激光在顯示器件綁定的應(yīng)用研究

王莉莉， 劉 超， 宋月勝， 汪楚航， 孫海威

(京東方科技集團(tuán)股份有限公司，北京 100176)

1 引 言

隨著設(shè)備、工藝、材料等的不斷發(fā)展，客戶對(duì)電子設(shè)備的顏值提出了需求，希望每一個(gè)顯示產(chǎn)品都能帶來視覺享受。于是便攜、輕薄、全面屏顯示等應(yīng)運(yùn)而生。但是，顯示屏因其結(jié)構(gòu)和組裝的需要，在邊緣會(huì)有一部分無法顯示的區(qū)域。在顯示領(lǐng)域，將顯示區(qū)域邊緣到顯示屏邊緣的距離，定義為邊框[1]。從顯示區(qū)開始，在滿足電極尺寸的前提下，需要有一定寬度的框膠、遮光層、集成電路(Integrated Circuit，IC)、柔性印刷電路板(Flexible Printed Circuit，F(xiàn)PC)等占位，目前手機(jī)剛性產(chǎn)品常見邊框?yàn)?4.0±0.5)mm，若想提高顯示屏的顯示面積、增加屏占比，必須對(duì)顯示屏邊框尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

我們?nèi)粘Ｊ褂玫娘@示產(chǎn)品，不管是LCD、OLED、QLED抑或是MINI-LED，除了屏幕本身外，均需要連接導(dǎo)入外部電信號(hào)。屏幕連同各類組件集成產(chǎn)品，達(dá)到產(chǎn)品品質(zhì)要求的過程，稱為模組技術(shù)[2]。顯示屏綁定技術(shù)，是通過各向異性導(dǎo)電膠(ACF，Anisotropic Conductive Adhesive)實(shí)現(xiàn)IC、COF(IC on Film)、FPC與面板縱向?qū)ǖ倪^程，是模組技術(shù)最重要的組成部分之一。

模組技術(shù)最常用的綁定方法為熱壓綁定技術(shù)，該技術(shù)通過給壓頭加熱控溫，經(jīng)由緩沖材料、IC/COF/FPC后，逐步傳熱至ACF，實(shí)現(xiàn)ACF的熱固化，進(jìn)而完成IC/COF/FPC等與TFT的電性連接。具有應(yīng)用范圍廣、產(chǎn)業(yè)鏈成熟、綁定效果好等優(yōu)勢(shì)。但是隨超窄邊框產(chǎn)品的盛行，傳統(tǒng)的熱壓綁定因壓頭高溫會(huì)發(fā)生附近器件的燙傷，造成顯示不良，已經(jīng)成為目前綁定工藝的瓶頸。本文提出激光綁定技術(shù)[3]，是利用激光與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)來固化ACF，實(shí)現(xiàn)顯示屏與外部電路的連通。當(dāng)綁定時(shí)，激光穿透背板直接加熱ACF和驅(qū)動(dòng)電極，溫度多向傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)ACF快速固化。使用該方案，可以有效降低產(chǎn)品邊框，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全面屏顯示。

2 技術(shù)可行性測(cè)試

激光綁定技術(shù)是一項(xiàng)新的模組技術(shù)，是通過激光固化ACF，實(shí)現(xiàn)顯示屏與器件的電性連接。本次測(cè)試主要包含兩個(gè)方面：ACF實(shí)裝狀態(tài)和綁定后產(chǎn)品的信賴性。

2.1 測(cè)試內(nèi)容

ACF實(shí)裝狀態(tài)直接關(guān)系到產(chǎn)品顯示質(zhì)量，是顯示屏綁定品質(zhì)評(píng)價(jià)的最重要指標(biāo)之一。一般情況下，必須進(jìn)行壓痕、粒子形變量、ACF反應(yīng)率和ACF拉拔力的測(cè)試。

