用于柔性显示屏的驱动芯片连接技术

1、用于柔性显示屏的驱动芯片连接技术1 柔性显示背景分析与发展前景1.1 背景分析近半个世纪来， 电子信息技术的发展对日常生活的影响有诸 多案例，但其中显示技术的发展带来的日常生活的变革是最显而 易见的。从首台基于动态散射模式的液晶显示器（ liquid crystal display , LCD （约为上世纪70年代），到目前LCD电视的普 及、3D电视的热潮，显示技术的发展颠覆了我们对传统阴极射 线管（cathode ray tube ， CRT显示器的认知。2012年15 月，液晶电视销售额为 1， 331.9 万台，占彩电销售总额 （1， 470 万台）的90.6% （数据来源：视像协会与

2、 AVC，可以毫不夸张 地说，目前已经是液晶电视的天下。 与传统的CRT显示技术相对 比，液晶显示技术的显著优点已广为人知，不用赘述。随着电子技术应用领域的不断扩展， 电子产品已经逐步成为 日常生活的必须品， 而将更多显示元素引入家庭和个人环境是未 来显示技术的发展趋势， 目前基于此类的研究正在逐步进行 （如 飞利浦、索尼、通用已经开始相关技术的研发）。但是刚性、矩 形、基于玻璃基板的显示器件已经显示出不能满足设计者对外形 的需求，设计人员更趋向于选择一种可弯曲、可折叠，甚至可以 卷曲的显示器件。与此同时， 对产品品质的要求不断提升， 电子产品被要求能 承受更多次的“随机跌落试验”。 而实验证

3、明基于刚性玻璃基板 的显示器件在试验中极易损坏， 所以在引入全新设计理念的过程 中，具有轻薄、不易碎、非矩形等特性的“概念产品”被普遍认 为“具有不一般的对市场的高度适应性”。在产品外形方面， 与传统显示器相比， 柔性显示器具有更结 实、更轻薄、样式新颖的特点，而这些特点对产品设计师和最终 用户都极具吸引力。在制造商方面， 柔性显示器生产时， 可以采用新型印刷或者 卷绕式工艺进行生产， 运输成本相对低廉， 使得制造商具有进一 步降低生产成本的潜力。在潜在安全性方面， 当柔性显示器破裂时， 不会产生可能导 致人员受伤的锋利边缘， 因此相对刚性显示器而言， 柔性显示器 无疑更加安全。1.2 柔性显

4、示的发展前景 由于柔性显示技术具有独特的技术特点， 与现有显示技术相 比具有一定的先进性，所以普遍认为，在某些市场中，柔性显示 具有潜在的替代优势， 同时， 柔性显示技术更具开拓全新应用领 域的潜力 （如军方将柔性显示应用于新式迷彩服， 而这个领域传 统刚性显示器件是很难涉及的） 。柔性显示器是一种具备良好的 市场前景的新技术， 目前用于生产柔性显示器的显示技术有十多 种，包括传统的液晶、有机发光显示（ organic light-emitting diode , OLED、电致变色、电泳技术等等，据估计全球约有数 百家公司正在或即将开始柔性显示的研发。可以认为，柔性显示技术的发展将为显示技术

5、领域注入革命 性的创新动力。2 现有组装技术的分析2.1 组装技术概述作为柔性显示重要部件之一的驱动芯片， 如何与柔性显示器 件相连接是一个值得研究的课题。 无论何种显示技术， 最终的显 示画面依赖于驱动芯片给显示介质（例如液晶，发光二极管等） 提供其所需的信号（电压信号或电流信号）。已有的芯片组装和 封装方式有很多种成熟的方案， 但在柔性显示器芯片组装时， 最 主要考虑的因素有以下几点：（1）组装制程中的压力和温度；（2）组装方式的可靠度（包括物理连接可靠度和电性能的 可靠度）；（3）组装中能达到的最小管脚距离（ Pin pitch ）和最高管 脚数量。就目前主流的芯片与目标介质的组装技术宏

6、观上可以分为如下4类（由于TFT-LCD的驱动芯片与目标介质组装技术比较特 殊，所以单独归为一类）：第一类，微电子封装技术，是指将晶圆（Wafer ）切割后的Chip 做成一种标准的封装形式的技术。 简称SMTC，是指将封装后的芯片（IC）成品组装到目标介质 上的技术。第三类，裸芯片组装（Bare Chip Assembly），是指将晶圆 切割后的 Chip 直接组装到目标介质上的技术。第四类，液晶显示器（TFT-LCD领域特有的芯片封装和组 装技术（COF/TCF封装和ACF bonding技术）。下面将逐一介绍各类组装技术。2.2 微电子封装技术对于电子设备体积、 重量、性能的期盼长久以来

