COG ACF介绍及应用技术

1、COG ACF介绍及应用技术Introduction of COG ACF and Technology of Application第四事业部LCD厂制造部摘要：通过对COG模块的结构描述，介绍了ACF 这种COG主要的材料，以及由此确定COG工程的主要工艺参数。最后简单介绍了一些ACF选取及评估的内容。关键词：COG，ACF，IC，LCDAbstract： Through describing the structure of COG product, introduced the main material of COG ACF, and the technics parameter i

2、n COG process. In the last introduced the selecting and evaluation of ACF simply.Key words COG，ACF，IC，LCD引言LCM（液晶显示模块）是将LCD器件，IC，FPC，连接件，控制驱动电路和线路板、背光源等结构件装配在一起的组件。于是LCM模块的制作技术和制作工艺的不断改进和完善，也就成为厂商开拓LCD显示市场的有效手段，而LCD和IC的连接是其中至关重要的一环随着消费性电子产品的不断升温, 人们对“ 薄、轻、小”的电子产品倍加宠爱, 进而追捧微型组件技术, COG 技术正是这众多技术中的一种。C

3、OG是英文"chip on glass" 的缩写, 即IC 通过ACF ( anisotropic conductive film 各向异性导电膜) 被直接绑定在LCD 上。COG 方式可大大减小LCD 模块的体积, 且比TAB 方式成本低, 易于大批量生产, 适用于手机、 MP3 等便携式电子产品, 是当今IC COG与LCD 的主要连接方式之一。随着IC 制造工艺的不断发展,COG 技术越来越为人们所重视。1现在随着IC制作技术的提升及成本方面的控制要求，IC发展越来越向小pitch，小gap发展，由此而形成的对COG设备，COG技术越来越高的要求。同时由此引发的其他问

4、题也会随之暴露出来，所以也对COG工艺技术提出了更高的要求。同时也对ACF的选取与使用提出了更高的要求。ACF可以提供细间距，高可靠性冷互连，当前已经广泛用于诸如液晶显示器（LCD）的平面面板显示器（FPD）。其中ACF在薄膜电子晶体管（TFT）液晶显示器，TFT液晶显示器的外引线键合（OLB）互连，以及倒装芯片封装（FCP）中已经产业化，在薄膜上芯片（COF），玻璃上芯片（COG）以及塑料LC互连方面正在发展之中。其中应用最广泛的领域则是COG。COG ACF随着整个行业的发展，其适应性也越来越向小Pitch，小面积发展。如下为一厂商COG ACF的roadmap1.COG ACF材料介绍

5、1.1 何谓ACF ?ACF全称Anisotropic Conductive Film, 即异方性导电胶。ACF是一种可以在短时间内达到导电性连接的材料。SONY于1973年设计销售了世界上第一款ACF。ACF其特点在于纵向受力方向即Z方向电气导通 ，而在横向平面即X、Y面具有明显的高阻抗特性2。其显著特点可以短时间压着,接着的可靠性高,耐热性能好,通过回流焊炉仍能保持良好的接着可靠性,易接着细微间距线路,易接着微小端子,方便接着相邻间距小的芯片。 ACF所起到的主要作用：导电，绝缘，粘接。Product form 图1 ACF结构示意图Fig. 1 schematic diagram of

6、ACF structure 1.2 COG ACF结构 1.2.1 COG ACF采用卷装，COG使用的ACF主要是三层结构：Cover film，Base film，ACF。如图1所示。其中ACF尺寸及卷轴主要规格如下：a. ACF长度：一般使用为50m。其他规格包括：25m，100m，200m。b. ACF宽度：ACF可以提供的宽度1.020mm。现在COG使用最多的规格主要为：1.5mm，2.0mm，2.5mm，3.0mm，3.5mm。c. 卷轴规格： 标准外径为： 125mm （其他可能有 95，135，145，155，230mm） 标准内径为： 25.4mm（除此外可能有 18.5m

