ACF各向异性导电胶的工艺评价方法

摘要:ACF作为一种实装材料,可以方便地实现精细电极的导通连接。其原理是通过加热、加压、树脂受热固化、ACF中的导电粒子连接上下电极,从而实现电极固定和电极导通。实际上受ACF成份的影响,每种ACF的特性都不一样,而在生产应用中,温度、压力、时间、位置、辅助材料等因素又会对连接的效果产生影响。为了确保ACF适用于厂内的工艺,把ACF的应用风险降低。评价一种ACF的过程,通常分为单体评价、工艺评价和产品评价。文中将以屏侧ACF为例,讨论ACF工艺评价的方法。

关键词:各向异性导电胶; 模块; 实装;工艺评价

中图分类号:X701.3文献标识码:B

A Method of ACF(Anisotropic Conductive Films)Process Evaluation

LI Chun-jiang1,2,LI Rong-yu1

(1.Shanghai Jiaotong University,School of Electronics and Electric Engineering,Shanghai 200030,China; 2.Shanghai SVA-NEC Liquid Crystal Display Company,Shanghai 201108,China)

Abstract:ACF(anisotropic conductive films) is a material for fine pitch bonding. After heat and pressure, the conducting particle in ACF made the upper and nether electrode connected. And the resin solidified, the upper and nether electrode stuck to each other. In fact for the different resin of ACF, the characteristic is also different, and the temperature, pressure, tact, place, sub-materials will impact the final bonding result. To confirm the ACF can be used in current process, and to reduce the risk of manufacturing, we need to evaluate the ACF by material evaluation, process evaluation, and product evaluation. This paper will take example for the ACF used in panel bonding, to discuss the item and standard of process evaluation.

Keywords:ACF(anisotropic conductive films);module;bonding;process evaluation

引 言

ACF(anisotropic conductive films),中文称为各向异性导电胶,用于精细的电极与电极之间的导通连接,具有可对应的电极间距小、连接方便快捷、洁净无灰尘、信赖性高等特点,在液晶模块厂及各种电子产品的模块封装工艺中,有着广泛的应用。

ACF的构造如图1所示。

ACF的组成包括导电粒子、热固化树脂、base film(基膜)。顾名思义,各向异性导电胶的主要功能就是各向异性,即在热固化后,需要连接的上下电极导通,不需要连通的左右电极不导通,从而实现各向异性。在LCD模块生产中,我们用ACF来实现屏(panel)和COF(chip on film)的实装连接,以及COF和信号处理基板(PCB)的实装连接。目前屏的间距在50μm左右,电极端子中间的空隙约25μm,如此细小的空间,如果没有高的实装精度,则完全不能实现产品的小型化、轻薄化。

1 ACF应用工艺流程及工艺要点

如图2所示,ACF应用主要有三个工艺流程:ACF贴付、预压接、本压接。各工艺流程的控制参数和工艺目的标注如表1所示(与ACF评价无关的参数略)。

在评价一种ACF的工艺表现时,需要从每个工艺流程的工艺目的出发,提出适当的评价项目,得出工艺评价结论。屏侧压接使用的ACF和基板侧使用的ACF特性稍有不同,但工艺流程相似,本篇我们只进行屏侧ACF工艺评价方法的讨论,包括评价项目和标准。

2 屏侧ACF工艺评价方法

2.1 贴付工位评价项目:贴付外观、ACF卷盘外观

根据重点控制参数,我们设定温度、压力的上、中、下三个条件,在极限条件下,验证ACF在设定工艺参数下否能够满足贴付的工艺目的。贴付长度根据产品不同而不同,要求是长过IC载体的膜的长度。而贴付时间则根据生产节拍的要求而设定,这是一个先决条件,在时间决定之后再去寻找温度和压力条件。

根据表2中的选择条件,在每个条件下做贴付试验,然后查看ACF 基膜剥离后的外观,标准如下:15倍显微镜下,无肉眼可见气泡;剥离起始点整齐无被带起现象;用镊子轻触贴付面,ACF胶体有弹性;500倍显微镜下观察粒子无破碎。

如图3、4所示,ACF贴付状态的照片和粒子破碎与否的照片。

如图3所示,ACF贴付状态平整、无气泡、无卷起;图4中导电粒子为球形,无破碎。

ACF卷盘外观:大量贴付试验后,ACF卷盘上无圆圈形印迹,特别是在卷盘中心的地方重点观察;ACF在贴付的路径上无胶体缠绕。

2.2 预压接工位评价项目:粒子外观、预压接的拉伸强度

预压接工位的工作是端子对位、对位好后预压接。考察ACF的内容有COF是否能粘附在ACF上、预压接后导电粒子有无破碎。我们通过预压接后,对COF做拉伸强度测试,来确定粘附的牢度。粒子外观参照图4照片进行判定,无破碎即可。

