一种异方性导电膜紫外激光邦定装置制造方法
【专利摘要】一种异方性导电膜紫外激光邦定装置包括紫外激光源、光处理器、振镜、石英底座、压头、压力控制装置、程序控制器；该石英底座的材料为紫外光学石英玻璃，呈倒“U”型结构。该压头位于该石英底座的上方；该压力控制装置位于该压头上方，该压力控制装置连接该压头；该程序控制器与该紫外激光源、光处理器、振镜分别连接；所述光处理器对紫外激光源输出的激光进行处理，输出激光矩形束斑；所述的振镜将上述激光矩形束斑经全反射后照射透过该石英底座。本发明装置，在用于光固化型ACF的邦定时无需增加热源装置，在用于热固化型ACF邦定时，升温速度更快，温度控制更准确，缩短了固化时间，提高了工作效率。
【专利说明】一种异方性导电膜紫外激光邦定装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子封装【技术领域】，具体涉及一种异方性导电膜 (Anisotropic-Conductive-Film :ACF)的紫外激光邦定装置，该装置主要要用于COG (Chip-on-Glass，玻璃芯片），FOG (FPC-on-Glass)和 FOF (FPC-on-Film)等微型电路的连 接。
【背景技术】
[0002] 随着电子产品的微型化、柔性化，电子线路越来越密集，线间距越来越小，传统的 锡铅焊接工艺已无法满足上述元器件的连接要求，需要用异方性导电膜（ACF)来实现微电 路之间的连接和导通。
[0003] ACF是一种Z方向导通，XY方向绝缘的异方性导电膜，在利用ACF进行微电路连接 后，上下电路导通，导通电阻通常小于1 Ω，左右电极之间绝缘，其绝缘阻抗达IO8 Ω以上，且 粘结强度大，通常大于5N/cm，连接的可靠性高。异方性导电膜（ACF)的上述特点使其在微 电路连接领域得到越来越广泛应用。
[0004] 目前在利用ACF进行微电路连接的邦定工艺的装置中，有三种类型。一种是用于 热固型ACF连接工艺的热压邦定装置，一种是用于UV光固化型ACF连接工艺的光固化邦定 装置，另外一种是用于热固型ACF连接工艺的超声邦定装置。
[0005] 在上述三种装置中，热压邦定装置是目前广泛采用的ACF微电路连接设备。该 装置热传递途径是：首先由电能转变为热能的发热装置，加热压头，再由升温后的压头加 热1C、FPC (Flexible Printed Circuit,柔性线路板）等上层需要连接的微电路，最后由 加热了的上层连接微电路将热量传递到ACF层。这种热量传递途径升温速度慢，通常需要 13s-20s，温度控制难，热量损失大。
[0006] 对于现有的ACF光固化装置，如中国专利CN 203760001 U，将ACF进行微电路连接 邦定时，先需要压头加热ACF胶至熔融状态，才能更好地进行光固化化反应，所以需要另外 附设加热装置和温度控制装置，这就相当于在现有的热压邦定装置的基础上额外增加了一 套光源装置。
[0007] 对于现有的ACF超声邦定装置，如美国专利US8287670 B2,在邦定时虽然可以快 速升温，但在邦定过程中，因超声振动容易引起连接微电路错位而导致导通电阻增大，甚至 出现导通失败；超声设备易产生噪声而污染环境。
【发明内容】
[0008] 本发明要解决的技术问题在于：克服现有的ACF邦定装置存在的缺陷，提出一种 异方性导电膜紫外激光邦定装置，既可用于光固化型ACF的邦定，也可用于热固化型ACF邦 定，且无需增加热源装置，升温速度更快，温度控制更准确，缩短了固化时间，提高了工作效 率。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种异方性导电膜紫外激光 邦定装置，其包括紫外激光源、光处理器、振镜、石英底座、压头、压力控制装置、程序控制 器； 该石英底座的材料为紫外光学石英玻璃，呈倒"U"型； 该压头位于该石英底座的上方； 该压力控制装置位于该压头上方，该压力控制装置连接该压头； 该程序控制器与该紫外激光源、光处理器、振镜分别连接，该程序控制器能够控制该 紫外激光源、光处理器、振镜； 所述光处理器对紫外激光源输出的激光进行处理，输出激光矩形束斑； 所述的振镜将上述激光矩形束斑经全反射后照射透过该石英底座。
