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泰州科德橡胶机械-密炼机:导电橡胶的应用研究

发布时间:2018-04-24 22:12:00 点击:    编辑:澳门棋牌娱乐游戏平台

导电橡胶的概述

泰州科德橡胶机械-澳门游戏平台注册网站2018年4月24日讯  导电橡胶是一种固化或干燥后具有一定导电性能的胶黏剂,它通常以基体树脂和导电填料即导电粒子为主要组成成分, 通过基体树脂的粘接作用把导电粒子结合在一起, 形成导电通路, 实现被粘材料的导电连接。

由于导电橡胶的基体树脂是一种胶黏剂, 可以选择适宜的固化温度进行粘接, 如环氧树脂胶黏剂可以在室温至150℃固化, 远低于锡铅焊接的200℃以上的焊接温度, 这就避免了焊接高温可能导致的材料变形、电子器件的热损伤和内应力的形成。

同时, 由于电子元件的小型化、微型化及印刷电路板的高密度化和高度集成化的迅速发展, 铅锡焊接的0.65mm的小节距远远满足不了导电连接的实际需求, 而导电橡胶可以制成浆料, 实现很高的线分辨率。

而且导电橡胶工艺简单, 易于操作, 可提高生产效率, 也避免了锡铅焊料中重金属铅引起的环境污染。所以导电橡胶是替代铅锡焊接, 实现导电连接的理想选择。

导电橡胶属于复合型导电高分子材料的一种。复合型导电高分子材料是指高分子材料本身不具有导电性,但在加工成型时通过加入导电填料,如炭黑、金属粉末箔等,利用分散复合、层基复合、表面复合等方法,使制品具有导电性。其中,分散复合为常用。

目前导电橡胶已广泛应用于液晶显示屏(LCD)、发光二极管(LED)、集成电路(IC)芯片、印刷线路板组件(PCBA)、点阵块、陶瓷电容、薄膜开关、智能卡、射频识别等电子元件和组件的封装和粘接, 有逐步取代传统的锡焊焊接的趋势。

(2)技术性能:

  导电橡胶必须受一定的压缩力才能良好导电,所以结构设计必须保证合适的压力又不过压。板材很好高度

  压缩量在7~15%;实心圆形、D形很好高度压缩量在12~30%;管状、P形很好高度压缩量在20~60%.

(1)材料特性:

  铝镀银导电橡胶:具有优良的屏蔽性能和抗烟雾性能;

  铜镀银导电橡胶:具有优良的导电性;

  玻璃镀银导电橡胶:具有很好性价比;

  纯银导电橡胶:具有良好的防霉菌性。

2  导电橡胶的分类及组成, V( G0 {! }/ z  S# i0 x* `

2.1  导电橡胶的分类

导电橡胶是将玻璃镀银、铝镀银、银等导电颗粒均匀分布在硅橡胶中,通过压力使导电颗粒接触,达到良好的导电性能。在军事和商业上都有应用。其主要作用是密封和电磁屏蔽。产品可以模压或挤出成形,有片装或其他的冲切形状可供选择。屏蔽性能高达120dB(10 GHz)。分为CONSIL-NC(石墨镀镍填硅橡胶)、CONSIL-V(银填充硅橡胶挤出衬垫)、CONSIL-A(铝镀银填硅橡胶)、 CONSIL-N(镍镀银填硅橡胶)、 CONSIL-C(铜镀银填硅橡胶)、SC-CONSIL(石墨填硅橡胶CONSIL-R(纯银填硅橡胶)、CONSIL-II(银填硅橡胶模制衬垫)等导电橡胶种类很多, 按导电方向分为各向同性导电橡胶(ICAs,Isotropic Conductive Adhesive)和各向异性导电橡胶(ACAs,Anisotropic Conductive Adhesives)。ICA是指各个方向均导电的胶黏剂, 可广泛用于多种电子领域;ACA则指在一个方向上如Z方向导电, 而在X和Y方向不导电的胶黏剂。一般来说ACA的制备对设备和工艺要求较高, 比较不容易实现, 较多用于板的精细印刷等场合, 如平板显示器(FPDs)中的板的印刷。