2.1.1 壓痕&粒子形變量

壓痕測(cè)試是評(píng)價(jià)ACF實(shí)裝狀態(tài)最直接的方法，也是生產(chǎn)品質(zhì)管控最重要的方法之一。ACF 導(dǎo)電粒子，一般由有機(jī)球體、Ni鍍層、Au鍍層以及絕緣層組成。在壓接時(shí)必須壓破最外層的超薄保護(hù)膜，才能使Au暴露出來實(shí)現(xiàn)電極上下導(dǎo)通。如果壓力太大，粒子破裂太過，失去彈性，雖然提高了導(dǎo)電性，但電極間的接觸阻抗也會(huì)降低。在后續(xù)測(cè)試信賴性時(shí)，因高溫膨脹會(huì)使電極間距離加大，而失去彈性的導(dǎo)電粒子無法回復(fù)，壓接部位就會(huì)出現(xiàn)斷路的情況，導(dǎo)致顯示不良。反之，如果壓力太小，粒子壓破不足，電極間導(dǎo)通電阻會(huì)很高，也容易在老化等高溫環(huán)境中出現(xiàn)斷路不良[4]。通常使用偏光顯微鏡進(jìn)行壓痕觀測(cè)，具體粒子壓破狀態(tài)如圖1所示。

圖1 ACF粒子壓破狀態(tài)示意圖

2.1.2 ACF反應(yīng)率

在加熱的過程中，ACF中的環(huán)氧樹脂分子先進(jìn)行開環(huán)反應(yīng)，而后又進(jìn)行閉環(huán)反應(yīng)，這個(gè)過程中引起架橋反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。不同的加熱溫度和加熱時(shí)間，固化程度不盡相同，因此必須使用一個(gè)參數(shù)來反映樹脂的固化情況，這個(gè)參數(shù)就是樹脂的反應(yīng)率。一般情況下，加熱時(shí)間越長(zhǎng)、溫度越高，樹脂的反應(yīng)率也就越高。但在實(shí)際的生產(chǎn)中，不可能將反應(yīng)時(shí)間和溫度無限擴(kuò)大，以達(dá)到 100%的反應(yīng)率。用環(huán)氧基樹脂的ACF進(jìn)行COG的本壓時(shí)，其反應(yīng)率只要達(dá)到80%以上，便可滿足強(qiáng)度的要求。

通常業(yè)內(nèi)使用傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)或者高效液相色譜法(HPLC)來測(cè)試ACF反應(yīng)率，本次實(shí)驗(yàn)采用FT-IR進(jìn)行。測(cè)試時(shí)，在已知官能團(tuán)的條件下，測(cè)試峰值曲線，求取測(cè)量峰與參考峰比值(γ)，根據(jù)公式(1)，可得出ACF膠體反應(yīng)率[5-7]。

，

(1)

其中:γa為ACF生膠的測(cè)量峰與參考峰比值，γb為待測(cè)ACF的測(cè)量峰與參考峰比值，γc為完全固化ACF的測(cè)量峰與參考峰比值，ηRES為反應(yīng)率。

2.1.3 ACF拉拔力

拉拔力是檢驗(yàn)壓接部機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)通性能的重要參數(shù)，拉拔力的大小，影響壓接部的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)通阻抗。機(jī)械強(qiáng)度低，容易在發(fā)生搬運(yùn)、振動(dòng)、溫濕度劇烈變化時(shí)出現(xiàn)芯片移位甚至是脫落等不良。拉拔力不足，通常粒子的接觸面積發(fā)生異常，導(dǎo)通阻抗也會(huì)一定程度地變大，客戶在使用過程中，往往會(huì)出現(xiàn)異常顯示的不良，影響產(chǎn)品品質(zhì)[8-9]。本文使用Die shear設(shè)備進(jìn)行ACF拉拔力測(cè)試。

2.1.4 產(chǎn)品信賴性

任何顯示產(chǎn)品綁定，不僅要保證ACF實(shí)裝狀態(tài)，產(chǎn)品信賴性評(píng)價(jià)也是更加重要的指標(biāo)[9]。所謂信賴性，是指通過模擬產(chǎn)品在客戶端和真實(shí)工作條件下的應(yīng)用性來進(jìn)行的相關(guān)功能性的驗(yàn)證，從而確保產(chǎn)品滿足客戶最終要求。但實(shí)際上，一般信賴性測(cè)試，會(huì)選擇更加嚴(yán)酷苛刻的環(huán)境，使產(chǎn)品加速老化，進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前主要評(píng)測(cè)項(xiàng)目有高溫高濕、冷熱沖擊、高溫運(yùn)行/存儲(chǔ)、低溫運(yùn)行/存儲(chǔ)等[10-11]。本文所用信賴性測(cè)試內(nèi)容為8585(溫度85 ℃，濕度85%，儲(chǔ)存240 h)和double 100(溫度100 ℃，濕度100%，儲(chǔ)存2 h)。

