第一章、緒論
1.1 前言
電子構裝技術中,晶片與基板的導通方式,大致可區分為三種型式:
包括 Wire Bonding、TAB(Tape Automated Bonding)、以及 Flip Chip 等三種
方式[1]。Wire Bonding 就是將 IC Pad 與外接導通模組,利用金線連接;TAB
在 LCD(Liquid Crystal Display)業中的模式,則是利用熱封帶、承載帶連接
LCD 面板及驅動 IC;Flip Chip 技術運用於 LCD 業,就是所謂的 COG(Chip
on Glass)製程,就是將驅動 IC 固定並導通於 LCD 面板的 ITO 界面上,如 圖一所示。隨著電子產品的高速度化、高效能化、強調輕、薄、短、小化
以及低價化的趨勢愈來愈明顯,Flip Chip 的技術儼然成為構裝連接導通之
主要架構[1]。
Flip Chip 技術的導通方式,大致可歸納為金屬導通、導通膠、
MBB(Micro Bump Bonding)、異方性導電膠材、導電性樹脂…等。其中異 方性導電膠材中的異方性導電膜(Anisotropic Conductive Film, ACF)則是廣
泛被應用於 LCD(Liquid Crystal Display, LCD)與驅動 IC 之間的連接。尤其
是現在人手一機的手機類產品,其中的顯示面板都是使用 COG(Chip on
Glass)製程的模組架構。
COG 製程就是將 IC 直接導通在玻璃基板上的一種構裝接合技術,尤 其使用異方性導電膜,具有易加工性、高產出率及高良率的材料特點,其
應用領域相當廣泛,且可靠度佳[2]-[4],對於液晶顯示器來說將可達到減
少體積、重量的方式。
1.2 研究動機
異方性導電膜良好的接合必須是符合電性及機械性的要求,這點可由 製程中來探討。首先是需了解異方性導電膜在 IC Bump 區域中導電粒子的
分佈,如圖二所示,是否有達到最低導通之需求;關於此點,我們將實際
去計算在真實製程中,導電粒子的分佈情形,藉此與 ACF 供應商提供之數
據做一比較。第二是導電粒子的變形,究竟在製程中,應施加多少的壓力,
才能造成較佳之粒子變形;關於電性導通粒子變形的依據,通常 ACF 供應
商會提供導電粒子變形的經驗值,變形量從 20%~90%都算是可以導電的,
那麼以製程眼光來看,我們將探求其壓頭壓力與導電粒子的變形量關係,
藉以找出較佳之製程條件。此外,關於壓頭溫度設定及本壓著時間設計對
ACF 固化的關係,也將設計相關驗證實驗,以期確立較佳之製程設定條件。
由於 COG 機台設備差異、製程條件的不同、材料的不同…等因素,
對於其製程能力將會有所差異。本實驗的目的,就是希望藉著與業界合作
的機會,來探討以上所述 COG 製程的相關條件設計,嘗試找出較佳的製
程條件搭配,包括壓頭溫度、壓力、本壓著時間…等。
第二章、ACF 及 COG 製程簡介
2.1 異方性導電膠材
一般說來異方性導電膠材,可以根據 IC 與玻璃基板上 ITO 層之間的 使用材料不同,大致可分為三類:
1. 使用材料為導電膠,於環氧樹脂中散佈微小的 AgPd 微粒,在 IC 的凸塊上披覆此導電層。
2. 在 IC 的凸塊上披覆低熔點金屬,例如銦合金,可在低於 150℃下 導通 IC 與 ITO。
3. 在接合樹脂中,混合導電顆粒可以是金屬球或是樹脂球表面鍍金 , 具有彈性變形之性質,如此的使用材質即是異方性導電膏
(Anisotropic Conductive Adhesive, ACA);另一種形式則是將異方性 導電膠先行稍微固化稱之為異方性導電膜 (Anisotropic Conductive
Film, ACF) [5 ]。
其中,由於異方性導電膜 (Anisotropic Conductive Film, ACF)具有可連續加
工及材料損失低的特點,所以廣泛應用於 COG 製程中。
此外,本文所探討之異方性導電膜為 Hitachi 生產之 AC-8304Y,屬於 雙層異方性導電膜 (Double- ACF Layer ACF )的結構設計,與其他廠商的
單層異方性導電膜 (Single-Layer ACF)結構不同,他們之間的差異點在於
單層異方性導電膜較雙層異方性導電膜容易發生短路(Short)情形,這點可
由圖三中看出。
2.2 異方性導電膜的導電原理[6]
異方性導電膜的導通原理,是利用粒徑均一之導電粒子連接面板上之
ITO(Indium Tin Oxide)電極與 IC 的 Pad,來達成電氣導通之目的。
關於液晶顯示器(LCD)所使用之 ITO 電極,是蒸鍍於玻璃基板表面 上,我們稱之為 ITO 玻璃。以 STN-LCD(Super Twisted Nematic -LCD)為例,
位於玻璃表層的 ITO 層,經由 Photo 製程而造成顯示區內的圖案,稱之為
Layout,包括 COM、SEG、I-CON,這些 ITO 圖案會延伸至顯示區外,亦 即出 Pin 區,形成一個與模組連接的界面[7]。以 COG(Chip on Glass)產品
來說, ITO Layout 造成的阻值,或多或少會影響驅動 IC 與面板顯示的效
果,因此 ITO 玻璃的阻值會根據設計需求,選擇適合之阻值。對於 COG(Chip
on Glass)產品製程的要求,一般說來是著重在導電特性上,除了 ITO 玻璃 的阻值考量外,還需考量整體系統的導電性,著重在導電粒子的變形量及
導電粒子數目,這是攸關於製程壓力的設定,製程壓力大,導電粒子變形
量增大,亦即被壓得更扁,那麼導通部分接觸面積增大,接觸阻抗則越小;