按照固化体系导电橡胶又可分为室温固化导电橡胶、中温固化导电橡胶、高温固化导电橡胶、紫外光固化导电橡胶等。其中uninwell International只从收购Breakover-quick以后,成为导电橡胶全球产品线齐全的企业集团,产品涵盖室温固化导电橡胶、中温固化导电橡胶、高温固化导电橡胶、紫外光固化导电橡胶等。

室温固化导电橡胶较不稳定, 室温储存时体积电阻率容易发生变化。高温导电橡胶高温固化时金属粒子易氧化, 固化时间要求必须较短才能满足导电橡胶的要求。目前国内外应用较多的是中温固化导电橡胶(低于150℃), 其固化温度适中, 与电子元器件的耐温能力和使用温度相匹配, 力学性能也较优异, 所以应用较广泛。紫外光固化导电橡胶将紫外光固化技术和导电橡胶结合起来, 赋予了导电橡胶新的性能并扩大了导电橡胶的应用范围, 可用于液晶显示电致发光等电子显示技术上, 国外从上世纪九十年代开始研究,其中uninwell International的BQ-6999系列紫外光固化导电银胶属于行业首创,得到客户的普遍认可和高端客户的大力追捧。

2.2$ 导电橡胶的组成

      导电橡胶主要由树脂基体、导电粒子和分散添加剂、助剂等组成。目前市场上使用的导电橡胶大都是填料型。

填料型导电橡胶的树脂基体, 原则上讲, 可以采用各种胶勃剂类型的树脂基体, 常用的一般有热固性胶黏剂如环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂等胶黏剂体系。这些胶黏剂在固化后形成了导电橡胶的分子骨架结构, 提供了力学性能和粘接性能保障, 并使导电填料粒子形成通道。由于环氧树脂可以在室温或低于150℃固化, 并且具有丰富的配方可设计性能, 目前环氧树脂基导电橡胶占主导地位。

导电橡胶要求导电粒子本身要有良好的导电性能粒径要在合适的范围内, 能够添加到导电橡胶基体中形成导电通路。导电填料可以是金、银、铜、铝、锌、铁、镍的粉末和石墨及一些导电化合物。

3  导电橡胶的工作机理

一般橡胶均为良好的电绝缘体。复合型导电橡胶的导电机理有两种理论,即链锁式导电通路和隧道效应。

链锁式导电通路的机理认为,填料粒子必须在零点几纳米以内的距离靠近,这样就可产生压差,使填料粒子的π电子依靠链锁传递移动实现电流通过。橡胶中填料粒子的分散状态形成链锁必须有一定的填料用量,才能出现强的导电现象,因而支配橡胶导电性的主要因素是填料的用量,这是经典的一种说明。

链锁式导电通路是建立在填料必须形成链锁的前提下的。但是,用电子显微镜观察拉伸状态的橡胶并不存在炭黑链锁,却仍有导电现象,这就是隧道效应。当导电颗粒间不互相接触时,颗粒间存在聚合物隔离层,使导电颗粒中自由电子的定向运动受到阻碍。这种阻碍可视为具有一定势能的势垒。对一种微观粒子来说,其能量小于势垒的能量时,它有被反弹的可能性,也有穿过势垒的可能性。微观粒子穿过势垒的现象称为贯穿效应,也称为隧道效应。电子作为一种微观粒子,具有穿过导电颗粒之间隔离层阻碍的可能性。这种可能性的大小与隔离层的厚度以及隔离层势垒的能量与电子能量之差值有关。厚度与该差值越小,电子穿过隔离层的可能性就越大。当隔离层的厚度小到一定值时,电子就能很容易地穿过,使导电颗粒间的绝缘层变为导电层。这种由隧道效应产生的导电层可以用一个电阻和一个电容并联来等效。即:导电性是由填料粒子的隧道决定的。同时并有试验证明,随着填料粒子间距的增大,体积电阻亦随之升高。

