导电胶是一种固化或干燥后具有一定导电性的胶粘剂，随着电子元器件向小型化、微型化、集成化的方向迅速发展，导电胶的发展也取得了长足的进步。导电胶通常以基体树脂和导电填料组成，通过基体树脂的粘接作用，把导电填料粒子结合在一起可形成导电通路。常用的导电胶组分可看下表。

表1 导电胶各组份材料及功能

导电性能是导电胶的一项重要指标，为满足未来先进封装技术对高互连精度和高可靠性的要求，纳米填料对导电胶导电性能的影响引起许多研究者关注。本文便来了解一下纳米尺寸的导电填料及纳米粉体技术是如何改进导电胶性能的。

一、导电填料的应用机理

导电胶的导电机理主要包括（1）“导电通道”学说（也称作“渗流理论”）；（2）“隧道效应”学说。

其中“渗流理论”主要是指通过导电填料间的相互接触形成导电通路，从而获得导电性。当导电填料处于一定的浓度范围时，导电胶的电阻率随填料浓度的增加而产生的变化是不连续的，存在着渗流阈值Uc（如图所示，此时电阻值发生跃变），这一数值对于确定填料用量有重要的指导意义。

填料体积分数对ECA电阻率的影响

填料间接触电阻的大小取决于两个因素：①通过小面积接触区域时电流集中引起的收缩电阻；②电流克服绝缘基体层库仑阻塞所引起的隧穿电阻。因此要提高导电胶的导电性能，应在体系中实现良好的导电网络，并减小填料间的隔离层厚度。

二、纳米填料导电胶性能的影响因素

1、纳米填料含量的影响

①只加入纳米导电填料：以纳米颗粒为单一填料的导电胶，其电阻率随填料含量的变化符合渗流理论。Lee.H.H等以直径30~100nm的球状银颗粒为导电填料，聚乙酸乙烯酯（PVAs）为基体，制备了不同填料体积分数的导电胶。当纳米填料填充体积为33.5%，导电胶的电阻率为7.95×102Ω·cm；填料体积分数增至84.8%时，电阻率则骤降至1.93×10－4Ω·cm，渗流阈值在40%左右。

②纳米－微米混合填料导电胶：在传统的导电胶中加入纳米填料粉体后，影响会分为两方面：首先，纳米填料分布于微米填料间可促进导电网络的形成，降低渗流阈值；另外，纳米填料的掺入又可能影响到微米银片间的良好接触（变为微米银片-纳米颗粒-微米银片通路），减小了填料间接触面积，增大了导电网络接触电阻。

B.M.Amoli等在传统银导电胶中加入不同质量分数的银纳米颗粒时，发现当纳米填料占10.7%时尚可起到降低电阻率的效果，但达到19.1%时电阻率降低已不明显。因此在渗流阈值附近添加纳米填料来改善电学性能时，纳米填料含量也存在一个合理的范围，过犹不及。

2、纳米填料粒径的影响

P.Mach等在填料含量为75%的微米银片/环氧树脂导电胶中添加了不同粒径范围的银纳米颗粒，并对导电胶接头电阻进行了测量，发现同种纳米填料粒径不同时，电阻的变化趋势可能出现相反的情况：

未添加银纳米颗粒时的接头电阻为38mΩ，当体系中加入3.8%直径为80～100nm的银纳米颗粒后，接头电阻下降约50%；加入3.8%直径为6～8nm的颗粒后，电阻反而上升了约90%。

这说明微米银片间原有的间隙适合80～100nm粒径的颗粒填充，强化导电网络；而加入6～8nm的颗粒增大了填料间的接触电阻，影响了导电胶的性能。

3、纳米填料形状与维度的影响

除纳米颗粒外，一维和二维纳米填料也被用于导电胶体系中，形状各异的纳米填料赋予了导电胶新的性能特点。

如Marcq F等人在银-环氧树脂导电胶体系中添加不同的碳纳米管（双壁碳纳米管DWCNTs和多壁碳纳米管MWCNTs）发现：微量碳纳米管的加入可以降低体系的渗流阈值，并且在较低的银填充量的情况下就可获得高的电导率，因为碳纳米管可以在银颗粒之间形成导电桥接，从而提高了导电胶的导电性。

双壁碳纳米管（图片来源：国安新材料）

4、纳米填料表面状态的影响

纳米颗粒在高表面能驱动下易发生团聚，对其进行表面处理可有效防止团聚发生，从而改善导电胶电学性能。LiY.等分别采用丙二酸和对苯二硫酚处理银纳米颗粒，在表面形成了自组装单层膜（SAMs）辅助填料间吸附接触，导电胶接头电阻可达到无铅钎料接头的水平。

三、纳米填料导电胶性能的改进技术

对于某一导电胶而言，当其纳米填料种类与质量分数一定时，优化纳米填料空间分布状态、改变固化温度与时间也是改进导电胶性能的重要方向。

1、纳米填料原位生成

纳米填料原位生成优化了其空间分布状态。若纳米填料能够在胶黏剂基体中原位生成，则在不使用分散剂的情况下，亦能有效避免纳米填料团聚的不利影响。此外对于纳米－微米混合填料体系而言，通常导电胶由两种填料分别加入胶黏剂基体中制备而成，若预先使纳米填料原位生成于微米填料表面，亦可有效改善其分布。

2、纳米填料烧结

由于纳米材料的小尺寸效应，其自扩散系数远高于块体材料；而且熔化所需增加的内能比块体材料要小得多，随着温度的升高，纳米材料表面开始出现液相。

这两方面因素促进了填料间传质作用，因此通过调整固化温度与时间，可实现导电胶中纳米填料的低温烧结，其高表面能在烧结时可驱动孔洞收缩及空位团湮没，从而达到降低接头电阻率、提高连接强度的目的。

总结

在一定含量范围内，在导电胶中采用纳米填料可显著降低渗流阈值，并有助于基体与填料间的紧密结合；而应用纳米填料原位生成和纳米填料烧结等技术也可对导电胶性能进一步地优化。目前虽然纳米填料的成本对其在导电胶的应用造成一定限制，但更加节能环保、可靠性更高的纳米复合导电胶产品的开发，无疑将具有重要意义。

资料来源：

1.纳米填料导电胶研究进展，何鹏，王君，顾小龙，林铁松。

2.电子封装用纳米导电胶的研究进展，周良杰，黄扬，吴丰顺，夏卫生，付红志，王世堉，刘哲。

粉体圈小榆整理