CN109852281A - 一种基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法，将低熔点液态金属与胶粘剂结合制得的各向异性导电胶易于加工成型，并具有良好的导电各向异性以及优异的粘接性。该制备方法包括：(1)制备液态金属各向异性导电胶：将液态金属分散于胶粘剂，得到液态金属颗粒与胶粘剂的混合物，除去气泡，储存备用；(2)液态金属各向异性导电胶的使用方法：将除去气泡的液态金属颗粒与胶粘剂的混合物涂于基体，再将另一基体置于混合物上，固化成型得到液态金属导电胶。根据导电胶的玻璃化温度设置温度，在此温度下对导电胶施加力，恢复至室温，此时导电胶沿力的方向具有优秀的导电性，而垂直于力方向上处于绝缘状态。

Description

一种基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法。

背景技术

各向异性导电胶(简称ACAs)具有独特的导电各向异性，即电导率(或电阻率)在三个维度(x，y和z)方向上存在差异。随着电子信息化时代的到来，ACAs因其结合了聚合物质轻，易于加工成型等独特优点以及导电填料优异的电学。热学等物理特征，备受人们的青睐，广泛应用于封装链接、电子元件、光学元件、显示器等领域。通过精确地控制导电填料在胶粘剂基体中的分布,从而达到只在z轴方向上的导电和粘结，而x,y方向上则形成良好的绝缘。当受热和受压之后,导电粒子在芯片***焊盘与基板焊盘之间形成z方向上的连续导通。而基板焊盘之间的区域，聚合物基体与其余的颗粒则作为绝缘体，防止任何其他方向上的电流流过。

目前各向异性导电胶由高分子树脂基体、导电填料和其他一些助剂组成。双酚A型环氧树脂是高分子树脂基体中广泛应用的热塑性树脂之一。双酚A型环氧树脂导电胶导电性能好，但是力学性能较差。一方面，双酚A型环氧树脂由于自身的高度交联密度和刚性使其为基体的环氧树脂导电胶，有极大的脆性、较差的柔韧性等缺点；另一方面，为达到预期电导率，必须在环氧树脂集体中填充数量较多的银、铜等传统导电填料，而这会导致固化产物力学性能大幅度降低，限制了其在柔性电子电器、航空航天等领域中的应用。开发替代传统双酚A型环氧树脂导电胶的新型高性能各向异性导电胶在电子封装行业中意义重大。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法，一种基于液态金属(单质镓、或者为含镓、铋、镉、锡、铅、镝、铟中一种或多种元素的合金，其熔点低于100摄氏度)的各向异性导电胶的制备方法。

技术方案：本发明的一种基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法包含以下步骤：

步骤1.制备液态金属颗粒与胶粘剂的混合物：所使用的胶粘剂分为单组份胶粘剂及多组分胶粘剂，将液态金属分散于胶粘剂，得到液态金属颗粒与胶粘剂的混合物，除去气泡，储存备用；

步骤2.液态金属各向异性导电胶的制备：将步骤1除去气泡的液态金属颗粒与胶粘剂的混合物涂于一块基体，再将另一块基体置于所述的混合物上，固化成型得到液态金属导电胶；根据导电胶的玻璃化温度设置温度，在此温度下对导电胶施加力，恢复至室温，此时导电胶沿力的方向具有良好的导电性，而垂直于力方向处于绝缘状态，得到基于液态金属的各向异性导电胶。

其中，

所述的液态金属为单质镓、或者为含镓、铋、镉、锡、铅、镝、铟中一种或多种元素的合金，其熔点低于100摄氏度。

所述基体为用于电气设备或装置的导电基体，例如传统电路板或柔性电路板。

所述对导电胶施加力的种类包括但不限于压力、弯折力或拉力。

所述胶粘剂核心成份为高分子聚合物或预聚物，包括但不限于氰基丙烯酸酯类、乙基丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯类、聚酯类、聚丙烯酸及其酯类、聚甲基丙烯酸及其酯类、环氧树脂类、含硅聚合物类或聚乙烯醇类等。

所述单组份胶粘剂中的高分子材料为高分子聚合物或预聚物，包括有氰基丙烯酸酯类、乙基丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯类、聚酯类、聚丙烯酸类、甲基丙烯酸类、环氧树脂类、聚乙烯醇类、含硅聚合物类等。

所述多组分胶粘剂由两个组份或多个组份组成。

所述多组分胶粘剂由聚合物或预聚物，固化剂及改性剂中多种成份选择组合而成：

胶粘剂聚合物树脂的种类包括但不限于：环氧树脂类、氰基丙烯酸酯类、乙基丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯类、聚酯类、聚丙烯酸及其酯类、聚甲基丙烯酸及其酯类、聚乙烯醇类、含硅聚合物类等；