此外,还有电场放射导电机理,这是因为在研究填料填充的高分子材料的电压、电流特性时,发现其结果不符合欧姆定律。认为之所以如此,是由于填料粒子间产生高压的电场强度而产生电流导致电场放射。综上所述,无论从哪种导电机理来理解,都认为填料的种类和配合量是支配材料终所表现出的导电性的主要因素。

4  国内外研究状况及前景

目前, 国内生产导电橡胶的单位主要有上海合成树脂研究所, 国外企业有uninwell International,美国Epoxy的企业、Ablistick企业,Loctite企业、3M企业,日本的日立企业、Three-Bond企业等。已商品化的导电橡胶种主要有导电橡胶膏、导电橡胶浆、导电涂料、导电橡胶带等组分有单、双组分。导电橡胶一般用于微电子封装、印刷电路板、导电线路粘接等各种电子领域中。现今国内的导电橡胶无论从品种和性能上与国外都有较大差距。

导电橡胶作为锡膏的换代产品有着广阔的前景,但是目前与锡膏或锡焊相比仍存在着成本高的问题, 而且导电稳定性和耐久性仍有待于提高。今后的研究方向首先是对现有粘接体系的改进, 如对环氧树脂的稀释、复合和改性, 使其既有着良好的力学性能又与导电粒子有良好的配合和适宜的润湿作用。通过对固化动力学的研究, 分析固化过程中活性基团的变化以及交联网络的形成过程中导电粒子聚集态的变化规律, 优化固化体系。第二是制备出导电率高、性能稳定、耐腐蚀和环境影响的导电粒子, 降低成本, 并提高导电橡胶的稳定性和可靠性。第三是发展新型的固化方式, 提高其工艺性, 实现低温或者室温固化, 如固化、电子束固化等。这方面的研究工作虽已开展, 但大多仍局限于研究阶段, 还有很多工作仍待进行。

5  导电橡胶的应用领域- ]5 z/ K1 M-X7 T8 l  |' ?6 |! m

导电橡胶的应用是随着近年来集成电路和大规模电子产业的发展而迅速壮大的。随着消费市场的迫切需求和现代科技的不断进步,涌现出了许多高精尖技术的新型电子产品。与之相匹配,各种高精密的新型导电澳门棋牌娱乐游戏平台也相继问世。可以应用在:

① 导电橡胶粘剂用于微电子装配,包括细导线与印刷线路、电镀底板、陶瓷被粘物的金属层、金属底盘连接,粘接导线与管座,粘接元件与穿过印刷线路的平面孔,粘接波导调谐以及孔修补。
    ②8 y" E- L# t3 e3 L导电橡胶粘剂用于取代焊接温度超过因焊接形成氧化膜时耐受能力的点焊。导电橡胶粘剂作为锡铅焊料的替代晶,其主要应用范围如:电话和移动通信系统;广播、电视、计算机等行业;汽车工业;医用设备;解决电磁兼容(EMC)等方面。
0 R5 z1 E, ]6 z) G1 Z5 \' M0 d0 O/ t     ③导电橡胶粘剂的另一应用就是在铁电体装置中用于电极片与磁体晶体的粘接。导电橡胶粘剂可取代焊药和晶体因焊接温度趋于沉积的焊接。用于电池接线柱的粘接是当焊接温度不利时导电橡胶粘剂的又一用途。
7 g+ k) Z7 R3 m9 z6 P    ④导电橡胶粘剂能形成足够强度的接头,因此,可以用作结构胶粘剂。

下面是几种导电橡胶的应用

(1)等向性导电橡胶

等向性导电橡胶在各个方向都具有均一的导电性,既有弹性又有适宜的电阻,不产生振荡,开关负荷小,可制成任意形状的按键开关。目前,已用于制作电脑和电子游戏机的键盘,今后将大量用于办公自动化设备上。