7、一直是促进 电子技术发展的源动力， 而在微电子领域， 对芯片面积减小的期 望从未停歇（从某种程度上讲，芯片的面积决定芯片的成本价 格），在莫尔斯定律的效应下，芯片电路的集成度以 10 个月为 单位成倍提高，因此也对高密度的封装技术不断提出新的挑战。从早期的 DIP 封装，到最新的 CSP（Chip scale package ） 封装，封装技术水平不断提高。 芯片与封装的面积比可达 1：1.14 ， 已经十分接近 1：1 的理想值。然而，不论封装技术如何发展， 归根到底，都是采用某种连接方式把 Chip上的接点（Pad）与封 装壳上的管脚（ Pin ）相连。而封装的本质就是规避外界负面因 素对

8、芯片电路的影响，当然，也为了使芯片易于使用和运输。以BGA封装形式为例，通常的工艺流程如图3所示。通常的工艺流程是首先使用充银环氧粘结剂将 Chip 粘附于封装壳上，然后使用金属线将 Chip 的接点与封装壳上相应的管 脚连接，然后使用模塑包封或者液态胶灌封，以保护 Chip 、连 接线( Wire bonding )和接点不受外部因素的影响。 另外 随着芯片尺寸的不断缩小， I/O 数量的不断增加，有时也会使用 覆晶方式( Flip Chip )将芯片与封装壳连接。覆晶方式是采用 回焊技术，使芯片和封装壳的电性连接和物理连接一次性完成， 目前也有在裸芯片与目标介质的组装中使用覆晶方式。2.3

9、 微电子表面组装技术微电子表面组装技术( surface mount technolo gy ， SMTc， 又称表面贴片技术) ，一般是指用自动化方式将微型化的片式短 引脚或无引脚表面组装器件焊接到目标介质上的一种电子组装 技术。表面组装焊接一般采用浸焊或再流焊， 插装元器件多采用浸 焊方式。浸焊一般采用波峰焊技术，它首先将焊锡高温熔化成液态， 然后用外力使其形成类似水波的液态焊锡波， 插装了元器件的印 刷电路板以特定角度和浸入深度穿过焊锡波峰， 实现浸焊， 不需 要焊接的地方用钢网保护。波峰焊最早起源于 20 世纪 50 年代， 由英国 Metal 公司首创，是 20 世纪电子产品组装技术

10、中工艺最 成熟、影响最广、效率最明显的技术之一。表面贴片元器件多使用再流焊技术，它首先在PCB上采用“点涂”方式涂布焊锡膏， 然后通过再流焊设备熔化焊锡膏进行 焊接。再流焊的方法主要以其加热方式不同来区别， 最早使用的 是气相再流焊， 目前在表面组装工艺中使用最为广泛的是红外再 流焊， 而激光再流焊在大规模生产中暂时无法应用。 再流焊中最 关键的技术是设定再流曲线，再流曲线是保证焊接质量的关键， 调整获得一条高质量的再流焊曲线是一件极其重要但是又是极 其繁琐的工作。2.4 裸芯片组装技术 裸芯片组装是指在芯片与目标介质的连接过程中， 芯片为原 始的晶圆切片形式( Chip )，芯片没有经过预先

11、的封装而直接与 目标介质连接。常用的封装形式为 COB(Chip On Board )形式。CO昉式一般是将Chip先粘贴在目标介质表面，然后采用 金属线键接的方式将 Chip 的接点与目标介质上相应的连接点相 连接。完成后 C h i p 、金属连接线、目标介质上的连接点均用液 态胶覆盖，用以隔离外界污染和保护线路。裸芯片组装还有另一种方式， 即覆晶方式。 覆晶方式是指在 Chip 接点上预先做出一定高度的引脚，然后使用高温熔接的方 式，使引脚与目标介质相应位置结合，形成电性的连接。与传统 方式相比，覆晶方式不需要使用金属线进行连接。TFT -LCD驱动芯片常用的TCP/COF封装使用的即是

12、覆晶方式，但是由于 TCP/COF封装应用领域的特殊性，所以没有将其归入裸芯片封装 技术中，而是单独划为一类。2.5 液晶显示器领域特有的芯片封装和组装形式由于TFT-LCD显示电路的特殊性，要求驱动芯片提供更多的 I/O端口，所以一般情况下 TFT-LCD马区动芯片封装多采用TCP (Tape Carrier Package )方式，或者 C O F( Chip On Film )方 式，芯片与TFT-LCD显示面板连接多采用 ACF( An isotropic Conductive Film )压合粘接的方式。TCP/COF多使用高分子聚合材料 (PI ，polyimide)为基材， 在基

