g) is an important capability parameter for the anisotropic conductive adhesive film (ACF), the DSC is used to discover the glass change temperature (T g) of the ACF after and before curing and different curing time. The effect of high temperature and humidity for the ACF also is discovered. The result can be found that the glass change temperature decrease is the one of reasons of ACF bonding strength decrease.
Key word: Microelectronic packaging; anisotropic conductive adhesive film; glass change temperature; bonding strength
各向异性导电胶膜(ACF，Anisotropic conductive adhesive film)是一种新兴的绿色、环保微电子封装互联材料。为了满足微电子机械系统发展的要求，互连技术必然需要向集成化、高性能、多引线和窄间距的方向发展。目前微电子封装行业普遍使用的锡-铅互联材料，由于铅是对人体和环境有害的物质，在世界范围内将被禁止使用。一种更方便、更环保，成本低廉的互联材料—各向异性导电胶在最近的十年中正在悄然兴起[1,2,3]。它开始时主要应用在液晶显示器与驱动电路和芯片的连接上,渐渐发展到笔记本电脑、手机、数码相机、掌中宝等电子产品的集成电路(IC)连接上。连接形式主要有：芯片与玻璃基板的连接(chip on glass)、芯片与柔性基板的连接(chip on flex)、倒装芯片(flip-chip)、驱动电路与玻璃基板的连接(TAB)等[4,5]。目前各向异性导电胶的应用还只限于锡-铅焊接使用较困难的互联技术中，但随着对其研究的不断深入，以其窄间距、低成本、高性能等优点，应用范围不断扩大，必将会成为
锡-铅焊的一种代替品，而且在微电子机械系统领域里将得到应用。
Liu 等人[6,7]提出了温度冲击引起各向异性导电胶膜失效的机理，他认为热膨胀系数不匹配引起的内应力也会引起导电粒子的移位变形，是接触电阻增加的另一个原因。其他研究者[8，9,10]认为，有机聚合物材料在高于它的玻璃转化温度和低于玻璃转化温度有不同的物理性质，使对其可靠性的研究增加了很多复杂因素[11]。Constable等人[12]的实验表明各向异性导电胶膜粘接的试件，经1000周温度循环疲劳试验后导电胶的应变是锡-铅焊结构的10倍，导电胶产生的应力范围在5-26MPa,而锡-铅焊产生的应力范围是17-42MPa。在高低温循环试验时用各向异性导电胶膜粘接的电路一般能经历2000~3000次循环才会出现失效情况，这说明各向异性导电胶膜对被粘物体的热膨胀不匹配有很好的缓冲作用，它的作用与锡-铅焊中的填充材料起的作用相似，从中可以看到各向异性导电胶膜优越性的一方面。
各向异性导电胶膜的胶体是有机聚合物，在湿热的情况下水分子容易进入胶体和粘接界面内。各向异性导电胶膜的吸湿分为可逆和不可逆两部分，可逆部分是指胶体吸收的水分通过烘干可以排除的部分；不可逆部分是指水分子已经和聚合物分子结合，它造成的影响是永久的。聚合物胶体吸湿后会引起塑性化和膨胀，胶体塑性化会降低聚合物材料的玻璃化转化温度(T g)，并且降低胶体的连接强度和弹性模量[13]。Kelly和Bueche[14]提出自由体理论对胶体吸湿后玻璃化转化温度(T g)降低进行了描述。Chan 等人[15]的实验可以测量到湿热试验(85℃/85%RH，500h)后各向异性导电胶膜增重2.3wt%，可以看出它的吸湿能力。Chiu等人[16]的试验得到各向异性导电胶膜粘接的电路在湿热循环实验前的剪切强度是12.60MNm-2，48小时实验后剪切强度是9.79MNm-2，降低了22.3%。在366小时以后它的剪切强度已低于7.74 MNm-2，说明了湿热情况对各向异性导电胶膜的剪切强度的影响很大。
各向异性导电胶的玻璃转化温度Tg是它的一个重要性能参数，用差示扫描热示计(DSC)分别测定商用各向异性导电胶膜固化前和固化后的玻璃转化温度，确定固化时间不同对它的玻璃转化温度的影响,以及高温高湿(85℃，85%RH)环境对它的玻璃转化温度的影响,得到玻璃转化温度对各向异性导电胶粘接强度的影响。
1 试件的制作和实验过程
表1 ACF的主要性能参数
主要参数参数说明
各向异性导电胶膜厚度(μm) 各向异性导电胶膜宽度(mm) 导电粒子材料