(2)异向性导电橡胶

异向性导电橡胶具有一定方向的导电性。它适用于液晶显示器内的高电阻连接器或印刷电路板触头的低电阻连接器。其制造方法有2种:1>将含有炭黑的导电橡胶薄层交替重叠,经硫化后沿垂直方向切成薄片; 2>将导电纤维或金属线定向排列在橡胶中。

(3)压敏导电橡胶

压敏导电橡胶的导电性随着压力的增加电阻变小,在不受力时一般为绝缘体。它有2种类型:1>开关型,不受压力时为绝缘体(断路),当压力达到一定值后,电阻急剧降低至导电状态(接通);2>类比型,其电阻值随压力的变化而逐渐变化。开关型压敏导电橡胶可用于制造固态开关元件及无冲击开关元件,如高速公路或道路用的车辆资讯感测器等。

(4)电磁屏蔽用导电橡胶

由于电子仪器、通讯器材和电脑本身会产生电磁波,同时也会受到外界电磁波的干扰,因此,要对电磁波进行屏蔽。

众所周知,很多因素影响屏蔽体的屏蔽效果,如屏蔽体的形状、厚度、安装方法、导电性能,但主要因素为材料的导电性。

根据场论分析,屏蔽体对电场和高频磁场的反射损耗较大,吸取损耗较小。反射损耗随着频率的增高而减小,吸取损耗与频率的平方根成正比变化。实验表明,材料的导电率越高,反射能力越强。所以屏蔽外来电磁波的干扰要选择导电率高的材料。

由此可知,作为一般的电磁屏蔽材料,其体积电阻系数应在1Ω·cm左右。传统的导电橡胶采用乙炔炭黑或高导电炭黑作填充剂,虽然既保留了橡胶的弹性,又具有导电性,但小的体积电阻率只能达到2-3Ω.cm,无法满足电磁屏蔽的要求。

选用纯银粒、镀银铜粒、镀银铝粒或镀银玻璃珠等作为导电填料,与硅橡胶或氟硅橡胶配合,即可制成这类导电橡胶。该橡胶不仅具有良好的导电、导磁和电磁屏蔽性能,还具有较好的气密性、水密性、压力密封性和抗腐蚀性。

还有一种电磁屏蔽用导电橡胶是将标准线材Monel(蒙乃尔高强度耐腐蚀镍铜合金)、Ferrex(镀锡包铜铜线)和其他金属或合金线(如铝线、镀锡磷青铜线等)双层编织在矩形或圆形的CR、硅橡胶海绵橡胶或空芯、实芯的硅橡胶芯子的表面,组成复合结构材料。其表层具有对电磁波屏蔽的导电、电磁性能,内芯橡胶具有较好的压缩性(压力为0.345-0.691MPa)。这类材料对灰尘、雨和空气具有密封性能,但不能做压力密封胶。

(5)抗静电导电橡胶

抗静电导电橡胶的体积电阻率为104-108Ω.cm,过去这类导电橡胶多以炭黑为导电填料,制品为黑色,且橡胶老化后析出炭黑会污染环境。近年来,国内多采用硅系硅化物填料,可制成不同颜色的彩色抗静电导电橡胶,其体积电阻率为105-107Ω.cm,抗静电性能比黑色橡胶要好。

实验发现,将各种金属粉末或炭黑粒子混入各种橡胶中后,材料的导电性能随导电填料的浓度的变化规律大致相同。导电填料浓度较低时,材料的电导率随浓度增加很少;而当导电填料的浓度达到一定值时,电导率急剧上升,变化值可达到十个数量级以上。超过这一临界值后,电导率随浓度的变化又趋于缓慢。用电镜观察材料的结果发现,当导电填料浓度较低时,填料颗粒分散在聚合物中,相互接触较少,导电性较低。随着填料用量的增加,颗粒间接触的机会增多,电导率逐步上升。当填料浓度增加到某一临界时,体系内的颗粒相互接触,形成无限网链。无限网链就像一个金属网贯穿于聚合物中,形成导电通道,电导率急剧上升,使橡胶变成了导体。再增加填料的用量,对橡胶的导电性就不会有多大贡献,电导率趋于平缓。

