王莉莉， 劉 超， 宋月勝， 汪楚航， 孫海威

(京東方科技集團股份有限公司，北京 100176)

1 引 言

隨著設備、工藝、材料等的不斷發(fā)展，客戶對電子設備的顏值提出了需求，希望每一個顯示產品都能帶來視覺享受。于是便攜、輕薄、全面屏顯示等應運而生。但是，顯示屏因其結構和組裝的需要，在邊緣會有一部分無法顯示的區(qū)域。在顯示領域，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，目前手機剛性產品常見邊框為(4.0±0.5)mm，若想提高顯示屏的顯示面積、增加屏占比，必須對顯示屏邊框尺寸進行優(yōu)化。

我們日常使用的顯示產品，不管是LCD、OLED、QLED抑或是MINI-LED，除了屏幕本身外，均需要連接導入外部電信號。屏幕連同各類組件集成產品，達到產品品質要求的過程，稱為模組技術[2]。顯示屏綁定技術，是通過各向異性導電膠(ACF，Anisotropic Conductive Adhesive)實現(xiàn)IC、COF(IC on Film)、FPC與面板縱向導通的過程，是模組技術最重要的組成部分之一。

模組技術最常用的綁定方法為熱壓綁定技術，該技術通過給壓頭加熱控溫，經由緩沖材料、IC/COF/FPC后，逐步傳熱至ACF，實現(xiàn)ACF的熱固化，進而完成IC/COF/FPC等與TFT的電性連接。具有應用范圍廣、產業(yè)鏈成熟、綁定效果好等優(yōu)勢。但是隨超窄邊框產品的盛行，傳統(tǒng)的熱壓綁定因壓頭高溫會發(fā)生附近器件的燙傷，造成顯示不良，已經成為目前綁定工藝的瓶頸。本文提出激光綁定技術[3]，是利用激光與物質相互作用的熱效應來固化ACF，實現(xiàn)顯示屏與外部電路的連通。當綁定時，激光穿透背板直接加熱ACF和驅動電極，溫度多向傳導，實現(xiàn)ACF快速固化。使用該方案，可以有效降低產品邊框，進一步實現(xiàn)全面屏顯示。

2 技術可行性測試

激光綁定技術是一項新的模組技術，是通過激光固化ACF，實現(xiàn)顯示屏與器件的電性連接。本次測試主要包含兩個方面：ACF實裝狀態(tài)和綁定后產品的信賴性。

2.1 測試內容

ACF實裝狀態(tài)直接關系到產品顯示質量，是顯示屏綁定品質評價的最重要指標之一。一般情況下，必須進行壓痕、粒子形變量、ACF反應率和ACF拉拔力的測試。

2.1.1 壓痕&粒子形變量

壓痕測試是評價ACF實裝狀態(tài)最直接的方法，也是生產品質管控最重要的方法之一。ACF 導電粒子，一般由有機球體、Ni鍍層、Au鍍層以及絕緣層組成。在壓接時必須壓破最外層的超薄保護膜，才能使Au暴露出來實現(xiàn)電極上下導通。如果壓力太大，粒子破裂太過，失去彈性，雖然提高了導電性，但電極間的接觸阻抗也會降低。在后續(xù)測試信賴性時，因高溫膨脹會使電極間距離加大，而失去彈性的導電粒子無法回復，壓接部位就會出現(xiàn)斷路的情況，導致顯示不良。反之，如果壓力太小，粒子壓破不足，電極間導通電阻會很高，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行壓痕觀測，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反應率

在加熱的過程中，ACF中的環(huán)氧樹脂分子先進行開環(huán)反應，而后又進行閉環(huán)反應，這個過程中引起架橋反應，形成三維網狀結構。不同的加熱溫度和加熱時間，固化程度不盡相同，因此必須使用一個參數(shù)來反映樹脂的固化情況，這個參數(shù)就是樹脂的反應率。一般情況下，加熱時間越長、溫度越高，樹脂的反應率也就越高。但在實際的生產中，不可能將反應時間和溫度無限擴大，以達到 100%的反應率。用環(huán)氧基樹脂的ACF進行COG的本壓時，其反應率只要達到80%以上，便可滿足強度的要求。

通常業(yè)內使用傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)或者高效液相色譜法(HPLC)來測試ACF反應率，本次實驗采用FT-IR進行。測試時，在已知官能團的條件下，測試峰值曲線，求取測量峰與參考峰比值(γ)，根據公式(1)，可得出ACF膠體反應率[5-7]。

，

(1)

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

2.1.3 ACF拉拔力

拉拔力是檢驗壓接部機械強度和導通性能的重要參數(shù)，拉拔力的大小，影響壓接部的機械強度和導通阻抗。機械強度低，容易在發(fā)生搬運、振動、溫濕度劇烈變化時出現(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，導通阻抗也會一定程度地變大，客戶在使用過程中，往往會出現(xiàn)異常顯示的不良，影響產品品質[8-9]。本文使用Die shear設備進行ACF拉拔力測試。

