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ACF一体式查询机触摸屏异方性导电胶的分类、性能、特点、配方及制备方法
- 2019-03-26 -

一体式查询机触摸屏异方性导电胶(AnisotropicConductiveFilm;ACF),是一种基材A与基材B之间涂布贴合,限定电流只能由垂直轴Z方向流通于基材A、B之间的一种特殊涂布物质。目前ACF常用到的例如软式排线、FilmOnGlass(FOG)薄膜软板╱玻璃贴合制程等,不同材质的电极藉由ACF的黏合,同时限定电流只能从黏合方向(垂直方向)导通流动,可以解决一些以往连接器无法处理的细微导线连接问题。

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。

一体式查询机触摸屏导通原理: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。

产品分类:

1.一体式查询机触摸屏异方性导电膏。

2一体式查询机触摸屏.异方性导电膜。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。

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。

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。

对导电性能要求

1)导电粒子的要求是粒子的均一性、低抵抗性、复原率、硬度等。(需根据电极的种类来选择最好的粒子)

2)TCP入力侧用的要求是硬度较高的金属粒子及较低的抵抗值。

3)COG制程的要求是随着LSI的高精密化,点与点间的距离也愈来愈小。

4)对于小面积的产品而言,ACF之中的粒子数有需要增加。若粒子数增加,则邻接端子间短路的防止是必要的.

5)对Binder材料而言,环氧基树脂的材料几乎都使用它。根据它的用途有低温接着性、低吸湿性、repair性、高耐温有各种不同的要求。依各种不同的要求,环氧基树脂的选择也会不同。

6)ACF电气的导通,基本上它是以导电粒子及电极的接触而产生。所以会要求很小的接触抵抗。因此、现今比碳纤维或金属粉更被常使用的是,粒子可固定的接着剂及热膨胀系数的差很小的产品。

7)因为电极表面会有酸化皮膜或产生硬化等的因素,所以有些场合希望使用金属粒子。各类型的选定之中,电极材质的考虑是有必要的。因此、一般而言,TTO电极里,金属电镀树脂粒子、酸化金属电极里金属粒子可说是最被喜爱使用的。

对工艺要求

1)机械强度要求

1.黏着强度;2.可靠度要求;

2)电气性质要求

1.适用电压,电流大小;2.绝缘阻抗;3.接续阻抗

3)ACFthickness:15~45mm

4)Slittingwidth:1.5~3.5mm

5)Length:25,50,100m

ACF发展概况

ACF的组成主要包含导电粒子(微粒的金球)及绝缘胶材两部分,上下各有一层保护膜来保护主成分。金球按一定的比例分布在环氧树脂当中。金球的组成是这样的:金球的最里面是有机塑料球体,第二层是镍,第三层是金。也就是说金包着镍,镍包着塑料。通常这种各向异性导电胶除了环氧树脂、金球以外其中还与另外一种或几种催化剂混合在一起。在特定的温度条件下它会加速反应,在短暂的时间内形成固态(化学反应当中产生一种氨气体)。所以这种各向异性导电胶只能在特点的低温条件下保存。低温保存不是保证它不会化学反应而是延时反应时间而已。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(驱动电路柔性引带)/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。

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到20um左右的凸块脚距。20um的脚距已使ACF横向绝缘的特性备受挑战,FinePitch的技术瓶颈压力似乎已经落在ACF胶材的身上了。

驱动IC外型窄长化---ACF胶材之固化温度须持续降低以减少Warpage效应

当驱动IC以COG形式贴附在LCD玻璃基板上时,为避免占用太多LCD面板的额缘面积,并同时减少IC数目以降低成本,使得驱动IC持续朝多脚数及窄长型的趋势来发展。然而,LCD无碱玻璃的膨胀系数约4ppm/℃远高于IC的3ppm/℃,当ACF胶材加热至固化温度反应后再降回室温时,IC与玻璃基板将因收缩比例不一致而使产生翘曲的情况,此即Warpage效应。Warpage效应将使ACF垂直导通的效果变差,严重时更将产生Mura。Mura即画面显示因亮度不均而出现各种亮暗区块的现象。

为降低Warpage效应,目前解决方案主要仍朝降低ACF的固化温度来着手。以膨胀系数的单位ppm/℃来看,假使ACF固化温度与室温的差距降低,作业过程中IC及玻璃基板产生热胀冷缩的差距比就会越小,Warpage效应也将降低。

ACF固化温度之特性主要受到绝缘胶材的成分所影响。绝缘胶材成分目前以B-Stage(胶态)之环氧树脂加上硬化剂为主流,惟各家配方仍多有差异。在胶材成分方面虽然较无专利侵权的问题,但种类及成分对产品之特性影响重大,故各家厂商均视配方为机密。ACF的许多规格如硬化速度、黏度流变性、接着强度乃至于ACF固化温度等,莫不受到绝缘胶材的成分所决定。目前在诸多特性之中,降低ACF固化温度已成为各家厂商最重要的努力方向,此特性也是关乎厂商技术高低的重要指标。

各向异性导电胶黏剂(ACF)的配方及其制备方法

(1)原材料与配方(单位:质量份)丙烯酸酯橡胶70~80可交联预聚物20~30Au/Ni聚合物导电微球(5um)40~60其他助剂适量

(2)制备方法

①丙烯酸酯橡胶的制备在装有电动搅拌器、回流冷凝管、温度计及恒压滴液漏斗的四口烧瓶中,加入复合乳化剂、适量去离子水和部分单体2一EHA、MMA、AN、HEMA,充分搅拌均匀,得预乳化液。向预乳化液中滴加1/3的引发剂溶液并加热至80~85℃,待乳液出现蓝光时,开始滴加剩余的单体和引发剂溶液,3h内滴完,然后保温1h,降至室温,调节pH值为7~8,制得共聚胶乳。向胶乳中加入电解质凝聚,洗涤,脱水,干燥,得到丙烯酸酯橡胶。

②可交联预聚物的制备a.环氧丙烯酸树脂的合成将环氧树脂、阻聚剂按计量比加人到装有电动搅拌器、回流冷凝管、温度计和滴液漏斗的四口烧瓶中,开启搅拌,通少量N2保护,加热至80℃,开始滴加一定量的AA和催化剂的混合液一,调节滴加速率,1h内滴完,然后升温至90~110℃,反应过程中不断检测酸值,直到酸值<5mgKOH/g时停止反应降温出料,得到环氧丙烯酸树脂。b.可交联预聚物的合成将上述合成的环氧丙烯酸树脂搅拌加热至80℃,按计量比滴加自制的羧基化聚丙烯酸酯溶液,3h内滴完,然后升温至90~110℃,反应过程中每隔_段时间检测酸值1次,当酸值接近理论酸值时停止反应,降温出料,即得可交联预聚物。

③ACF的制备将丙烯酸酯橡胶和可交联预聚物各自配制成一定浓度的溶液,加入一定计量的固化剂,偶联剂、增黏剂和Au/Ni聚合物导电微球,均匀分散后,在SC-1型匀胶机上甩制成膜,处理后制成长10mm、宽2mm、厚20~30um的ACF。