拉伸强度的试验方法如图5所示:将预压接在屏上的COF按照Y方向拉伸方式拉起,用拉伸强度记录仪记录拉力峰值。不同类型的ACF和COF搭配,因ACF初始粘度及COF表面粗糙度的影响,得到的拉伸强度也不同,此时的拉伸强度较小,只要保证COF粘附上,且搬送中不会掉落即可。通常我们以0.3N/COF作为一个参考的标准(拉伸强度记录仪:IMADA Z2-20)。

2.3 本压接工位评价项目:拉伸强度、粒子破裂度、本压后的反应率、断面

本压接工位是通过给压接部施加高温高压,使导电粒子碎裂,ACF树脂进行剧烈的架桥反应而固化,并将上下端子紧密地固定在一起。这是最重要的一个环节,该工位的工艺参数最终决定实装的信赖性结果:上下端子是否能够有效导通,紧密连接的上下端子是否能够经得起长时间的使用,包括恶劣条件下的使用。按照表3的条件,做出三种样本,然后分别测试拉伸强度、ACF反应率、观察粒子破裂程度、断面,来了解ACF在各种条件下的实装表现,确定合适的ACF工艺条件。压接时间根据生产节拍来定,通常为10秒左右。

2.3.1 本压接拉伸强度测试方法

如图6、7所示,采用X方向拉伸方式,拉起的宽度为压接部的幅宽。测试的目的是了解COF和屏端子的连接强度,防止在后面的组装工序以及搬送过程中COF与屏脱开,并以拉伸强度来检验ACF固化程度。一般本压接拉伸强度的peak值(峰值)规格在1N/mm。如图7所示,COF1峰值为1.53N,COF2峰值为1.42N,均在1N以上。在管理peak值之外,对拉伸过程中的数值进行趋势分析,平稳且无突然地上升、下降可视为合格。

2.3.2 粒子破裂程度查看

本压接后,使用500倍显微镜观察粒子的破裂程度。导电粒子的结构是树脂球外面镀一层金,受到压力后会破裂。因为树脂球有一定的弹性,可以缓解热胀冷缩带来的上下端子间距离变化的影响,保持上下端子良好导通。由于这个特点,粒子的破裂必须被控制在一定程度以内,碎裂过度就会失去弹性,碎裂不足则不能有效缓解热胀冷缩。参考标准定为80%以上的粒子达到破裂要求,如图8所示。三种压力下的样本碎裂程度会有细小差别,按照限度样本进行判定。

2.3.3反应率

ACF树脂在高温下剧烈架桥反应而硬化,反应率越高,硬化程度越大,拉伸强度也有一定程度的变大。在表3中,不同温度条件下ACF的反应率也不同,需要测试三种样品的反应率,以确定ACF在评价温度下是否能够达到反应率要求,这个反应率参考标准在70%以上。反应率不足70%的时候,拉伸强度不足,COF容易脱开;硬化程度低,已经压下去的电极容易反弹,造成接触不良。

反应率采用FT-IR(红外光谱仪)测定,以测试前后的官能基峰值减少率来计算反应率,如图9所示。

2.3.4 断面

如图10所示,采用研磨法,取到上下端子的断面,观察粒子是否有变形,同时测量上下端子的间距,间距必须小于导电粒子的直径,以保证上下连通。2.3.2中所述粒子破裂程度为外观判定,不能每一片都取断面的时候,以外观判定为依据。在工艺评价的时候,数据上要以断面研磨后,测量上下电极间距得出的数字为标准。导电粒子的粒径如果在4～5μm,则上下端子的距离在1～3μm为佳。

3 结 论

从上面三个工位的工艺目的出发,按照评价方法对新的ACF进行工艺评价。如果新的ACF能够适用现有的条件,则可以不进行工艺条件变更而使用新材料;如果无法适用现有条件,则需要根据ACF厂家的推荐条件进行新条件的探索,包括设备参数的重新设定,如剥离基膜速度设定、温度设定、压力设定、时间设定等,最终还是要满足上面三个工位的工艺目的,并参考本文给出的标准进行判定。

如果在评价中出现超标的现象,还需要其它影响因素,比如拉伸强度不足,可能与端子的清洁、COF表面状态等有关系;断面观察上下电极距离过大,可能与压头的压痕不平有关系;反应率不足,也可能与加热温度的上升斜率有关系。仔细分析工艺条件中的数据图表,及时修正条件,再评价ACF。另外有时还需要根据实际情况进行条件的取舍,比如可以采用高温短时间等方法来缩短节拍。

参考文献

[1] Sony Chemical.ACF presentation report .1996年1月.

[2] Sony Chemical. shanghai TSL report . 2006年12月.

[3] Hitachi Chemical.Hitachi anisotropic conductive films. 2004年6月.

作者简介:李春江(1980-),男,上海人,在读工程硕士, 上海广电NEC液晶显示器有限公司材料品质科长,主要从事模块工艺技术、TFT-LCD相关材料的品质管理工作,E-mail:。