异方性导电膜

异方性导电膜随着电子产品朝轻，薄，短，小化快速发展，各种携带式电子产品几乎都以液晶显示器为显示面板，特别是在摄录放影机，笔记型计算机，移动终端或个人数字处理器等产品上，液晶显示器已是重要的组成组件。液晶显示器除了液晶面板外，在其外围必须连动驱动芯片作为显示讯号之控制用途。一般而言，液晶面板与驱动IC系统的接口衔接技术大致可分为下列几种：卷带式晶粒自动贴合技术(TapeAutomatedBonding；TAB)、晶粒－玻璃接合技术(ChiponGlass；COG)、晶粒－软板接合技术(ChiponFlex；COF)。ACF介绍2.1何谓异方性导电胶：其特点在于Z轴电气导通方向与XY绝缘平面的电阻特性具有明显的差异性。当Z轴导通电阻值与XY平面绝缘电阻值的差异超过一定比值后，既可称为良好的导电异方性。2.2导通原理：利用导电粒子连接IC芯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轴方向导通之目的。2.3产品分类：1.异方性导电膏。2.导方性导电膜。异方性导电膜(ACF)具有可以连续加工(Tape-on-Reel)极低材料损失的特性，因此成为目前较普遍使用的产品形式。2.4主要组成：主要包括树脂黏着剂、导电粒子两大部分。树脂黏着剂功能除了防湿气，接着，耐热及绝缘功能外主要为固定IC芯片与基板间电极相对位置，并提供一压迫力量已维持电极与导电粒子间的接触面积。一般树脂分为热塑性树脂与热固性树脂两大类。热塑性材料主要具有低温接着，组装快速极容易重工之优点，但亦具有高热膨胀性和高吸湿性缺点，使其处于高温下易劣化，无法符合可靠性、信赖性之需求。而热固性树脂如环氧树脂(Epoxy)、Polyimide等，则具有高温安定性且热膨胀性和吸湿性低等优点，但加工温度高且不易重工为其缺点，但其可靠性高的优点仍为目前采用最广泛之材料。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。虽然异方性导电胶其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机率。另外，导电粒子的粒径分布和分布均匀性亦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，维持相同的导通电阻，并同时避免部分电极未接触到导电粒子，导致开路的情形发生。常见的粒径范围在3~5μm之间，太大的导电粒子会降低每个电极接触的粒子数，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行成粒子聚集的问题，造成粒子分布密度不平均。在导电粒子的种类方面目前已金属粉末和高分子塑料球表面涂布金属为主。常见使用的金属粉镍(Ni)、金(Au)、镍上镀金、银及锡合金等。目前在可靠性和细间距化的趋势下，如COF和COG构装所使用之异方性导电胶，其导电粒子多表面镀镍镀金之高分子塑料粉末，其特点在于塑料核心具可压缩性，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，塑料核心与树脂基础原料的热膨胀性较为接近，可以避免热循环和热冲击环境时，在高温或低温环境下，导电粒子因与树脂基础原料的热膨胀性差异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。2.5贴合工艺：平时导电粒子在黏合剂中均匀分布,互不接触,加之有一层绝缘膜,ACF膜是不导电的,当对ACF膜加压、加热后(一般加压、加热分两次,第一次为临时贴在产品上60℃～100℃,(3～10)×104Pa,2s～10s出货,第二次为部品搭载时约150℃～200℃,(20～40)×104Pa,10s～20s)导电粒子绝缘膜破裂,并互相在有线路的部分(因为较无线路部分突起)挤压在一起,形成导通,被挤压后的导电粒子体积是原来的3～4倍(导电粒子体积不变，差别在於原本是球体状，经过热压後变成类似圆饼状，让上下电极有更多的面积接触到导电粒子),加热使黏合剂固化,保持导通状态。