6  国内外导电橡胶的应用情况

     目前国内市场上一些高尖端的领域使用的导电橡胶主要以进口为主:uninwellInternational,Ablistick企业,3M企业几乎占领了全部的IC和LED领域,日本的住友和台湾翌华也有涉及这些领域。日本的Three-Bond企业则控制了整个的石英晶体谐振器方面导电橡胶的应用。国内的导电橡胶主要使用在一些低档的产品上,这方面的市场主要由上海合成树脂所占有。

uninwell InternationalBQ的系列的导电橡胶主要适用于LCM,LED发光二极管,FV太阳能电池组件,TP触摸屏,光通讯器件,电子标签,电子纸,智能卡封装,EL冷光片,无源器件,封装测试,SMT表面贴装,摄像头,手机组装,电脑装配,DVD,数码产品,半导体芯片,传感器,电气绝缘,汽车电子,医疗器械等行业的各种电子元件和组件的封装以及粘结等。

7  导电橡胶的应用及面临的技术难题

电胶主要存在以下问题:

(1)电导率低,对于一般的元器件,大多导电橡胶均可接受,但对于功率器件,则不一定。

(2)粘接效果受元器件类型、PCB(印刷线路板)类型影响较大。

(3)固化时间长。由基体树脂和金属导电粒子组成的导电橡胶,其电导率往往低于Pb/Sn焊料。为了解决这一问题,国内外的科研工编辑做了以下的努力:增加树脂网络的固化收缩率;用短的二羧酸链去除金属填充物表面的润滑剂;用醛类去除金属填充物表面的金属氧化物;采用纳米级的填充粒子等。

(4)导电橡胶的另一个技术问题是相对较低的粘接强度,在节距小的连接中,粘接强度直接影响元件的抗冲击性能。

8  结束语

微电子封装技术正处于高速发展阶段, 导电橡胶以其诸多优点成为锡铅焊料未来可能的替代品, 但仍存在许多制约其广泛应用的缺陷, 目前对导电橡胶的研究主要集中在下述几个方面。

(1) 新体系的开发

现在使用的导电橡胶大部分都是环氧树脂体系。但是,环氧树脂存在固化温度高、易吸水等缺点,环氧树脂导电橡胶的粘接强度相对Pb /Sn 体系偏低,银系导电橡胶有银迁移和腐蚀作用; 铜和镍易氧化,导电橡胶中多用胺类等污染环境的固化剂及偶合剂,导电率较低且固化时间相对较长。因此, 聚合物的共混( 导电橡胶和导电聚合物的共混, 改善其综合性能) 和改性、固化剂的改性以及导电粒子的表面活性处理、覆镀合金或低共熔合金和由此制备的新型导电聚合物是近几年的研究重点。

(2) 固化动力学的研究

通过固化动力学的研究, 可以对导电橡胶的聚合过程得到更深的认识, 为选择高效率的固化剂提供引导固化动力学的研究可以通过原位红外光谱分析来实现。通过对固化过程中活性基团红外光谱的原位分析推断固化过程中发生的反应, 进而优化固化体系。

(3) 新固化方式的实现

UninwellInternational开发的低温固化导电银胶,室温快速固化导电银胶BQ-6880系列得到全球很多大客户的青睐,是未来连接材料的发展趋势。BQ-6999系列紫外光固化导电银胶也为很多客户极大提高了生产效率,成为今后需要提高效率的首选导电银胶。此产品利用UV固化、电子束固化得到接近金属焊料的连接强度。

目前我国电子产业正大量引进和开发SMT生产线, 导电橡胶在我国必然有广阔的应用前景。但我国在这方面的研究起步较晚, 目前所需用的高性能导电橡胶主要依赖进口, 因此必须大力加强粘接温度和固化时间、粘接压力、粒子含量等因素导电橡胶可靠性的影响的研究和应用开发, 制备出新型的导电橡胶, 以提高我国电子产品封装业的国际竞争力。


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