2.2 測(cè)試方案

按照表1所述方案進(jìn)行樣品制作，對(duì)比分析熱壓綁定工藝、激光綁定工藝以及降低激光綁定本壓時(shí)間的效果差異。

表1 測(cè)試樣品制作方案

2.3 測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)上述樣品進(jìn)行測(cè)試，得到結(jié)果如表2所示。從ACF的實(shí)裝效果來看，粒子壓痕、行變量、ACF反應(yīng)率和ACF拉拔力，均可以滿足產(chǎn)品綁定的規(guī)格需求。另外，產(chǎn)品的信賴性，包括8585和double 100，均未出現(xiàn)功能性不良?？梢娂す饨壎ㄅc熱壓綁定的效果均可以滿足產(chǎn)品綁定的規(guī)格需求。

表2 樣品測(cè)試結(jié)果

2.4 結(jié)果分析

ACF固化包括以下3個(gè)階段，如圖2所示。

圖2 ACF反應(yīng)固化原理

階段1(t1)：施加溫度、壓力，使ACF的粘度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，有利于粒子均分于電極之間和氣泡的排出；

階段2(t2)：快速升溫、加壓，環(huán)氧樹脂的反應(yīng)加劇，反應(yīng)率迅速提高，由于交連反應(yīng)，ACF逐漸硬化，相對(duì)粘度開始升高，直到反應(yīng)完全，實(shí)現(xiàn)ACF的固化以及粒子壓破；

階段3(t3)：釋放溫度、壓力，ACF自然冷卻，硬度提高，保證綁定的充分粘結(jié)。

ACF固化的3個(gè)必要條件是：溫度、壓力和時(shí)間，由此可見，不管是熱壓頭還是激光加熱均可以實(shí)現(xiàn)較好的綁定效果。但是兩者也有不同，熱壓綁定是使用壓頭加熱控溫、壓頭加壓來實(shí)現(xiàn)，此種方式，壓頭的熱量必須通過緩沖材料和芯片才能到達(dá)ACF層，期間熱量損失較多，所以綁定時(shí)間一般會(huì)在5 s以上。而激光綁定技術(shù)是使用激光加熱控溫，壓頭加壓來實(shí)現(xiàn)，能量高且聚集的激光束直接加熱ACF和電極，如此可以實(shí)現(xiàn)更快速度的綁定。從結(jié)果看，使用激光綁定技術(shù)，綁定本壓時(shí)間降低為3 s時(shí)，ACF實(shí)裝狀態(tài)和產(chǎn)品信賴性效果好，能滿足顯示器件綁定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 熱損傷安全距離測(cè)試

激光具有能量集中、均勻、精確可控、熱損傷小等特點(diǎn)，在顯示產(chǎn)品綁定中表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)。手機(jī)產(chǎn)品是目前市場(chǎng)上屏占比最高、邊框最窄的顯示產(chǎn)品，依據(jù)目前產(chǎn)品極限設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)熱壓綁定在熱損傷方面已經(jīng)出現(xiàn)技術(shù)瓶頸。

偏光片(POL)是一種具有偏振效果的膜材，也是液晶顯示器形成偏振光的必要條件。如圖3所示，a為CF-POL的距離，b為CF到IC/COF的距離，c為IC/COF到FPC的距離。以手機(jī)產(chǎn)品為例，綁定結(jié)構(gòu)有兩種，一種是IC +FPC，另一種是COF+FPC。目前60%以上的產(chǎn)品，a+b<0.75 mm，甚至能達(dá)到0.4 mm。如此近的距離，在綁定時(shí)，高達(dá)(200±10) ℃的壓頭溫度，必然會(huì)引起偏光片燙傷，燙傷的偏光片會(huì)內(nèi)縮造成顯示不良，嚴(yán)重影響模組良率，亟待解決。