一般导通部分电阻在10Ω以下,未导通部分相邻端子间在100MΩ以上。主要ACF品牌及差异3.1SonyACF(SingleLayer)Sony发展出称为Microconnector的先进ACF技术，应用在COF，COG接合上。此ACF材料主要是在导电粒子制作上有突破性发展。其导电粒子除了如一般在塑料核心表面镀上金属层之外，又再金属层表面再涂布一层10nm厚的绝缘层，而此绝缘层则是由极细微的树脂粒子所组成。其发展材料之树脂黏着剂可以为热塑性或热固性材料，然后将导电粒子加入做成膏状物或薄膜状产品。当此材料贴附于软板基板进行热压制程时，导电粒子与芯片凸块和软板基板电极同时会压破其接触面的绝缘层(即Z轴方向)，但未接触的XY平面方向之绝缘层则不会被压破，保持其绝缘性。因此Sony相信，使用此种涂布绝缘层的导电粒子，可以提高异方性导电胶的粒子密度，达到细间距和低导通电阻的要求，而同时又不会有短路的情形发生。3.2HitachiACF(DoubleLayer)针对细间距化的要求，日立化成则提出了双层(DoubleLayer)结构之ACF，双层结构之上层为未添加导电粒子的树脂层，而下层则是含有单层导电粒子的排列。与传统单层结构之ACF相比，双层结构可以在不增加导电粒子密度的情形下，因下层局部粒子密度较高，使得电极单位接触面积内之粒子密度较高，同时在接近芯片凸块区域，因局部粒子密度较低而降低了短路的情形发生。在树脂黏着剂方面，为了可靠性的考量，日立化成在其产品上均选择使用环氧树脂系统已提高材料的黏着强度、玻璃转移温度及防湿性等特性。3.33MACF3.4ToshibaACF3.5TeamChemCompanyACF16，AC42冠品低温操作ACF16：低温保存，-15℃以下12个月，常温下14天无碍，热压合温度摄氏80度，可应用于耐热性较低的PET膜，ITO玻璃基材。ACF16为海郑实业2010年主力推出的异方性导电胶膜。它与一般市售ACF产品之最大不同之处在于其低温操作的特性。室温预贴，热压皆可以80°C完成。且接着后之电性阻抗低，稳定性高，可耐高温、高湿及回焊。操作时，预贴在室温操作，之后再以80°Cx5秒钟-10秒钟进行热压即可。预贴及热压时请不要使用垫片，因为垫片会使得热传导变慢，导致胶膜无法在短时间内达到热熔状态，而产生接着不良的问题。热压后，可藉由室温存放，使树脂得以缓慢而持续的进行分子键结反应，其接着强度可随之逐渐增加。如有需要，亦可采用后熟化反应，以提升其接着强度。后熟化可以使用90°Cx60分钟。如果产品最终需要能通过高温回焊，则建议采用两段式后烤熟化︰90°Cx30minutes至150°Cx30minutes，则接着强度可提升到1.0kg/cm以上，也更能承受严苛的高温环境。此产品热压后具有可修补性，也就是当热压后，如果因过度拉扯或操作不良的因素，造成导电性的问题时，可简单的再以80°Cx5seconds热压即可修补，而无需重工。如果因对位不良而需重工时，只需以丙酮擦拭即可清除干净。热压后，可以由室温存放，使树脂得以缓慢而持续的进行分子键结反应，其接着强度可随之逐渐增加。此产品符合RoHS&Halogen-free规范，且不含PFOS&PFOA。3.6UPAKACF玮锋为大中华地区第一家量产ACF的厂商，目前产品有FOG(FPConGLASS)、FOB(FPConPCB)两种，而COG(CHIPonGLASS)则是已开发但成本过高不适合进入市场。一般ACF的热压条件，有以下需要注意：1.温度：是指实际料温，也就是ACF实际接触的温度，而不是热压机的设定温度。2.秒数：是指热压秒数，举例而言，需要180度15秒的条件，就表示ACF实际料温要在第15秒内到达180度，一般也要求在前2秒升温的温度要到达180度的九成左右，也就是172度才算标准，之後持续升温於第15秒时到达180度。3.