7、m） 注：关于产品宽度，长度，卷轴尺寸等若有特殊要求，可以与供应商协商制作。d. 导电粒子规格： 导电粒子的直径大小主要有：3um、3.5um、4um、5um等。1.2.2 ACF胶层结构 ACF层结构中，2层cover film 主要起保护作用，而主要结构为ACF层。ACF层内包括树脂胶，导电粒子及其它添加剂，其构成比例主要由ACF的用途及使用条件决定。a.树脂黏着剂树脂黏着剂除了防湿气、接着、耐热及绝缘等功能外主要作为固定IC晶片与基板间电极相对位置，并提供一定压迫力量以维持电极与导电粒子间的接触面积。 树脂一般分为热塑性树脂与热固性树脂两大类。热塑性材料具有低温接着，组装快速极容易重工等

8、优点，但亦具有高热膨胀性和高吸湿性等缺点，同时在高温下亦劣化，无法符合可靠性，信赖性的需求。而热固性树脂如环氧树脂等，则具有高温稳定性、热膨胀性低和吸湿性低等优点，但加工温度高且不易重工为其缺点，高的可靠性使其仍为目前最广泛的材料。b. 导电粒子在导电粒子方面，异方导电特性主要取决于导电粒子的充填率，虽然异方性导电胶的导电率会随着导电粒子充填率的增加而提高，但同时也会提升导电粒子互相接触造成短路的概率。 另外，导电粒子的粒径分布和分布均匀性会对异方导电特性有所影响。通常，导电粒子必须具有良好的粒径均一性和真圆度，以确保电极与导电粒子间的接触面积一致，以维持相同的导电电阻，同时避免部分电极为接触

9、到导电粒子，导致开路的发生。常见的粒径在35m之间，太大的导电粒子会降低每个电极的粒子数，同时也容易造成相邻电极导电粒子接触而短路的情形；太小的导电粒子容易形成粒子聚集的问题，造成粒子分布密度不均。 在导电粒子的种类方面目前以金属粉末和高分子塑胶球表面涂布金属为主，常见的金属粉末为镍、金、镍上镀金、银和锡等。目前在高可靠性和细间距化的趋势下， COG所使用的异方性导电胶，其导电粒子多为表面镀镍镀金的高分子塑胶粉末，如图1所示，中心为塑胶球，在外镀镍金。其特点在于塑胶核心具有可压缩性，因此，可以增加电极与导电粒子间的接触面积，降低导通电阻。同时，塑胶核心与树脂基础原料的热膨胀性较为接近，可以避免

10、在热循环和热冲击时，导电粒子因与树脂基础材料的热膨胀性差异而减少与电极间的接触面积，导致导通电阻上升，甚至于开路失效的情形发生.而导电粒子根据表面的处理，可以大概分为两类，一为表面经过绝缘处理措施或者增加绝缘层，此种粒子在防止横向短路有着非常的优势。另一种则为普通导电粒子，表面未进行绝缘处理，此种粒子造成横向短路的概率会大大增加。现在使用的COG ACF基本都采用了绝缘处理的粒子。两种粒子导电差异示意图如图23所示。当普通粒子在bump间连接时造成短路绝缘粒子则可以预防在bump间连接时造成短路 图2 两种粒子绝缘差异示意图Fig. 2 Insulated difference of two

11、particles C为了达到预防ACF导电粒子造成横向短路的情况，COG ACF现在较多采用了ACF层双层结构来达到此目的。此种双层结构的作用原理主要为：在双层结构中，上层树脂胶中未放入导电粒子，而只在下层中放入导电粒子，相比于全部有粒子的单层结构而言，减少了单位体积内的粒子密度，当IC下压与LCD bonding后，bump间残留及bump区域受力挤压到bump间粒子数量就会减少，从而降低了短路发生的概率。同时由于导电粒子置于ACF下层，在IC bonding过程中不会影响粒子的捕获率，因此ACF所起到的导通作用不会受影响。ACF层结构示意如下图3 所示。图3 ACF层结构示意图Fig.