胶粘剂固化剂的种类包括但不限于：潜伏性环氧树脂固化剂、催化型环氧树脂固化剂、聚醚胺型环氧树脂固化剂，自由基引发剂类；

胶粘剂改性剂的种类包括但不限于：聚硫橡胶、聚酰胺树脂、丁腈橡胶、酚醛树脂、聚酯树脂、硅树脂。

有益效果：与传统低熔点金属(熔点大于150摄氏度)的各向异性导电胶相比，本发明中的液态金属熔点低于100摄氏度。

通过控制对导电胶施加力，可以实现其在力方向上的导通，并保持垂直力方向上绝缘，其导通电阻大小可低于100mΩ。

与传统低熔点金属(熔点大于150摄氏度)各向异性导电胶相比，本发明中液态金属各项异性导电胶可以先固化，然后在室温附近施加力而导通电路(在选用合适的液态金属条件下)；而传统低熔点金属(熔点大于150摄氏度)各向异性导电胶操作的导通电路温度必须在高温下进行(大于150摄氏度)，且固化和导通电路必须同时进行。

液态金属导电胶可以在固化后，选择合适力大小以及力范围来控制应力方向上的导电范围，可以达到选择性导通电路的效果。

该液态金属各向异性导电胶除适用于传统低熔点金属(熔点大于150摄氏度)各向异性导电胶的应用范围外(例如电路板胶结等)；还适用于柔性电路间的导电连接，拓展了各向异性导电胶的应用范围。

该液态金属各向异性导电胶不仅仅在压力下可以导通电路，在其他力(包括但不限于拉力，弯折力等)作用下，均可以实现在力的平行方向上导通电路，而保持垂直力方向上绝缘。

具体实施方式

本发明的一种基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法可以通过以下技术方案实现：

步骤(1)制备液态金属各向异性导电胶：本发明使用的胶粘剂可分为单组份胶粘剂及多组分胶粘剂，将液态金属分散于胶粘剂(可以使用或者不使用溶剂)，得到液态金属颗粒与胶粘剂的混合物，除去气泡，储存备用；

步骤(2)液态金属各向异性导电胶的使用方法：将除去气泡的液态金属颗粒与胶粘剂的混合物涂于基体(例如传统电路板、柔性电路板等)，再将另一块基体置于混合物上，形成三明治夹层结构。固化成型得到液态金属导电胶。根据导电胶的玻璃化温度设置温度，在此温度下对导电胶施加力(包括但不限于压力，弯折力，拉力等)，冷却恢复至室温，此时导电胶沿力的方向具有良好的导电性，而垂直于压力方向处于绝缘状态。

实施例(以多组分胶粘剂为例，此例中多组分胶粘剂由胶粘剂A、B、C三个组分组成；本发明的内容不仅仅局限于下面的实例)

步骤(1)制备液态金属颗粒与胶粘剂A组分(聚合物树脂)的混合物

在胶粘剂A组份中加入一定量的液态金属镓，并进行分散，得到液态金属颗粒与胶粘剂A组分混合物，室温储存备用。

步骤(2)制备液态金属颗粒与胶粘剂A组分(聚合物树脂)、B组分(固化剂)和C组分(改性剂)混合物

将一定量的胶粘剂B组分和C组分加入液态金属颗粒与胶粘剂A组分混合物中，混合物在1000rpm下搅拌5min，然后利用超声波清洗器超生30min除去气泡备用，低温储存备用。

步骤(3)液态金属各向异性导电胶的使用方法

将除去气泡的态金属颗粒与胶粘剂A组分、B组分和C组分混合物涂于基板上，再将另一块基板置于混合物上，形成三明治夹层结构。在鼓风干燥箱中，80℃固化2h，120℃固化2h，150℃固化2h，180℃固化2h，冷却至室温备用。根据样品的玻璃化温度设置温度(温度一般高于玻璃化温度30℃)，在此温度环境下对样品施加垂直于样品方向的压力，在保持压力的情况下冷却恢复至室温，得到液态金属各向异性导电胶。此时导电胶沿力方向具有良好的导电性(电阻值低于100mΩ)，而垂直于压力方向处于绝缘状态。

虽然，上文中的一般性说明以及具体实例已对本发明做了详尽描述，但在本发明基础上对所列举的原材料以及反应参数的上下限、区间取值都能实现本发明，这里就不做额外赘述。

以上实施例中，通过改变胶粘剂A、B、C三个组分的组成及比例，得到性能不同的液态金属各向异性导电胶，各组分含量如表1所示：

性能测试：

拉伸性能测试：按CB/T 1040.3-2006进行，采用SANS E42.503型微机控制电子万能试验机在室温测试，拉伸速率为5mm/min，每种样品需测试5个样条，结果求平均值。拉伸韧性可通过对拉伸应力-应变曲线进行积分获得。

差示扫描量热仪：采用DSC25TA差示扫描量热仪进行测试。样品在氮气保护进行测试，升温速率为5℃/min，温度扫描范围为-50-250℃。

热重分析：利用TG 209F1型热重分析仪进行测试，样品在氮气保护进行测试，升温速率为10℃/min，温度扫描范围为25-800℃。

动态热机械性能测试：利用Q800型动态热力学分析仪进行测试，测试模式为双悬臂，样品尺寸为80mm×10mm×4mm，升温速率为3℃/min，频率为1Hz，测试温度范围为0-200℃。

