一种施用导电粘合剂的方法
【专利说明】一种施用导电粘合剂的方法
[0001] 本发明涉及一种将导电粘合剂施加到基板、例如以形成电路中的导电连接部的方 法。
[0002] 导电粘合剂（CA)已经作为电子封装中的焊接互连部的替代品在市场上销售了很 多年。这类粘合剂可以作为各向异性导电粘合剂（ACA)或者各向同性导电粘合剂（ICA)来 使用，这两种类型的区别在于它们的导电性能。CA通常由填充有导电粒子的非导电粘合剂 基体组成。CA的机械强度来自于粘合剂基体，而导电填料提供导电性。
[0003] 电子工业中最常见的CA由填充有银粉或者更优选的片状银粉的环氧树脂组成。 图1是显示用于将部件2连接到基板4上的这类CA的示意图。在这个例子中，粘合剂使用 大量存在的片状银粉来提供各向同性的导电性。部件2和基板4两者均具有电接触部6。 包括聚合树脂基体8和片状银粉10的CA被用于将这两个接触部6电连接。片状银粉10 形成了允许在所有方向上导电的导电网。在粘合剂固化之前，（粘合剂中的）片状银粉具 有既在施加过程中又在重力的影响下取向的倾向。这在基板的平面上产生了与通常至该平 面的导电性相比更好的导电性，并且因此粘合剂的导电性能并不真正是各向同性的。传统 上，CA化合物中填装有大量的银粒子，典型地在25-30体积％ (高达80质量％ )范围内， 以确保在z方向（对于ICA来说）也具有足够的导电性。这导致粘合剂的高金属含量。这 样的高的金属粒子装填量导致了粘合剂的机械性能发生显著变化，包括体积模量增加、柔 性减小（更易受损的反应），并且使用了过量的贵重金属（并且因此成本过高）。
[0004] 对于ICA，允许粘合剂边界内的导电粒子10彼此接触，但不要求彼此接触。这显示 在图2a中。图2a的左手侧图中的方框显示粘合剂边界，而圆圈是导电粒子10,其例如可以 是图1中所示的片状银粉10。只要粘合剂边界被限制成仅覆盖部件侧上的一个接触区域， 以及基板侧上的一个接触区域，就能有效地利用ICA。在施加粘合剂的区域的边界内，允许 导电粒子彼此接触，但是并不要求彼此接触。在图2a的右手侧图中，两个阴影区域11显示 了两个接触垫，并且每一个粘合剂边界仅覆盖一个接触垫。
[0005] 如果粘合剂边界将覆盖部件侧和基板侧上的两个或更多电接触区域，则应当使用 ACA。不允许粘合剂边界内的导电粒子10彼此接触，因为这可能会在相邻的接触垫之间产 生短路。这显示在图2b中。在图2b的右手侧图中的阴影区域11显示了三个接触垫，其全 都在粘合剂边界之内。但是，由于导电粒子10是分离的，则在相连的接触垫之间就没有短 路。
[0006] 通常，粒子的相对量（例如，体积分数）决定了导电性是各向同性的还是各向异性 的。在图2a和图2b中可以容易地看到，与ICA相比，ACA中使用显著减小的导电粒子比例。
[0007] 除了片状银粉以外，用于CA的导电粒子还包括固体金属粉末，例如银粉末。金属 粉末使用相对较大量的金属，这导致了成本方面、以及粘合剂的机械性能方面的劣势。在电 子工业中存在持续小型化的趋势。电子部件和电路的尺寸的减小导致相应地需要部件之间 的导电连接部小型化。还存在日益增长的"抛弃型"电子产品和柔性线路的需求。这两种需 求可能均需要设置在纸制品（例如用于音乐贺卡）或者薄的柔性塑料膜上的电路。焊接互 连部需要在高温下、在熔融状态下施用的焊料，并且由于薄膜基板的纸对温度敏感且可能 会受到损伤故而不适于这类应用。发现CA作为用于小型化和柔性电路的焊接互连部的替 换具有广泛应用，但是在以少的、精确定位的量来施用CA方面仍有挑战。以少量来施用CA 的当前技术涉及丝网印刷或类似技术的使用。这在分辨率上受到限制并且对于各个产品需 要生产新的丝网。
[0008] 对于CA，丝网印刷技术的使用的替代是微滴喷涂技术的使用，例如US7767266中 所描述的。该文件首先涉及焊膏，但是也一般地公开了用于将粘性介质微滴喷涂在基板上 的方法。通过使用活塞将粘性介质微滴推动穿过喷嘴到基板上。粘性介质被公开为包括： 焊膏、熔剂、粘合剂、导电粘合剂或者任何其他类型的用于在基板上固定部件的介质。但是 没有具体指示应当使用的导电粘合剂的类型。
[0009] 使用这类技术，由于部件的尺寸减小因此有必要减小微滴的尺寸。由于喷嘴开口 堵塞的问题，目前只有类型5(粒子尺寸等于或小于25ym，见IPC J-STD-005)的焊料粉末 适于这种技术。颗粒尺寸、喷嘴开口以及微滴尺寸之间有密切的联系。