13、材上采用粘接或者溅镀( Spatter )方式使之附着或形成铜 箔，然后使用蚀刻方式( Etching )在铜箔上制作出所需要的线 路、与 Chip 连接的内引脚(ILB Lead, ILB ： Inner Lead Bonding )、 与TFT -LCD显示电路连接的外引脚 C( OLB Lead-C, OLB Outer Lead Bon di ng )、和外部目标介质(多为 PCB板)连接的外引脚 P(OLB Lead-P, OLB：Outer Lead Bonding ),最后在所有引脚 表面附着一层焊锡。Chip的接点为具有一定高度的金突块 (Au Bump，在与Chip 连接(A

14、ssembly)时，Chip的接点与TCP/COF上的内引脚通过 高温高压形成金 -锡-铜合金, 从而达到电性导通的目的, 然后使 用液态胶灌封。而在与外部目标介质TFT-LCD显示电路连接时，则采用另一种组装方式一一ACF压合粘接方式(AFC bonding )。ACF胶结构类似于双面胶，胶体内富含一定密度的导电粒子 (Conductive Particle ),导电粒子为球状,外部为绝缘材料, 内部为导电材料。 当导电粒子受到外部压力破裂时, 内部导电材料露出，多个破裂的导电粒子连接，可形成电性通路。由于导电 粒子破裂时仅受到垂直方向的压力， 加之芯片相邻接点距离远大 于导电粒子直径， 因

15、此， 破裂的导电粒子产生的电性链路具有垂 直方向导电，水平方向不导电的特性。基于该种特性，ACF胶能使TCP/COf封装形式的芯片每根外引脚在水平方向上互相绝缘， 不致形成短路， 而在垂直方向又能与目标介质实现电性导通。 由 于ACF胶加热固化后具有很强的粘合力，所以形成电性导通的同时，可以使COF/TCP与目标介质实现物理连接。TCP/COF封装形式能支持高达数千的I/O引脚数，因此在TFT-LCD马驱动芯片领域得到广泛的应用。当然，随着成本因素的影响日渐增加， 另一种方式 C O(G ChipOn Glass)也应运而生。与TCP/COF方式唯一的不同点在于，COG 方式不需要PI基材，而

16、是使用ACF压合粘接方式，直接将 Chip 与TFT-LCD显示电路连接，因此会更加节省成本。由于在组装中 芯片是晶圆切片形式，所以COGi术也可以认为是一种裸芯片组 装技术。3 柔性显示驱动芯片组装方安提出3.1 柔性显示动芯片组装方案概述 基于上述介绍，可将芯片与目标介质连接的技术做如下归 类：第一类为使用金属线形成电性连接， 该种形式多用在常规的 芯片和封装壳组装、裸芯片COB封装，可将其归纳为 Wire bonding方式。第二类为芯片和目标介质采用焊接的方式形成电性连接， 电 子表面组装技术， 裸芯片覆晶方式多使用该种技术形式， 可将其 归纳为焊接方式。第三类为TFT-LCD芯片组装

17、中经常使用的 ACF胶压合连接方 式，可将其归纳为 ACF bonding 方式。 按照上述分类，拟 依照不同技术背景， 制定不同的芯片与目标介质连接方案， 实现 驱动芯片与柔性显示基材的电性连接。具体方案如下：方案 1：采用 Wire bonding 方式。方案 2：采用 Flip Chip 方式。方案 3：采用 ACF bonding 方式。 需要指出，提出方案时，只讨论理论上该方案的可行性，并 没有对该种方案是否具有投入实际生产的可行性做出判断和论 述。下面将具体讨论三种方案的优劣。3.2 Wire bonding 方案目前 Wire bonding 技术的具体实现步骤如下： 首先，在晶

18、圆制程后期使用电镀方式将 Chip 的连接点做成 金突块；同时，目标介质上的引线（Lead）上也使用镀金技术使 其附着一定厚度的金；然后使用 Wire bonding 设备将金属线的 一端熔接（采用超声波或高温熔接方式）在金突块上，另一端采 用相同的方式熔接在目标介质的 Lead 上，从而实现电性的导通。 由于金具有良好的延展性和良好的导电性，所以，在 Wire bonding 的过程中，一般使用高纯度金线( 99.99%)。当然，目 前在一些极低端应用中出于成本的考虑， 或者在 SOC(System On Chip )/SOP( System On Package )封装中出于保密的需求，会

19、 在某些没有高频信号和大电流信号的连接管脚上使用铝线或者 铜线进行 Wire bonding 。在柔性显示中使用 Wire bonding 方案的优势和劣势同样明 显。首先，金是良好的导体， 所以在使用金线键接时无需担心传 输线RC/RH效应对高频率信号传输造成的影响；同时，也不需过多考虑大电流信号在传输过程中由于传输线本身电阻造成的电 压降效应和热效应；其次，采用COB方式可以将芯片直接固定在 柔性基材上，省去芯片封装的成本。但是， Wire bonding 的劣势也同样明显，第一，一般只有 在金含量较高的连接点上才能实现金线和 Lead/Pad 的熔接；第 二， Wire Bonding