反之,若是壓力過小,則是會導致接觸面積不足,接觸阻抗太大,而發生
導電不良的情形[2][3]。
探討一個導電顆粒在兩個電極中間的導通情形:
系統總電阻為 R=Rpu+Rcu+Rtu+Rblk+Rtb+Rcb+Rpb
Rpu:上板本身的壓縮電阻
Rcu:導電顆粒與上板的壓縮電阻
Rtu:導電顆粒與下板接觸面的通道電阻
Rblk:導電顆粒的電阻
Particle Upper plate
Upper substrate
Bottom substrate Bottom plate
Rtb:導電顆粒與下板接觸面的通道電阻
Rcb:導電顆粒與下板的壓縮電阻
Rpb:下板本身的壓縮電阻
壓縮電阻(constriction resistance)定義為當兩導體之間只有接觸導通,而非
焊接,只靠著接觸面積來導通時,電流只能通過小面積,此時電阻就會增
大,稱之為壓縮電阻。
上下板可視為半徑為 bu及 bb的圓,基板的等電位面以板的中心為球心,成
半球狀的分佈。故
u bu
pu d b
R π
ζ ρ πζ
ρ
2
2 2 =
∫
= ∞
同理
b
pb b
R π
ρ
=2
利用同樣方式可推導出導電顆粒與上板接觸的壓縮電阻
−
=
∫
=
u u bu
ru
cu d r b
R 1 1
2
2 2 π
ζ ρ πζ
ρ
同理,可得導電顆粒與下板接觸的壓縮電阻
−
=
b b
cb r b
R 1 1
2π ρ
rb 為導電顆粒與下板接觸面積的半徑
a r r a dx k
x
R a r a u b
r blk a
u
b π
ρ π
ρ
2 ) , ( )
(
, 2
2
2 2 2
2 =
∫ −
= −
−
其中
−
−
−
−
− +
−
= +
) )(
(
) )(
ln ( ) , ,
( 2 2 2 2
2 2 2 2
b u
b u
b u
r a a r a a
r a a r a r a
r a k
綜合以上,單顆導電顆粒系統之總電阻為
a r r a R k
r R
R r tu tb b
b u
u
π ρ π
ρ π
ρ
2 ) , , ( 2
2 + + + +
=
假設在接觸面附近沒有氧化膜,通道電阻 Rtu+Rtb 可以忽略不計。導電
顆粒與導電 Pad 及玻璃的接觸面積,只有些許差異,可以視為相同。因此
接觸面半徑 ru 、rb假設為相同。
因此單顆導電粒子總電阻為
Rblk R= r +
π
ρ ,
R∝1r
由上式可知,阻抗會與接觸面積的半徑成反比。
2.3 COG(Chip on Glass) 工作流程
異方性導電膜 (Anisotropic Conductive Film, ACF)被使用在 COG(Chip
on Glass)製程中 IC 與 ITO 玻璃間的連接,該製程如圖四所示。
在實際的工作流程中,是先將面板放置於機台平面上,以酒精清潔,
之後面板經由輸送帶送入機台定位點,此時 ACF 會先行貼附於面板出 Pin
區,亦即相對 IC Pad 位置上,俟前作業完成,先進行驅動 IC 的對位,在
進行約 0.5~1 秒的預壓著,此時的壓頭(Head)的溫度為 50℃~60℃左右,之
後再到下一個定位點,進行加熱加壓作業,使 IC 能夠固定於面板基板上,
完成 COG 半成品的作業,此時的壓 頭 溫 度 為 290℃,面 板 乘 載 平 台 溫 度 為
100℃,壓頭壓力為 3.5kg,本壓著時間為 5 秒,如圖五。
由以上所述,對於 COG 製程而言,一般是著重在壓頭設定溫度、面板 承載平台溫度、壓頭加壓壓力、本壓著時間…等製程條件。
對於 COG 半成品的品質檢驗,一般會在 COG 製程完成後,將 COG
半成品置入電測座中,進行電訊檢測,亦即點亮面板,檢視其顯示畫面,
紀錄電流值。此外,也將在顯微鏡下檢視驅動 IC 的 Pad 是否與面板上的
ITO 界面對位正確?驅動 IC 的 Pad 與 ITO 界面重疊區域,我們稱之
Bump 區域,這區域內導電粒子變形情形及粒子數量…等,是否符合該製 程規範。
2.4 COG 產品縱切面
由於本文探討之 ACF 的厚度只有 23μm,之間的導電粒子直徑只有 5
μm,究竟導電粒子在 COG 產品中的情形是如何的?我們可以利用顯微鏡來
觀察 COG 產品縱切面,以便對此作業有較具體的認識。
圖六表示 COG 產品的縱切面;觀察圖七,能明顯看到在 Bump 區域 外並無變形之導電粒子,粒子直徑為 5μm;在圖八中,見到兩個 Pad 間,
即 Bump 區域外,無受力變形的導電粒子,而在 Pad 與 ITO 玻璃界面上,
清楚看到受到壓力而變形的導電粒子。
2.5 接觸力
COG 系統中導電粒子與上下兩個電極的接觸情形,在彈性力學中也有 提到;兩球體接觸時的壓力及變形量,在彈性力學[8]中已有解
3
2 1
2 1 2 1
) (
4
) (
3
R R
R R k k a P
+
= π +
3
2 1
2 1 2 2 1 2 2
16
) (
) (
9
R R
R R k k
P + +
= π
α
1 2 1 1
1 k E
π ν
= −
2 2 2 2
1 k E
π ν
= −
a 為接觸物體之相對位移
α 為接觸面積之半徑
P 為接觸面中心之壓力
k 為常因數代表壓力分布尺度
有了這些公式,那麼知道材料性質及接合力量,就可以求出接觸面積
的半徑,藉此計算其電阻。Kyung-Wook Paik 等人[2]藉此推導電阻與材料
性質、施力大小、導電顆粒尺寸的關係式:
N
D FD
NE Rc
s
p *) 0.524
)(
( 69 .