12、3 schematic diagram of ACF Layer structure 1.3 COG ACF导通原理Z利用导电粒子连接IC晶片与基板两者之间的电极使之成为导通，同时又能避免相邻两电极间导通短路，而达成只在Z轴方向导通的目的。如图4示XYConnectionInsulationF(b)F(b)F(p)F(p)AdhesionF(b） ： Force of cohesion by ACF binderF(p） ： Force of elastic deformation by ACF particles 图4 ACF导通原理图Fig.4 ACF working mechanism2

13、.ACF热压及COG工艺条件ACF要发生作用，必须经过热压，即通过温度，时间，压力这三个必要条件使得ACF胶固化，导电粒子爆破达到导通效果，从而达到ACF的三个作用：粘接，绝缘，导通 。对于每一款ACF，都有其材料特性，所以对条件的要求也就存在一定的差异。所以如何根据不同的材料获得合适的工艺条件，是至关重要的。2.1温度 温度是ACF发生作用中一个必需的条件，温度是否合适直接影响了bonding效果及产品的可靠性。其影响内容主要包括以下几个方面：a. ACF固化率；b. IC粘接可靠性；c. 导电粒子的爆破效果2.1.1 ACF对温度曲线的要求温度曲线是指ACF热压过程温度随时间变化的曲线。A

14、CF树脂胶的固化过程主要是胶材的质变过程，首先胶在高温下溶化流动，此步是在非常短的时间内完成。随即胶材在高温下发生变化固化。为了保证ACF有效固化，对ACF固化温度曲线提出了特别要求须在前2秒内达到目标固化温度的90% 。如下图5所示.COG主压温度由COG设备提供，所以对温度曲线的要求，实际也就是对COG 设备能力的要求。一台合格的COG 设备必须有能力保证图5所示的温度曲线要求。图5 COG ACF温度曲线图Fig.5 Temperature profile of COG ACF2.1.2 ACF对温度及固化率的要求 上述温度曲线主要是对升温速度的要求，而ACF对温度的另一个要求则是最终b

15、onding温度的要求。只有温度达到一定高度后，ACF才会固化，所以主压温度的确定，必须达到ACF胶材固化的温度。此温度随材料不同会有一定的差异。但从现在使用ACF型号来看，一般情况下均需要>180。 即只有达到此温度，ACF才能有效固化。 ACF在达到有效的另一个问题就是固化率。在相同时间下，影响固化率的最大因素就是温度。既包括升温速度又包括最终固化温度。固化率与温度的关系可以概括为：在一定的升温速度下，固化温度越高，固化率越高，如图7所示。一般情况下，为保证IC连接可靠性，ACF的固化率需要达到70%以上。若ACF固化率不足，则会造成以下影响：a. IC与LCD粘接可靠性降低，IC容

16、易出现剥离现象；b. 固化率低产品容易形成压贴气泡，影响IC电性导通可靠性；c. ACF固化率低，在FOG过程或者焊接过程中容易造成ACF受热形成IC 与ITO 间的气泡。少气泡多气泡图6 COG压贴气泡Fig.6 Bubbles after COG bondingCOG ACF 其他温度要求：ACF贴敷及IC预压温度一般情况下为4080。温度最高不能超过90，因为在90度后ACF会发生性质改变，开始固化，影响主压的bonding效果。2.2 时间COG过程，ACF对时间有3个工序的要求：ACF贴敷 ，IC预压，IC主压。其中ACF贴敷及预压时间主要考虑实际效果，以及效率。一般情况下在13s之

17、间。但随着COG设备的运行速度提升，以及ACF性能的提高，此时间最短可以提升到0.5s左右。而最主要的时间则是主压时间，当前主打的ACF主压时间均要求大于5秒。压贴时间过短直接会影响ACF的固化率，如下图7 所示，即为压贴条件与固化率的关系。在考虑生产效率的条件下，一般建议不超过10s。若有特殊情况，则需要按实际效果评定。 图7 固化率与温度时间的关系Fig.7 The relationship between reaction rate and temperature，time2.3 压力2.3.1 粒子有效性 ACF导通是通过导电粒子达到IC与ITO电性导通的目的。但bonding 后什么