压力：大致而言，有两种计算方式，使用非IC介面的ACF，是以整体面积承受到的总力道去计算，而使用IC介面的ACF，是以IC上的BUMP(电极)总面积承受到的总力道去计算，所以时常会有人觉得为什麼有IC介面的热压力道都比其他介面的来的大就是这个原因。异方性导电胶膜（ACF：AnisotropicConductiveFilm）兼具单向导电及胶合固定的功能，目前使用于COG、TCP/COF、COB及FPC，其中尤以驱动IC相关之构装接合最受瞩目。根据日本JMS的调查，2006年全球ACF市场规模约488亿日圆，至2007年将成长至586亿日圆，历年成长率约在20％上下。随着驱动IC在FinePitch潮流的推动下，ACF的产品特性已逐渐成为攸关FinePitch进程的重要因素。本文将针对ACF就其产品发展概况、主要规格特性以及产业未来趋势等做一介绍。■ACF发展概况ACF的组成主要包含导电粒子及绝缘胶材两部分，上下各有一层保护膜来保护主成分。使用时先将上膜（CoverFilm）撕去，将ACF胶膜贴附至Substrate的电极上，再把另一层PET底膜（BaseFilm）也撕掉。在精准对位后将上方物件与下方板材压合，经加热及加压一段时间后使绝缘胶材固化，最后形成垂直导通、横向绝缘的稳定结构。ACF主要应用在无法透过高温铅锡焊接的制程，如FPC、PlasticCard及LCD等之线路连接，其中尤以驱动IC相关应用为大宗。举凡TCP/COF封装时连接至LCD之OLB（OuterLeadBonding）以及驱动IC接着于TCP/COF载板的ILB（InnerLeadBonding）制程，亦或采COG封装时驱动IC与玻璃基板接合之制程，目前均以ACF导电胶膜为主流材料。■驱动IC脚距缩小ACF架构须持续改良以提升横向绝缘之特性!ACF中之导电粒子扮演垂直导通的关键角色，胶材中导电粒子数目越多或导电粒子的体积越大，垂直方向的接触电阻越小，导通效果也就越好。然而，过多或过大的导电粒子可能会在压合的过程中，在横向的电极凸块间彼此接触连结，而造成横向导通的短路，使得电气功能不正常。随着驱动IC的脚距（Pitch）持续微缩，横向脚位电极之凸块间距（Space）也越来越窄，大大地增加ACF在横向绝缘的难度。为了解决这个问题，许多ACF结构已陆续被提出，以下针对目前两大领导厂商的主要架构做介绍：1.HitachiChemical的架构为了降低横向导通的机率，Hitachi使用了两个方法，其一是导入两层式结构，两层式的ACF产品上层不含导电粒子而仅有绝缘胶材，下层则仍为传统ACF胶膜结构。透过双层结构的使用，可以降低导电粒子横向触碰的机率。然而，双层结构除了加工难度提高之外，由于下层ACF膜的厚度须减半，导电粒子的均匀化难度也提高。目前，双层结构的ACF胶膜为HitachiChemical的专利。除了双层结构之外，Hitachi也使用绝缘粒子，将绝缘粒子散布在导电粒子周围。当脚位金凸块下压时，由于绝缘粒子的直径远小于导电粒子，因此绝缘粒子在垂直压合方向不会影响导通；但在横向空间却有降低导电粒子碰触的机会。2.SonyChemical的架构SonyChemical的方法是在导电粒子的表层吸附一些细微颗粒之树脂，目的在使导电粒子的表面产生一层具绝缘功能的薄膜结构。此结构的特性是，粒子外围的绝缘薄膜在凸块接点热压合时将被破坏，使得垂直方向导通；至于横向空间的导电粒子绝缘膜则将持续存在，如此即可避免横向粒子直接碰触而造成短路的现象。Sony架构的缺点是，当导电粒子的绝缘薄膜在热压合时若破坏不完全，将使得垂直方向的接触电阻变大，就会影响ACF的垂直导通特性。目前该结构的专利属于SonyChemical。除了上述以结构改良的方式来避免横向绝缘失效以外，透过导电粒子的直径缩小也可达成部分效果。导电粒子的直径已从过去12um一路缩小至目前的3um，主要就在配合FinePitch的要求。随着粒径的缩小，粒径及金凸块厚度的误差值也必须同步降低，目前粒径误差值已由过去的±1um降低至±0.2um。7B(W(d%x8x(g随着驱动IC细脚距的要求，金凸块的最小间距也持续压低，目前凸块厂商已经可以做