0 ρ +ρ 13 + ρ1
=
E Ep Es
s
p 2
2 1
1
*
1 = −ν + −ν
N 為導電顆粒數
D 為導電顆粒直徑
F 為製程施加之接合外力
ν 為波松比
ρ 為電阻率 (s 表示電極基板、p 表示導電顆粒)
2.6 應力探討[9]
關於導電粒子中心軸應力,經由先前的研究資料顯示,導電粒子最大
壓應力位於與 IC Pad 接觸面之中心位置,導電粒子變形程度,並不影響其
最大應力的位置。
當導電粒子變形量為 20%時,最大應力出現在表面,越往粒子中心,
其應力越來越小;當變形量增加至 30%,導電粒子內部靠表面處的應力有
變大的趨勢;變形量從 40%~60%,導電粒子內部應力變大的趨勢更明顯,
從較靠表面的區域,漸漸往內傳遞。從變形量 20%~60%的應力變化是連貫
的,此現象可視為導電粒子在未接觸部分張應力增加所致,而造成粒子中
心的應力僅次於接觸表層。由此可知,導電粒子中心軸上的應力大小變化
與變形量有著顯著的關係。
在 IC Pad、面板與導電粒子接觸面之應力部分,當變形量為 20%,最
大應力出現在與導電粒子接觸面的中心,但隨著變形量的增加,導電粒子
中心軸的材料受到擠壓而往周圍移動,故最大應力就移到接觸面的周圍。
2.7 TAB、COG 特性比較
目前 LCD 構裝技術大多是以 TAB(Tape Automated Bonding)為主,
以目前現行 STN-LCD 業界的產品而言,有許多中大型、高 Duty 數、雙邊
出 Pin 的面板產品,例如 P D A …等,幾乎都是使用 TAB 的模組架構;而中
小型、以 64Duty 驅動之手機面板則是多採用 COG 製程。以下就針對兩種
模組方式之優缺點做一比較:
COG 技術較 TAB 更適用於薄型構裝 — TCP (Tape Carrier Package)的
TAB 含背光 ( back light )的總厚度,一般估算為 LCD 面板厚度 0.7×2=
1.4mm、背光厚度約為 1.2mm、TCP 厚度約 1.5mm,所以 TAB 總厚度約為
4.1mm;反觀 COG 的厚度只有 2.6 mm,包括 LCD 面板厚度 0.7×2=
1.4mm、背光厚度約為 1.2mm。因此 COG 技術能較 TAB 擁有更多的排線 穿梭空間。
COG 技術較 TAB 構裝型態簡單 — COG 產品的構成零件,一般為 LCD
面板、驅動 IC、連接線 … 等,較 TAB 的構成零件,LCD 面板、熱封帶、
承載帶、驅動器、連接線 … 等來得少。相對而言,在製程上的品質管制點
就不同,此處所提的品質管制點就是連接點彎曲撓度的可靠度,因為一般
的連接點在整體構裝時,會彎折其構成零件,例如承載帶 … 等,既然牽涉
彎折,就得考量其零件的品質可靠度,包括撓度最小半徑、次數 … 等。兩
者比較,TAB 需要彎折的零件是比 COG 來得多[10]。
茲將其他比較項目整理於表一中。
第三章、實驗規劃
一般說來,COG 製程的設定條件,包括壓頭(Head )的壓力、溫度以及
本壓著時間;因此我們就以此三種條件 – 壓 頭 溫 度 、 本 壓 著 時 間 及 壓 力 ,
為實驗之變因,固定面板乘載平台溫度為 100℃,設計了幾個實驗,藉以
探討製程的較佳化設計。第一個實驗是設計壓頭溫度與本壓著時間對 COG
製程的影響,第二個實驗是設計壓頭加壓壓力對 COG 製程的影響,實驗
三是了解每個 Bump 區域內的導電粒子分佈狀態,實驗四是實際量測 ACF
受熱溫度。
3.1 材料準備
面板:如圖一所示,規格如下:
大小 :45.6 x 27x1.9 mm
顯示區域:16.7 x 42 mm
顯示圖案 : DOT-16*3 + I-CON
驅動方式 : 1/25 Duty、 1/5 Bias
驅動電壓 : 5.3V
異方性導電膜:AC-8304Y (Hitachi)
架構為雙層結構,導電粒子直徑為 5 ìm,結構如圖九所示,
密度為 20000pcs/mm2 ,厚度為 23 ìm,茲將規格整理於表二。
驅動 IC : SPLC093(SUNPLUS),
驅動 IC 尺寸為 6320×2020ìm,Pad Pitch 為 75.6ìm,IC Pad
位置如圖十所示,茲將相關尺寸整理於表三。
3.2 實驗一:壓頭溫度與本壓著時間對 COG 製程的影響
實驗一的目的,除了了解在完成 COG 半成品的製程條件:壓頭溫度
設定為 290℃,本壓著時間為 5 秒鐘,壓頭壓力值固定 3.5kg,面板承載平
台溫度 100℃之信賴性外,也將積極探討壓頭溫度與本壓著時間,這兩項
變因是否存在改進的空間。在壓頭溫度方面,則是設計有 250℃、270℃、
290℃三種水準;本壓著時間設計 4、5 秒,兩種水準。因此總共設計了 6
個實驗條件,每個實驗製作 5 片試驗品,待試驗品完成後,進行高溫高濕
放置試驗(50℃,90%RH,1000 小時),並每隔 240 小時,進行電訊測試,