20、要求目标介质能承受一定压力且不能有太大 形变；第三， Wire Bonding 要求目标介质能承受较高温度；第 四，Wire bon di ng 受 Wire bonding 设备精度的限制，以 BGA封 装为例，一般 I/O 数量为 500以内的芯片使用 Wire bonding 的 方式， I/O 数量增高，势必会使单个芯片连接点的尺寸减小，而 在 I/O 数超过 500以上时，芯片接点的尺寸会使 Wire bonding 的成功率大幅下降， 而目前的显示技术恰恰又要求驱动芯片提供 更多的 I/O 数目。所以，综合分析上述各种因素， 只有在低分辨率金属材质 （如 用金属箔为基材的柔性显示）

21、的柔性显示方案中才有可能采用 Wire bonding 的方式进行芯片和柔性基材的键接。因此，作为 一种连接技术， Wire bonding 技术可以使用在柔性显示中，但 是受到 Wire bonding 技术自身的制约，它在柔性显示中的应用 会受到不小的限制。3.3 覆晶方式覆晶封装方式的应用十分广泛， 由于覆晶方式可以节省 Wire bonding 的金线成本，同时芯片与封装壳的距离更近，可以保证 高频信号具有良好的信号品质， 所以被大量使用在对信号品质要 求较高的CPU芯片封装中。传统封装形式，芯片的最高工作频率 为23GHz而采用覆晶方式封装，依照不同的基材，芯片的最 高工作频率可达1

22、040GHz覆晶方式的基本做法是在芯片上沉积锡球， 然后采用加温的 方式使得锡球和基板上预先制作的 Lead 连接，从而实现电性连 接。可以这样认为，覆晶方式是焊接方式的提升。应用覆晶方式实现柔性基材和驱动芯片的连接有其独特之 处。首先，芯片与柔性基材直接连接，从电性上考虑，该方式由 于省略了封装中的信号传输线， 所以可以降低芯片管脚上杂讯的 干扰，而从成本角度考虑，由于使用裸芯片，该方式可以节约芯 片的封装成本；其次，当芯片晶背( Chip backside )减薄到一 定程度后(例如将 Chip晶背研磨至13卩m时，Chip可以弯折， 如图 6 所示)， Chip 会呈现一定程度的柔性，可

23、以在一定程度 上实现与显示基材同步的柔性弯曲。与 Wire bonding 方式相比，覆晶方式会有其成本上的先天 优势(不需使用金属线键接)，但是覆晶方式也存在一些问题。覆晶方式中会使用锡球工艺， 目前出于绿色环保考虑， 微电 子表面焊接技术中大量使用无铅焊锡，无铅焊锡的熔点约在 200C以上。而在柔性显示基材的各种方案中，一般具有良好弯 折特性的柔性基材多为有机材料， 有机柔性基材所要求的制程温 度范围一般在150C以内，超过200C的高温会对柔性显示基材 造成不可逆的损伤。 所以， 柔性基材不耐高温的特性与覆晶技术 中需要使用的高温制程存在一定的矛盾。因此，我们可以推测， 覆晶方式在柔性显

24、示的应用领域会受到其制程温度的限制。综上所述，覆晶方式多应用于柔性电路板( Flexible Print circuit )与芯片连接或者PCB板直接与芯片连接。当然，在能 够耐受高温的柔性基材上使用覆晶方式实现驱动芯片与柔性基 材的连接也极为可行。3.4 ACF bonding 方式ACF bon di ng是目前TFT-LCD领域驱动芯片和显示基板连接 最常用的方式，可以将裸芯片或者 TCP/COF封装形式的芯片通过 ACF胶与目标介质实现电性连接以及物理连接。ACF胶连接方式中，ACF胶电阻率变化曲线依赖于导电粒子 密度、导电胶厚度、宽度以及导电胶的固化温度。本文没有设计 具体实验测量导

25、电胶电阻率的实际曲线， 参考相关文献， 导电胶 的电阻率约为5X 10-4 Q x cm 而基于TFT -LCD Array线路本身 带给驱动芯片的负载远大于导电胶引入负载的事实， 以及驱动芯 片输出信号对电容类负载比电阻类负载更为敏感的特性， 可以认 为， ACF bonding 方式的电阻率的非线性变化不会为显示电路引 入太多负面因素。而在 TFT-LCD中大量使用 ACFbonding方式的 事实更能说明 ACF bonding 方式的电性能和可靠度是可以接受 的。其次，由于TFT-LCD分辨率的增加，驱动芯片所需的I/O 数量也随之增加。目前主流的 Driver IC 已可以提供多于 1， 000 channel 的输出 I/O 。 I/O 数量的增加直接导致 Chi