2.1.4 產品信賴性

任何顯示產品綁定，不僅要保證ACF實裝狀態(tài)，產品信賴性評價也是更加重要的指標[9]。所謂信賴性，是指通過模擬產品在客戶端和真實工作條件下的應用性來進行的相關功能性的驗證，從而確保產品滿足客戶最終要求。但實際上，一般信賴性測試，會選擇更加嚴酷苛刻的環(huán)境，使產品加速老化，進行評價。目前主要評測項目有高溫高濕、冷熱沖擊、高溫運行/存儲、低溫運行/存儲等[10-11]。本文所用信賴性測試內容為8585(溫度85 ℃，濕度85%，儲存240 h)和double 100(溫度100 ℃，濕度100%，儲存2 h)。

2.2 測試方案

按照表1所述方案進行樣品制作，對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間的效果差異。

表1 測試樣品制作方案

2.3 測試結果

通過對上述樣品進行測試，得到結果如表2所示。從ACF的實裝效果來看，粒子壓痕、行變量、ACF反應率和ACF拉拔力，均可以滿足產品綁定的規(guī)格需求。另外，產品的信賴性，包括8585和double 100，均未出現(xiàn)功能性不良。可見激光綁定與熱壓綁定的效果均可以滿足產品綁定的規(guī)格需求。

表2 樣品測試結果

2.4 結果分析

ACF固化包括以下3個階段，如圖2所示。

圖2 ACF反應固化原理

階段1(t1)：施加溫度、壓力，使ACF的粘度降低，流動性增強，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)氧樹脂的反應加劇，反應率迅速提高，由于交連反應，ACF逐漸硬化，相對粘度開始升高，直到反應完全，實現(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。

ACF固化的3個必要條件是：溫度、壓力和時間，由此可見，不管是熱壓頭還是激光加熱均可以實現(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ACF層，期間熱量損失較多，所以綁定時間一般會在5 s以上。而激光綁定技術是使用激光加熱控溫，壓頭加壓來實現(xiàn)，能量高且聚集的激光束直接加熱ACF和電極，如此可以實現(xiàn)更快速度的綁定。從結果看，使用激光綁定技術，綁定本壓時間降低為3 s時，ACF實裝狀態(tài)和產品信賴性效果好，能滿足顯示器件綁定的評價標準。

3 熱損傷安全距離測試

激光具有能量集中、均勻、精確可控、熱損傷小等特點，在顯示產品綁定中表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢。手機產品是目前市場上屏占比最高、邊框最窄的顯示產品，依據目前產品極限設計，傳統(tǒng)熱壓綁定在熱損傷方面已經出現(xiàn)技術瓶頸。

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。以手機產品為例，綁定結構有兩種，一種是IC +FPC，另一種是COF+FPC。目前60%以上的產品，a+b<0.75 mm，甚至能達到0.4 mm。如此近的距離，在綁定時，高達(200±10) ℃的壓頭溫度，必然會引起偏光片燙傷，燙傷的偏光片會內縮造成顯示不良，嚴重影響模組良率，亟待解決。

圖3 產品邊框設計示意圖

3.1 實驗測試

關于綁定熱損傷距離，專門設計實驗進行驗證，結果如表3所示，使用激光綁定技術，IC-POL距離為0.15 mm時，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，會有輕微偏光片燒灼現(xiàn)象，但未見偏光片內縮。IC-偏光片距離為0.05 mm時，顯微鏡測試發(fā)現(xiàn)，存在輕微偏光片內縮現(xiàn)象。

表3 激光綁定熱損傷距離測試結果

熱壓綁定在IC-偏光片距離為0.75 mm會發(fā)生偏光片燙傷，若使用激光綁定技術，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，從而實現(xiàn)極致窄邊框顯示。

3.2 分析與討論

根據顯示器件的結構，熱損傷的原因有以下3點：

(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 ℃以內性能是穩(wěn)定的。超過80 ℃，隨著溫度升高，偏光片會發(fā)生內縮、卷曲等變化。

(2)高溫物體(壓頭)

本次驗證使用的ACF，規(guī)格要求ACF實測溫度為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至ACF，通常壓頭溫度設定在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)

全面屏顯示產品對邊框提出嚴苛的要求，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，當超過臨界值時，偏光片就會發(fā)生熱損傷。

熱壓綁定是依靠壓頭熱量縱向傳導至ACF，實現(xiàn)ACF固化。而壓頭溫度是多向傳導的，在橫向范圍內也會發(fā)生熱傳導。當距離越近時，偏光片接受到的熱量越多，溫度越高。測試結果顯示，當IC-ACF距離為0.75 mm時，偏光片燙傷內縮，影響顯示。而激光綁定是采用雙向均為平頂?shù)摹⒏叨葎蚧木匦喂獍?，直接加熱ACF實現(xiàn)的。處于高溫的ACF向四周傳導熱量，而ACF總厚度不足0.2 mm，熱傳導能力非常有限。另外，壓頭邊緣實測溫度在40～60 ℃，處于偏光片正常工作溫度，不會輕易發(fā)生燙傷現(xiàn)象。實驗測試結果顯示，當IC-ACF距離<0.15 mm時，才會發(fā)生偏光片燙傷不良。

4 結 論

通過對ACF實裝狀態(tài)和產品信賴性測評，可以看出，激光綁定技術是一項實際可行的新技術。通過該技術，一方面可以大幅降低產品綁定熱損傷范圍，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，是顯示產品實現(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間由5 s降低至3 s，極大地縮短了量產節(jié)拍，提高產品生產效率，從而產生更大的收益。

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