以及紀錄電流值。茲將設計的實驗流程圖繪製於圖十一,流程圖說明如下:
項
次 項 目 內 容
1. 準備面板、IC、ACF
面板大小 - 45.6 x 27 x 1.9 (mm) IC - SPLC093C
ACF – AC-8304Y 壓頭壓力設定為 3.5kg 面板承載溫度為 100℃
壓頭溫度
本壓著時間 290℃ 270℃ 250℃
5 secs A C E 4 secs B D F 2. 實驗條件設定
3. 試驗品製作 依前項設定條件共分六類,每一類製作 5 片試驗品
4. 檢測及量測數據 將試驗品進行電訊檢測並記錄最大電流 值
5. 高溫高濕放置試驗 6. 檢測及量測數據
將試驗品置入高溫高濕環境(50℃,
90%RH),每隔 240hrs 取出進行電訊檢測 並記錄最大電流值,共計置入累計 1000hrs (與實驗三搭配)
7. 抽樣導電粒子分佈 及變形狀況
選取信賴性通過之面板,計算 bump 區域 之導電粒子數目及變形狀況
8. 數據探討 將以上量測之各項數據做一比較並分析 之
3.3 實驗二:壓頭加壓壓力對 COG 製程的影響
實驗二的目的,在於了解現行的製程條件:壓頭加壓壓力值為 3.5kg,
壓頭溫度固定 290℃,面板承載平台溫度 100℃,本壓著時間固定為 5 秒的
信賴性之外,並嘗試進行各種壓力值的設定,藉此了解壓頭壓力對導電粒
子變形的影響。壓頭壓力設計從 1.0 至 5.0kg,每隔 0.5kg 為一個區間,共
計 9 個水準,每個水準製作 5 片試驗品,待試驗品完成後,進行熱衝擊試
驗(-30℃[30mins]<- ->70℃[30mins]) 30 cycles,每完成 10cycles,即檢視電
訊及量測電流值。此外,也在每個條件中選取 4 片試驗品,每片測 8 個 Bump
區域內的導電粒子數目及變形狀況,8 個量測點分別為 Pad 編碼為 69、41、
14、7、163、124、84、77,以期觀察壓力值對 ACF 導電粒子變形量的關 係,並從中尋得較佳的壓力值。茲將設計的實驗流程圖繪製於圖十二,流
程圖說明如下:
項次 項 目 內 容 1. 準備面板、IC、ACF
面板大小 - 45.6 x 27 x 1.9 (mm) IC - SPLC093C
ACF – AC-8304Y
2. 實驗條件設定
Head 溫度 290℃,加壓時間設定為 5secs 面板承載平台溫度 100℃
變因為壓頭加壓壓力,分為 9 個群組—
1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、
5 kg
3. 試驗品製作 依前項設定條件共分九類,每一類製作 5 片試驗品
4. 檢測及量測數據 將試驗品進行電訊檢測並記錄最大電流 值
5. 熱衝擊試驗
將試驗品進行熱衝擊試驗
(-30℃[30mins]<- ->70℃[30mins]) 30 cycles
6. 檢測及量測數據 每完成 10cycles,將實驗品取出進行電訊 檢測並記錄最大電流值
7. 抽樣導電粒子分佈 及變形狀況
計算每片 8 個 Bump 區域之導電粒子數目 及變形狀況
8. 數據探討 將以上量測之各項數據做一比較並分析 之
3.4 實驗三:Bump 區域內的導電粒子分佈狀態
實驗目的在於了解經由 COG 製程後,在每個 Bump 區域內的導電粒 子分佈狀況。因為在 Bump 區域內的導電粒子數目,亦會影響 COG 產品
導電的可靠度。因此我們希望藉由計算整理出來的數據,來比對該款 ACF
材料的分佈信賴性,從中建議攸關材料方面的規格。
實驗的做法,即是抽測實驗一中,通過高溫高濕放置試驗的試驗品,
共計有 10 片,計算其每個 Bump 區域內的導電粒子數目。每顆驅動 IC 共
有 163 個 Pad,位置編碼如圖十所示。
3.5 實驗四:實際量測 ACF 受熱溫度
由於在實驗一中,壓頭溫度設定共有 290℃、270℃、250℃三個水準,那
麼究竟在這三個不同溫度設定,面板乘載平台溫度 100℃的條件下,ACF
實際受熱的情形是如何的?因此,我們利用 thermocouple 實際量測在 COG
作業中,ACF 受熱的溫度曲線,量測方式如圖十三所示。 藉此數據與實驗
一對應,探討壓頭溫度及本壓著時間設計對 COG 製程的影響。
第四章、結果與探討
4.1 壓頭溫度與本壓著時間對 COG 製程的影響
在實驗中設計了壓頭溫度為 290℃、270℃、250℃共三個水準,本壓
著時間為 4 秒、5 秒共兩個水準,合計有六組實驗條件。由於一般業界對
於產品的信賴性測試,會進行高溫高濕放置試驗,所以我們將所有試驗品
完成後,也進行該信賴性測試。進行高溫高濕放置試驗的目的,是為了要
驗證 COG 半成品的可靠度,如果半成品放置在較惡劣的環境—溫度為 50
℃,相對溼度 90%RH,達到 1000 小時,而不會影響其驅動顯示品質,那