[0010] 焊料粉末看似可以运用在微滴喷涂技术中，但是对焊料有一些严格限制。无铅 (> 200°C )&含铅焊料（> 180°C )所需的高焊接温度不适于所有基板和部件，并且焊料 在玻璃基板和部件上不能很好地起作用。另一项问题是焊料粉末通常具有大的尺寸分散度 (类型5显示在15 y m到25 y m之间的直径），这意味着必须根据最大的粒子来设计喷嘴开
[0011] 同时，已经提出通过微滴喷涂技术来使用CA涉及基于贵金属粉末的CA，例如银粉 末CA，其作为焊料粉末在银粉末中的粒子的尺寸分布方面具有相同问题。此外，使用贵金属 的固体粉末的成本通常也是一个问题。使用固体金属粉末（不仅是贵金属）的另一个影响 是沉淀和堵塞，其主要是由于固体金属粉末和粘合剂成分之间的较大的密度差。由于取向 强烈地影响片体的有效截面，因此基于金属片的导电粘合剂还带来微滴尺寸方面的问题。 使用金属片还存在其他关于喷嘴阻塞的重要问题，因为金属片会在穿过喷嘴的流动中转向 一侧并且聚集在一起而阻塞喷嘴，甚至在考虑到与金属粉末相比金属片相对较大的最大尺 寸而已经使得喷嘴的尺寸过大的情况下也是如此。
[0012] 从第一方面来看，本发明提供一种施用导电粘合剂的方法，包括：使用由其中有导 电珠子的粘合剂基体制成的导电粘合剂，导电珠子包括具有导电涂层的聚合物核并且具有 100 y m或更小的最大尺寸；以及通过喷嘴将粘合剂的一个或多个微滴沉积在基板上。
[0013] 从第二方面来看，本发明提供一种用于施用粘合剂的装置，包括：喷嘴；以及导电 粘合剂的存储容器，所述导电粘合剂由其中有导电珠子的粘合剂基体制成；其中，导电珠子 包括具有导电涂层的聚合物核并且具有100 y m或更小的直径，并且其中装置设置成通过 喷嘴将粘合剂的一个或多个微滴沉积在基板上来从存储容器分配粘合剂。
[0014] 对于传统非导电粘合剂来说，很久前就已经知道通过使用由喷嘴施用的微滴来分 配粘合剂，可以得到较小规模的较大的生产量和较高的准确度。也已经知道使用相似的技 术来沉积熔融的焊料。但是，如上所述，本领域技术人员认为该技术对于CA来说是无效的， 这是因为已经发现导电粒子的存在导致堵塞。然而发明人已经实现了非显而易见的发明， 该发明能够用于包含有金属片的CA，其并非真正应用于包含具有聚合物核和金属涂层的类 型的导电珠的CA，优选地很好地定义的如下所讨论的导电珠。聚合物珠子具有与环氧树脂 基体相似的机械性能，并且因此可导致树脂和导电元件之间的热膨胀系数得以改善。
[0015] 与已知的通过相似的微滴沉积技术来使用焊料粉末相比，所提出的包含金属涂覆 聚合物珠子的导电粘结剂的使用与微滴沉积技术一同使用的结合还提供了相当大的优势， 这是由于除了能够使用低温以外导电珠子还可以具有比焊料粉末（或实际上是在备选的 导电粘合剂中的贵金属粉末）更光滑的表面和更好的尺寸分散，这意味着喷嘴处的摩擦和 磨损减小并且对于给定的平均粒子尺寸可以使得喷嘴显著地更小。这在沉积微滴尺寸的更 精确的控制、沉积具有较大的体积分数的导电粒子（对于给定的喷嘴尺寸）的导电粘合剂 的能力以及沉积较小的微滴（对于给定的粒子尺寸）的能力方面给出了进一步的优势。
[0016] 因此，令人吃惊地，与本领域通常所持的观点相反，发明人已发现当粘合剂中的导 电粒子是导电珠子时，能够高度有效地通过使用喷嘴沉积微滴来施用导电粘合剂。虽然过 去已经提出金属涂覆聚合物珠子在导电粘合剂中，但是它们通常被看作是金属片类型粘合 剂的类似物，因此通常认为其不能够以这种方式来施用。发明人非显而易见地使人意识到， 这类应用技术是可能的。已经发现这是由于与具有金属片的粘合剂组分的流速相比，其中 有导电珠子的粘合剂组分有不同的流动性质，并且由于与银粉末导电粘合剂以及焊锡粉产 品的尺寸分布相比，包含涂敷金属的聚合物核的导电珠子的尺寸分布得以改善。聚合物核 还允许导电珠子在受到压力时变形，并且因此与金属粉末相比进一步减小了堵塞的风险， 因为聚合物核能够在喷嘴中在压力下变形并且被挤压以清理任何初期堵塞。
[0017] 发明人已发现，当使用喷嘴时已知的CA堵塞现象会产生，因为试验使用了最短轴 与最长轴的比例是25到1或更大的薄金属片。喷嘴中的非层流导致粘合片偏离流动方向， 结果导致增大的粘度和自身呈现为粘合剂的脉冲流的阻塞或完全堵塞。因此使用喷嘴来分 配少量的包含金属片的CA具有严重问题。可通过使用包含金属涂覆聚合物珠子的粘合剂 来解决这些问题。由于这类珠子通常具有明显较小的最短轴与最长轴之比，并且通过可很 好地控制尺寸分布的技术来生产这类珠子，因此通过该机制不会产生堵塞。
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