导电粒子大小(μm)
导电粒子体积含量
预粘接温度(℃)
预粘接时间(s)
预粘接压力(MPa)
粘接温度(℃)
固化时间(s)
粘接压力(MPa)
玻璃转化温度(℃) 25
1.5
聚合物外镀Au/Ni 5
10%
80±10
5
0.1
180
18
0.15
145
试验用的各向异性导电胶膜是由日本日立公司生产，型号是ANSOLM AC-7106U-25，它的主要参数见表1。各向异性导电胶膜是热固型胶，它由环氧树脂加入导电粒子组成，环氧树脂是一种有机聚合物，它在不同温度下有两种形态，玻璃态和橡胶态。玻璃态转化温度T g是它固、液两态的转折点。以玻璃态转化温度T g为界，聚合物分为截然不同的两种状态。
首先把各向异性导电胶膜切成每段长度为10mm，然后放在玻璃板上，每个玻璃板上有两条，这样有利于固化后各向异性导电胶膜很容易被取下来。一组放有各向异性导电胶膜的玻璃板放在180℃恒温箱中进行固化，固化时间是20秒。固化前、后分别对他们进行DSC 测试，分别得到玻璃态转化温度值。再把一组放有各向异性导电胶膜的玻璃板放在180℃恒温箱中进行固化，固化时间分别为24、48小时，再用DSC分别对它们玻璃态转化温度进行测试。把固化时间20秒后的三组各向异性导电胶膜放在高温高湿(85℃，85%RH)箱中，停留时间分别100、200和300小时，对它们进行DSC测试,得到湿热环境对各向异性导电胶膜玻璃转化温度T g的影响曲线。
2 实验结果和分析
050100150
200Temperature (o C)-10
1
2
3
D S C (m W )
图1 DSC 测得各向异性导电胶膜固化前后的玻璃转化温度
从DSC 的测试结果，如图1可以看到，各向异性导电胶膜的玻璃转化温度T g 在固化前
后并没有变化都是143.1℃，这说明各向异性导电胶膜固化与否，超过143.1℃各向异性导电胶膜开始变成橡胶态。实验结果可以发现，各向异性导电胶膜在180℃固化后，胶体内部有一些化学反应产生，但固化后它的玻璃转化温度T g 并没有变化，这表明各向异性导电胶膜粘接的电子元件能承受的最高温度不应该超过143℃，否则它的粘接强度就会降低，这也是各向异性导电胶膜粘接的电子元件使用时应注意的重要事项。
050100150
200Temperature (o C)
-20
2
46
8
D S C (m W )
图2 DSC 测得各向异性导电胶膜不同固化时间的玻璃转化温度
从图2可以看到，固化时间增长，各向异性导电胶膜的玻璃转化温度也没有大的改变，
固化停留时间24小时和48小时后，它的玻璃转化温度都是143.2℃，只增加了0.1℃，这也是在测量误差范围之内的。结果说明玻璃转化温度T g 并不随固化时间的长短变化，表明各向异性导电胶膜的玻璃转化温度并不随外部温度而变化，可以解释温度循环试验对各向异性导电胶膜粘接强度的影响较小[17]。因此温度循环试验后粘接强度下降只是内应力引起，不是它的玻璃转化温度变化引起的。
050100150
200Temperature (o C)0
0.2
0.4
0.60.8
1
D S C (m W )
图3 DSC 测得高温高湿环境下不同停留时间ACF 的玻璃转化温度T g
由图3可以看到，固化后的各向异性导电胶膜，在高温高湿环境中的停留时间分别为
100，200和300小时，DSC 测得它们的玻璃化温度T g 分别为127℃、101.5℃和74℃。由实
验结果可以发现，水分子在各向异性导电胶膜内的扩散可以降低它的玻璃转化温度，改变各
向异性导电胶膜粘接性质，粘接强度会下降很多。因为外界温度高于玻璃转化温度T g 后，
各向异性导电胶膜会变成流化态，而粘接强度下降。高温高湿试验后各向异性导电胶膜的粘
接强度一般平均下降40%[17]，因为500小时的高温高湿试验后，各向异性导电胶膜的玻璃转
化温度会低于85℃，各向异性导电胶膜的玻璃转化温度在85℃以下粘接强度下降很多，说
明玻璃转化温度的下降是粘接强度下降的一个主要原因。
3 结论
通过对各向异性导电胶膜的玻璃转化温度的DSC 测试，可以得到：各向异性导电胶膜的
玻璃转化温度在固化前后并没有变化，玻璃转化温度并不随固化时间的长短变化，说明温度
循环也不会改变各向异性导电胶膜的玻璃转化温度，可以解释温度循环试验对各向异性导电
胶膜粘接强度的影响较小。高温高湿环境可以降低各向异性导电胶膜的玻璃转化温度，对各
向异性导电胶膜粘接强度的影响较大。说明玻璃转化温度的下降是粘接强度下降的一个主要
原因，所以如何提高高温高湿环境中各向异性导电胶膜的玻璃转化温度，是它应用性能提高
的主要因素，也是它应用范围扩展的重要方面。
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作者简介: 张军 (1967-)、男，黑龙江大庆人。博士，研究方向为各向异性导电胶可靠性。