麼表示該產品在一般使用環境下,應該不會有品質不良之虞。我們的做法
就是將試驗品放入高溫高濕試驗箱中,溫度設定為 50℃,溼度為 90%RH,
共放置 1000 小時,之間每隔 240 小時,取出試驗品進行電訊檢測,判定的
標準為試驗品經高溫高濕放置試驗後,電訊檢測正常,電流值為初始值 4
倍以內,皆屬於信賴性通過(OK);反之,只要有一項不良,即判定為失效
(NG)。由於業界對其產品進行信賴性測試的試驗品,採隨機抽樣的方式,
故對於測試的結果判定,是需要該測試組所有試驗品經測試後都是通過
者,亦即良率--通過測試試驗品除以所有試驗品為 100%,方能認可其信賴
性;反之,若是有失效者,良率不是 100%者,將判定為未通過信賴性測
試。茲將本實驗所測得的數據整理如表四。
經由電訊檢測結果,我們以良率來檢視:壓頭溫度/本壓著時間為
290/5、290/4,的兩個條件,並無不良品,良率 100%。270/5 的條件有 3 片不良,良率 40%。270/4 的條件有 1 片不良,良率 80%。250/5 的條件有
1 片不良,良率 75%。250/4 的條件有 2 片不良,良率 60%。因此我們得到
一個結論 – 六個條件中,只有壓頭溫度為 290℃,不管本壓著時間是 4 或
5 秒的條件,能通過高溫高濕放置試驗的信賴性測試,其餘 270℃、250℃
的條件,並無通過信賴性測試。換句話說,本實驗中的較佳製程條件是壓
頭溫度設定 290℃,本壓著時間為 4 或 5 秒鐘。
分析電流值量測部份,在前文有提到,業界定義經過信賴性測試後,
電流值為初始值 4 倍內,判定為 OK;反之,若超過 4 倍以上,則判定為
NG,即是所謂的大電流。當出現大電流的情形時,通常表示以下幾個因素 可能有問題,包括驅動 IC、面板的驅動、ITO 的阻抗、面板的 ITO Layout
設計、COG 製程 Bump 的狀況 … 等。在電流值分佈上,觀察圖十四,發現
六組條件的電流值初始值分佈於 0.182mA~0.188mA 之間,經過高溫高濕
放置試驗 1000 小時後的電流值分佈為 0.193mA~0.210mA,兩者間並無大
電流情形發生,且兩者差異為 0.011~0.022mA,如圖十五,足見其電流值
差異不大,故對於顯示狀況,並無影響。而在電訊檢測中,出現畫面亂訊
的電流值,則是較大於一般正常值,分佈為 0.22~0.25mA。由此可知,我
們認為信賴性測試後的電流值,除了可以大電流臨界值為一觀察點外,若
是出現電流值大於一般常態分佈的情形,則表示半成品可能有潛在品質問
題,此時就應該先探討面板製程的品質狀況,了解是否有差異,繼而檢視
COG 的相關材料,例如驅動 IC、ACF…等及製程條件及狀況。
以層別法分析本壓著時間與電流值關係如圖十六。我們發現本壓著時
間為 5 秒時,電流值隨者壓頭設定溫度降低而增高,其 d(mA)/dT=0.0003
(mA/℃);而本壓著時間為 4 秒之條件,卻是與 5 秒條件相反之情形。此外,
我們也發現,在 290℃的壓頭溫度下,本壓著時間為 4、5 秒,之間的電流
值差異是最少的,只差 0.004mA;以線性關係來看,電流值 0.2mA,預估
出現在 285℃左右。由於此實驗只是小量試做,所得到之數據將是未來實
際 Pilot Run 的參考根據,因此這部份的實際趨勢,留待 Pilot Run 時,有
充分多的數據時,再來比對。
關於電流值的大小,究竟要多少才是製程所希望的,其實這點是沒有 一個業界的標準。如前所述,儘管說電流值較一般常態分佈高,可能意味
者某些條件的潛在品質問題,那是不是表示電流值要越低越好呢?倒也不
是!對於電流值低,是非常容易出現靜電現象的,就是面板容易受到靜電
干擾而出現點亮畫面。往往有些客戶就會在意這樣的靜電現象,有些則是
會定義出現靜電現象後,應在幾秒內消除的接受條件。追根究柢,COG 產
品的電流值有極大的影響來自 LCD 面板的製程,包括 ITO 阻抗、液晶、
配向膜…等的整體搭配。因此,業界實際的做法,會利用統計技術,根據
各型號產品的面板製程及模組架構,來定義合理的電流值範圍,供製造生
產之依據。
現在我們以本壓著時間為因子,來考量產品的產出率。由信賴性測試 結果顯示,當壓頭溫度為 290℃,壓頭壓力為 3.5kg 時,本壓著時間 4 或 5
秒的條件都是通過測試的。而現行製程條件為壓頭溫度 290℃,本壓著時
間為 5 秒,以此條件計算,每部機台運作一天共計 9 小時(中午 1 小時未停
線),每片 COG 產品產出約需 10.5 秒左右,換句話說,每部機台一天的產
出數目約為 3000 片;若是現在將本壓著時間設定 5 秒更改為 4 秒時,那麼
每部機台一天產出數目就增加到 3400 片,每部機台多產出了 400 片,產出
率提昇了 13.3%,對照 98.5%以上的製程良率來看,生產率提昇可謂不少!