冲击强度：用冲击试验机测试，按照GB/T 1843-2008进行，选择简支梁模式，测试温度为室温。

硬度性能分析：用邵氏硬度计测试，测试温度为室温。

扫描电镜表征：样品拉伸测试断裂面表面形貌结构可通过FEI Nova Nano SEM450扫描电镜进行测试。

导电性测试：Keysight 34461A在室温下采用双线模式监控电阻随时间变化。电源线周期数(NPLC)和测量范围为0.02和自动模式，而测量选项为电阻2W。电线将矩形样品的两侧连接到Keysight 34461A。上述过程中，所有导线都通过绝缘带牢固地固定。

与传统低熔点金属(熔点大于150摄氏度)各向异性导电胶相比，本发明有以下优点：

(1)本发明中的液态金属为单质镓、或者为含镓、铋、镉、锡、铅、镝、铟中一种或多种元素的合金，其熔点低于100摄氏度。

(2)通过控制对导电胶施加力，可以实现其在力方向上的导通，并保持垂直力方向上绝缘，其导通电阻大小可低于100mΩ。

(3)本发明中液态金属各项异性导电胶可以先固化，然后在室温附近施加力而导通电路(在选用合适的液态金属条件下)；而传统低熔点金属(熔点大于150摄氏度)各向异性导电胶操作的导通电路温度必须在高温下进行(大于150摄氏度)，且固化和导通电路必须同时进行。

(4)本发明中液态金属导电胶可以在固化后，选择合适力大小以及力范围来控制应力方向上的导电范围，可以达到选择性导通电路的效果。

(5)该液态金属各向异性导电胶除适用于传统低熔点金属(熔点大于150摄氏度)各向异性导电胶应用范围外(例如电路板胶结等)；还适用于柔性电路间的导电连接，拓展了各向异性导电胶的应用范围。

(6)该液态金属各向异性导电胶不仅仅在压力下可以导通电路，在其他力(包括但不限于拉力，弯折力等)作用下，可以在力的平行方向上导通电路。

Claims (9)

1.一种基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法，其特征在于该制备方法包含以下步骤：

步骤1.制备液态金属颗粒与胶粘剂的混合物：所使用的胶粘剂分为单组份胶及多组分胶，将液态金属分散于胶粘剂，得到液态金属颗粒与胶粘剂的混合物，除去气泡，储存备用；

步骤2.液态金属各向异性导电胶的制备：将步骤1除去气泡的液态金属颗粒与胶粘剂的混合物涂于一块基体，再将另一块基体置于所述的混合物上，固化成型得到液态金属导电胶；根据导电胶的玻璃化温度设置温度，在此温度下对导电胶施加力，恢复至室温，此时导电胶沿力的方向具有良好的导电性，而垂直于力方向处于绝缘状态，得到基于液态金属的各向异性导电胶。

2.按照权利要求1所述的基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述的液态金属为单质镓、或者为含镓、铋、镉、锡、铅、镝、铟中一种或多种元素的合金，其熔点低于100摄氏度。

3.按照权利要求1所述的基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述基体为用于电、气设备的电路基体。。

4.按照权利要求1所述的基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述对导电胶施加力包括压力、弯折力或拉力。

5.按照权利要求1所述的基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述胶粘剂核心成份为高分子聚合物或预聚物，包括但不限于氰基丙烯酸酯类、乙基丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯类、聚酯类、聚丙烯酸类、甲基丙烯酸类、环氧树脂类、含硅聚合物类或聚乙烯醇类。

6.按照权利要求1所述的基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述单组份胶粘剂中的高分子材料为高分子聚合物或预聚物。

7.按照权利要求6所述的基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物或预聚物包括但不限于氰基丙烯酸酯类、乙基丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯类、聚酯类、聚丙烯酸及其酯类、聚甲基丙烯酸及其酯类、环氧树脂类、聚乙烯醇、含硅聚合物类。

8.按照权利要求1所述的基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述多组分胶粘剂由两个组份或多个组份组成。

9.按照权利要求8所述的基于液态金属的各向异性导电胶的制备方法，其特征在于，所述多组分胶粘剂由聚合物或预聚物、固化剂及改性剂中多种成份选择组合而成：

胶粘剂聚合物或预聚物的种类包括但不限于：环氧树脂类、氰基丙烯酸酯类、乙基丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯类、聚酯类、聚丙烯酸类、甲基丙烯酸类、聚乙烯醇类、含硅聚合物类等；

胶粘剂固化剂的种类包括但不限于：潜伏性环氧树脂固化剂、催化型环氧树脂固化剂、聚醚胺型环氧树脂固化剂，自由基引发剂类；

胶粘剂改性剂的种类包括但不限于：聚硫橡胶、聚酰胺树脂、丁腈橡胶、酚醛树脂、聚酯树脂、硅树脂。