圖3 產(chǎn)品邊框設(shè)計(jì)示意圖

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

關(guān)于綁定熱損傷距離，專門設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表3所示，使用激光綁定技術(shù)，IC-POL距離為0.15 mm時(shí)，完全沒有偏光片燙傷，是非常安全的距離。IC-偏光片距離為0.10 mm時(shí)，會(huì)有輕微偏光片燒灼現(xiàn)象，但未見偏光片內(nèi)縮。IC-偏光片距離為0.05 mm時(shí)，顯微鏡測(cè)試發(fā)現(xiàn)，存在輕微偏光片內(nèi)縮現(xiàn)象。

表3 激光綁定熱損傷距離測(cè)試結(jié)果

熱壓綁定在IC-偏光片距離為0.75 mm會(huì)發(fā)生偏光片燙傷，若使用激光綁定技術(shù)，可以降低至0.15 mm。激光綁定可以大幅度降低綁定熱損傷范圍，可克服現(xiàn)有的工藝瓶頸，從而實(shí)現(xiàn)極致窄邊框顯示。

3.2 分析與討論

根據(jù)顯示器件的結(jié)構(gòu)，熱損傷的原因有以下3點(diǎn)：

(1)不耐溫的材料(偏光片)

偏光片是液晶顯示器件形成偏振光的必要條件，但是偏光片不耐溫，80 ℃以內(nèi)性能是穩(wěn)定的。超過80 ℃，隨著溫度升高，偏光片會(huì)發(fā)生內(nèi)縮、卷曲等變化。

(2)高溫物體(壓頭)

本次驗(yàn)證使用的ACF，規(guī)格要求ACF實(shí)測(cè)溫度為130～160 ℃才可正常使用。由于熱壓綁定溫度是壓頭加熱縱向逐步傳導(dǎo)至ACF，通常壓頭溫度設(shè)定在180～200 ℃。

(3)不耐溫材料到高溫物體間的距離(偏光片-壓頭的距離)

全面屏顯示產(chǎn)品對(duì)邊框提出嚴(yán)苛的要求，偏光片-壓頭的距離越來越小， 偏光片距離高溫壓頭越近，受壓頭熱量的影響越大，當(dāng)超過臨界值時(shí)，偏光片就會(huì)發(fā)生熱損傷。

熱壓綁定是依靠壓頭熱量縱向傳導(dǎo)至ACF，實(shí)現(xiàn)ACF固化。而壓頭溫度是多向傳導(dǎo)的，在橫向范圍內(nèi)也會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)。當(dāng)距離越近時(shí)，偏光片接受到的熱量越多，溫度越高。測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)IC-ACF距離為0.75 mm時(shí)，偏光片燙傷內(nèi)縮，影響顯示。而激光綁定是采用雙向均為平頂?shù)?、高度勻化的矩形光斑，直接加熱ACF實(shí)現(xiàn)的。處于高溫的ACF向四周傳導(dǎo)熱量，而ACF總厚度不足0.2 mm，熱傳導(dǎo)能力非常有限。另外，壓頭邊緣實(shí)測(cè)溫度在40～60 ℃，處于偏光片正常工作溫度，不會(huì)輕易發(fā)生燙傷現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)IC-ACF距離<0.15 mm時(shí)，才會(huì)發(fā)生偏光片燙傷不良。

4 結(jié) 論

通過對(duì)ACF實(shí)裝狀態(tài)和產(chǎn)品信賴性測(cè)評(píng)，可以看出，激光綁定技術(shù)是一項(xiàng)實(shí)際可行的新技術(shù)。通過該技術(shù)，一方面可以大幅降低產(chǎn)品綁定熱損傷范圍，從0.75 mm直接降低至0.15 mm，縮短IC/COF到偏光片的距離，也可有效解決傳統(tǒng)熱壓綁定帶來的工藝瓶頸，是顯示產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)極致窄邊框的優(yōu)選方法。另外，由于激光有效區(qū)域能量均勻集中，在現(xiàn)有ACF條件下，可以使綁定的本壓時(shí)間由5 s降低至3 s，極大地縮短了量產(chǎn)節(jié)拍，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，從而產(chǎn)生更大的收益。

因此，激光綁定技術(shù)，不僅可以解決傳統(tǒng)熱壓的工藝瓶頸，生產(chǎn)更高品質(zhì)的顯示產(chǎn)品，而且可以有效縮短量產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率，是一項(xiàng)非常有前途的綁定技術(shù)。