4.2 壓頭加壓壓力對 COG 製程的影響
本文探討之 ACF 的導電粒子直徑為 5ìm,當導電粒子在 Bump 區域內 受力時,會擠壓變形,為了方便探討實驗數據,我們根據供應商提供之資
料來界定其變形量、縱向尺寸(t),並予以定義導電粒子的有效與否。
導電粒子變形程度分類,共計分為 6 個水準,編訂變形編碼為 0~4,
如圖十七所示,其中變形量由 20%~90%,即變形編碼為 1~3 都屬於有效導
通範圍,如下表所示。
變形編碼 圖示 變形量(%) 顆粒縱向尺寸(t)
(ìm) 判定
0 0~10 4.5~5 失敗
1 20~40 3~4 接受
1 40~60 2~3 好
2 60~80 1~2 佳
3 90 0.5 接受
4 100 0 失敗
關於顆粒縱向尺寸(t),如圖十八,定義如下式:
= 0 − ×100(%) t
t n t
Deformatio
t0 為初始值尺寸(5ìm)
t 為施加壓力後尺寸
t 由 20%~90% 是廠商提供之可導通粒子變形量的經驗值
由於現階段產品生產之製程條件為壓頭溫度固定為 290℃,本壓著時 間設定 5 秒鐘及面板承載平台溫度為 100℃,所以我們以壓頭壓力為變因,
設計 9 個水準,從 1.0kg~5.0kg,每隔 0.5kg 為一區間,完成試驗品後,進
行信賴性測試--熱衝擊試驗 30 cycles,以驗證壓力不同對於整體 COG 製程
的影響。之所以會進行熱衝擊試驗,是因為壓頭壓力會影響導電粒子的變
形量、接合應力、電阻值…等,故安排此試驗,以驗證整個 COG 半成品
在熱脹冷縮的循環環境中的信賴性。熱衝擊試驗的實施,是將試驗品置入
試驗箱中,環境設定為-30℃持續 30 分鐘,然後溫度在 1 分鐘內急劇上升
至 70℃,維持 30 分鐘,之後溫度又急劇下降至-30℃,維持 30 分鐘,經
由如此的循環過程 30 回。茲將信賴性測試所得到的數據結果,整理於表
五;並觀察導電粒子分佈及變形狀況,將數據整理於表六。
經過熱衝擊試驗 10 回後,發現壓頭壓力設定為 2.5kg 的試驗片,有兩 片電訊不良,不良率為 40%。其判定標準如同前一節信賴性測試標準同,
因此壓頭壓力在 2.5kg 以下之條件,是屬於不通過信賴性測試,判定為
NG。超過 3.0kg 以上的條件,都是通過熱衝擊試驗 30 回的,判定為 O K。
因此我們可定義壓頭壓力值的臨界值為 3.0kg。
關於導電粒子變形量情形,廠商提供之經驗值是以導電粒子變形量為
20%~90%,視為可導通條件,亦即變形編碼為 1~3 者;由先前的研究[9],
經由有限元素軟體 ANSYS 運算的結論,則是提出最佳的變形量為變形
50%~70% 之間,即變形編碼為 1~2 者。以製程眼光綜合以上所述,我們希
望導電粒子變形量能介於導通範圍的中間值,變形量為 60%~80%,就是所
謂的變形編碼為 2 者。目的是在介於中間值的壓頭壓力製程條件下,若是
製程能力有所偏移時,整個製程常態分佈不會造成太大的偏差,而對產品
的整體驅動品質造成影響。選取 Pad 編號為 7 及 69 的 Bump 區域,如圖十
九所示,壓頭壓力從 1.0kg 增加至 5.0kg,我們發現隨著壓頭壓力的增大,
導電粒子的變形從原始的圓形,開始變形出現一個缺口、兩個缺口、三個
缺口以至整個導電粒子破碎;此外明顯發現當壓頭壓力為 3.0kg 時,已出
現變形編碼為 2、3 的情形,而在 4.5kg、5.0kg 的條件下,就有極明顯導
電粒子破碎情形。綜合以上所述,我們得知壓頭壓力的臨界條件為 3.0kg。
在 2.5kg 的條件,多出現變形編碼為 1 者;而在 3.5kg 的條件下,則是多
出現變形編碼為 2、3 者。
由於有效導電粒子數會影響到導通之信賴性,所以我們在每個壓頭壓 力條件中抽樣 4 片試驗品,選取 8 個 Bump 區域,即 IC Pad 為 69、41、14、
7、163、124、84、77,計算有效導電粒子數,我們定義為變形編碼為 1~3 者,茲將數據整理於表七,觀察圖二十、圖二十一,發現粒子數最多者,
出現在 41 的位置數量達 22.9 顆,其他位置除了 163 位置較少,只有 12.9
顆外,其餘皆分佈於 15~19 顆之間。大體而言,有效導電粒子分佈並無太