18、样的导电粒子才算是有效呢？ 如前所述，导电粒子主要为镀金塑胶球，而起导通作用的则主要是塑胶球外所镀的金属层。只有在导电粒子受力爆破的情况下，才能达到有效的导通效果。对导电粒子导通的有效性主要有以下判定：a. 压贴外观：导电粒子受热压爆破后会形成缺口。在微观显微镜下可以明显的观察到，这种方法是COG过程监控的最简单有效手段。正常条件下最有效粒子的开口效果为2-3处。未开口则无效，开口1处，有效但非最佳。大于3处则处于过压，非最佳。当粒子完全压平，也会失去导通效果。各种状态如下图8所示 Small pressure（Particle is not deformed well.）Proper pre

19、ssure（Particle is deformed well.）Too much pressure（Particle is deformed too much.）图8 有效爆破图示Fig.8 effective particle breakb. 导通电阻：IC与ITO间的连接电阻大小可以体现粒子导通的有效性。在相同条件下，导通电阻越小，说明粒子有效性越高.COG工程要求连接电阻<5.c. 热压后z向形变量。ACF 导电粒子在Z向受热压后发生形变，以4um直径的粒子为例，如下图9所示，当粒子Z向尺寸压缩为2um左右时，可以达到最佳导通效果。图 粒子爆破判定标准Fig. 9 Judging

20、 standard of s particle break2.3.2粒子数量有效性 ACF中导电粒子捕获在IC bump 与ITO间才能发挥作用，当捕获粒子数过少时，会直接影响导通效果。所以要求每个bump上达到有效的粒子数量必须大于5个。粒子数量与导通可靠性的关系如下图10所示。导通电阻/粒子数量/个 图10粒子个数与可靠性关系Fig. 10 Number of captured particle and reliability2.3.3 压力确定COG压力也是包含了3个部分。ACF贴敷及IC预压压力设定为：0.13mpa。主要是根据产品特点及设备能力决定。其中注意：IC预压压力不能过大，否

21、则会影响主压bonding效果。最主要的压力参数还是主压压力，对粒子的有效性而言，压力是最主要因素。主压压力要求达到的效果就是2.3.1种描述的达到有效粒子状态。COG ACF产品的压力要求规格一般在30-120Mpa，如下图11所示，即为压力与可靠性间关系。压力大小主要与导电粒子的硬度有关，在压力确定时首先可以参照ACF规格提供的压力参考值，再确认实际的压贴效果最终确认工艺条件。图11主压压力与可靠性关系Fig. 11 Relationship particle and reliability3.ACF的储存与管理 3.1正常ACF的有效期为： 密封保存于-105的条件下，有效期为7个月。

22、开封后，在25以下且湿度在70%RH以下时为1个月。3.2 保管不当或者超出保质期可能造成的不良a. 降低ACF胶材的流动性。b. IC与LCD间粘接力低下c. ACF胶材流动性不足使得IC与LCD间支撑力过大，影响导电粒子的爆破d. ACF胶材外溢影响ACF行程。e. ACF张力过大，影响贴敷效果f. 胶材粘接性差，导致ACF无法贴敷到LCD上。4.ACF评估与选取简介4.1参数选择 参数面积粒子直径(D)粒子密度粒子捕获弹性率吸水率GAPACF厚度要求S4.5<SbumpD>3um(考虑IC-bump 平整度）多优于少Nave>4.5+5大优于小低优于高GAP>3D

23、（12 ）×1其中厚度选择参数意义参照如下图12 图12ACF 厚度选择参数图示Fig. 12 parameter of ACF thickness selecting4.2其他评估项目a.导电粒子在X，Y平面的绝缘性b.导电粒子在Z方向的导通电阻c.导电粒子密度均一性及粒子捕获率d. 对腐蚀的影响。ACF的洁净度及吸水性都会对腐蚀产生影响。其中吸水性主要会影响ACF边缘的腐蚀，如下图13所示：图13ACF 边缘腐蚀Fig. 13 Corrosion at the age of ACF e. 压力评估，。 当过压粒子与欠压粒子均衡，且最佳效果导电粒子最多时，即为此种ACF的最佳压力条件。 如下图14所示,在35到45mpa间，ACF导电粒子处于最佳的状态。 图13主压压力评估Fig. 13 evaluation of final bonding pressure附表：BYD使用ACF规格及参数Table1 Specification of ACF used in BYDItemunitCP8