大的差異。表示導電粒子的分佈,屬於常態分佈,這點將於下節內容中探
討;此外,壓頭壓力的平行度是沒問題,表示整個製程系統是平衡的,並
無壓力傳輸不平衡的情形。
檢視表七,壓頭壓力與有效導電粒子平均數關係,如圖二十二,發現
壓頭壓力從 1.0kg~3.0kg 的區間內,隨著壓力增大,粒子數由 10 顆隨之增
加到 20 顆,平均增加率為 5 顆/kg;壓力從 3.0kg~5.0kg 的區間,平均粒子
數則是維持 20 顆左右,同時在這個區間,尤其是壓力 4.5~5kg 的條件,就
有明顯的導電粒子破碎情形發生。
4.3 Bump 區域內的導電粒子分佈狀態
將通過高溫高濕放置試驗的試驗品,共計有 10 片,計算其每片 163 個 Bump 區域內的導電粒子數目,此時粒子數目不分類,整理平均值於表
八中,並繪製次數分配圖於圖二十三。
分析數據,我們發現粒子數目最少者為 13 顆,最多者為 39 顆,之間 的差異為 3 倍,總平均值為 25.5 顆,標準差為 4.88 顆。比對廠商提供的
研究數據,圖二十四所示,在每個 Bump 區域內至少 3 顆以上的導電粒子,
即可導通。因此,以 Pad Size 80×50 ìm,ACF 的導電粒子密度為 20000 顆
/mm2計算,理想的分佈應該是每個 Bump 區域內有 80 顆,而我們的實際
平均顆粒為 25 顆,實際下限 13 顆約為平均值的一半;所以用臨界值 3 顆
為下限換算,平均值約為 6 顆,理想分佈為 20 顆,得到 ACF 的導電粒子
密度約為 5000 顆/mm2。由於 ACF 導電粒子的密度是一項價格因素,密度
越高,價格也就越貴,所以經由這樣的換算資訊,可提供為採購的經濟成
本考量;此外,可以做為工程人員在選擇規格相近,導電粒子密度較少的
ACF 替代型號依據。
4.4 實際量測 ACF 受熱溫度
ACF 的材料特性為熱固性,根據供應商提供之溫度,是建議 ACF 較 佳的受熱溫度為 230℃,並且在本壓著時間的第 1 秒,建議達到 230℃的
90%以上,亦即 207℃以上,方能提昇產品之可靠度。因此,我們設定壓
頭溫度為 230℃、250℃、270℃、290℃,利用 thermocouple 實際量測在
COG 作業中,ACF 受熱的溫度曲線。
整理量測數據於表九,並繪製溫度曲線--圖二十五,在數據中發現,
ACF 實際受熱溫度的平均變化情形是第 1 秒至第 2 秒增加 14.8℃,第 2 秒 至第 3 秒增加 4.9℃,第 3 秒至第 4 秒增加 2.4℃,第 4 秒至第 5 秒增加 1.1
℃,似乎在第 3 秒至第 5 秒的溫度變化,對整體製程影響不大;以 290℃
的條件來說,本壓著時間進行到第 3 秒結束時,溫度已達 242.1℃,ACF
就已經熱固完成。此外,在圖二十六中,觀察到壓頭溫度設定的區間為 20
℃,而 ACF 實際受熱的溫度區間則是 15℃左右,並且隨著本壓著時間的
增加而縮小溫度差異。
壓頭溫度為 290℃、270℃的條件,其第 1 秒的溫度有大於 207℃,然 而比對之前的實驗一信賴性測試結果, 270℃的條件是失效的。我們研判,
雖然 270℃的條件,第 1 秒溫度為 208.2℃比 207℃多了 1.2℃,第 4 秒達
到 230.1℃,比建議值 230℃只多 0.1℃,這樣的差距,若涵蓋量測誤差的
因素,則信賴性測試失效,是可以被理解的。也因此,在量測數據探討上,
是需要估算其誤差值的。
探討壓頭溫度為 290℃的條件,第 1 秒的溫度為 222℃,比 207℃多了
15℃,第 4 秒溫度達 244.5℃,比 230℃多了 14.5℃。有以上資訊,我們認 為有兩個方面值得探討;其一是壓頭溫度,其二是本壓著時間。
關於壓頭溫度,我們可預測壓頭溫度為 280℃時的溫度曲線為:第 1 秒為 214.2℃、第 2 秒為 229℃、第 3 秒為 234℃、第 4 秒為 236.4℃、第 5
秒為 237.5℃。由於先前我們並不知量測誤差的範圍,因此我們比對 290
℃、270℃兩個條件的數據研判,當使用 280℃時,本壓著時間為 4、5 秒 ,
應該是可以採用的合理製程條件值。如此的做法,能將現行壓頭溫度設定
由 290℃降至 280℃,可以減少機台昇溫所需能源及花費時間,對於當前講
究節約能源,增加效率的製造成本而言,是有其正面意義的。
關於本壓著時間,先前我們已探討了時間為 4、5 秒的產品產出率情 形。在此,經由對 ACF 受熱溫度曲線的量測,發現以壓頭溫度為 290℃時,
第 3 秒結束的溫度為 242.1℃,ACF 已達熱固階段。因此,我們認為或許 3
秒的本壓著時間亦可以達成製程需求,若是可行,每部機台一天的產出數
目將達 3800 片,產出率較原先條件提昇 26.6%。
第五章 結論
根據本文的製程條件探討,可以獲得以下幾點結論:
1. 在面板承載平台溫度 100℃,壓頭壓力 3.5kg 的條件下,壓頭溫度以 290
℃,本壓著時間為 4,5 秒者,皆通過高溫高濕放置試驗,為較佳之製
程條件。再者,以每部機台一天產出數目來比較,本壓著時間為 4 秒
的條件比 5 秒者多產出 400 片,產出率提昇 13.3%。
2. 對於 COG 製程產品的品質檢視,可以電流值來判別。其一是電流值經 過信賴性測試後,若小於電流初始值的 4 倍,表示並無大電流產生;
其二是出現明顯大於常態分佈之電流值,則表示有潛在的品質問題,
應就 COG 的相關材料,例如驅動 IC、ACF … 等及製程條件及狀況,做
一了解,以實驗一數據看,正常之電流值分佈為 0.193~0.210mA,而不
良品分佈為 0.220~0.250mA。
3. 在壓頭溫度設定 290℃,本壓著時間 5 秒,面板承載平台溫度 100℃的 條件下,只有壓頭壓力為 3.0kg 以上之條件能通過熱衝擊試驗。
4. 到底導電粒子變形量多少,才是製程的較佳化呢?廠商提供之經驗值
是變形量為 20%~90%,由先前研究[9],經由有限元素軟體 ANSYS 運
算的結論,則是提出最佳的變形量為變形 50%~70%之間,以製程眼光
綜合以上所述,我們希望導電粒子變形量能介於導通範圍的中間值,
變形量為 60%~80%。因此,綜觀壓頭壓力與導電粒子變形量關係,發
現本實驗中以 3.0kg 為較佳之壓頭壓力值。
5. 我們定義有效導電粒子變形量為 20%~90%,發現當壓頭壓力從 1.0kg 升至 3.0kg,有效導電粒子數顯著地隨壓力增大而增加;而 3.0kg~5.0kg
的區間,有效導電粒子數幾乎不變。由此可知,3.0kg 的壓頭壓力,可
視為導電粒子變形之臨界壓力值。
6. 在 Bump 區域內,導電粒子分佈為 13~39 顆,平均值為 25.5 顆,標準
差為 4.88 顆,為一常態分佈。對照供應商提供資訊--導通粒子數只需 3
顆以上,即可導通,可知該型號的導電粒子數明顯大於此臨界值。
7. 由於 ACF 導電粒子的密度亦是一項價格因素,密度越高,價格也就越
貴,所以經由導電粒子分佈數據估算,ACF 導電粒子的密度應可從原
先的 20000 顆/mm2,下降至 5000 顆/mm2。此資訊可提供為採購的經濟
成本考量,亦可以做為工程人員在選擇規格相近,導電粒子密度較少
的 ACF 替代型號依據。
8. 根據供應商提供之 ACF 固化溫度為 230℃,在本壓著的第 1 秒需達 230
℃的 90%以上的建議。經過 Thermocouple 量測及納入量測誤差考量,
只有 290℃的條件達到要求,這點可與實驗一的信賴性測試結果做一對
應。
9. 經由實測 ACF 受熱溫度曲線,可預測當壓頭溫度為 280℃時,本壓著 時間第 1 秒為 214.2℃、第 2 秒為 229℃、第 3 秒為 234℃、第 4 秒為
236.4℃、第 5 秒為 237.5℃,應當也是符合要求之製程條件。
10. 當壓頭溫度為 290℃,本壓著時間第 3 秒結束時,溫度已達 242.1℃,
因此,我們研判此條件,可能也符合製程品質要求。若是本壓著時間
設定 3 秒,那麼每部機台一天產出數目,就比原先 5 秒的條件多產出
800 片,產出率提昇 26.6%。
綜合以上所述,我們判斷在面板承載溫度為 100℃條件下,COG 製程
的較佳參數為--壓頭壓力 3kg,壓頭溫度 280~290℃,本壓著時間 3~5 秒 。
至於製程參數的最佳搭配,還需進一步的實驗來驗證。
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