[0010] 上述技术方案的进一步限定在于，该紫外激光源的紫外光波长范围在 180nm-400nm;该石英底座的透光波段180nm-2500nm，紫外光的波长范围100nm-400nm。 toon] 上述技术方案的进一步限定在于，该光处理器对紫外激光源输出的激光进行处 理，包括：A、扩束，源激光束呈圆形光束，直径只有几微米到几十微米，必须进行扩束处理， 放大激光光束；B、在扩束之后对激光光束进行整形，使之呈矩形输出；C、激光光场均匀 化，即在扩束、整形的之后使激光光束的光场均匀化，使其输出的激光矩形束斑的横截面上 各点的能量一致；经过光处理器后的激光矩形束斑强度均匀，激光矩形束斑照射区域内温 度升幅一致。
[0012] 上述技术方案的进一步限定在于，该振镜将激光矩形束斑经全反射后照射在放置 在石英底座和压头之间的异方性导电膜上的同时，通过振镜的运动使激光矩形束斑沿异方 性导电膜的长度方向扫描。
[0013] 上述技术方案的进一步限定在于，激光矩形束斑的长度大于异方性导电膜的宽度 Imm左右，激光矩形束斑的宽度与长度之比不小于1/7。
[0014] 上述技术方案的进一步限定在于，该程序控制器利用程序设定和调控紫外激光源 的功率和激光照射时间、利用程序设定控制激光处理器输出的激光矩形束斑的长和宽、利 用程序设定控制该振镜偏转角度和扫描频率。
[0015] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 本发明异方性导电膜紫外激光邦定装置，可用于光固化型ACF的邦定，也可用于热固 化型ACF邦定。
[0016] 本发明异方性导电膜紫外激光邦定装置，利用激光穿过石英底座和ITO玻璃或 ITO膜直接照射在ACF层，ACF直接吸收激光光能而使ACF快速升温到熔融或固化所需温 度，升温速度快，热传导路程短，热能损失小。又因激光功率和照射时间易于控制，所以温度 控制准确。对于光固化型ACF的邦定也无需另外附设加热装置。在邦定过程中，本发明装 置既没有振动，也不会产生噪声，邦定质量好，生产效率高，环境友好。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本发明异方性导电膜（ACF)紫外激光邦定装置的结构图。
[0018] 图2为激光扫描ACF时激光矩形束斑与ACF的相对位置的示意图。
[0019] 图3为石英底座材料的透光光谱图。
[0020] 图4为石英底座呈倒"U"形设计的结构示意图。
[0021] 图5为激光热固化时的温升曲线。
[0022] 图6为激光热固化时的激光设定功率与时间曲线。
【具体实施方式】
[0023] 如图1所示，本发明提出一种异方性导电膜（ACF)紫外激光邦定装置，其包括紫外 激光源10、光处理器11、振镜12、石英底座13、压头17、压力控制装置18、程序控制器20。
[0024] 该石英底座13整体呈倒"U"形结构(如图4所示)，该底座的厚度是d。
[0025] 该石英底座13的材料是紫外光学石英玻璃（JGS2)，其透光波段180nm-2500nm，紫 外光的波长范围l〇〇nm-400nm。
[0026] 该压头17位于该石英底座13的上方。
[0027] 该压力控制装置18位于该压头17上方，该压力控制装置18连接该压头17。
[0028] 使用过程中，在该石英底座13和该压头17之间从下向上依次放有透明ITO (氧 化铟锡）玻璃或ITO (氧化铟锡）膜14、ACF (异方性导电膜）15和FPC (Flexible Printed Circuit,柔性线路板）或IC16。
[0029] 该FPC或IC 16和ITO玻璃或ITO膜14电极对好位后，压力控制装置18开始对 压头17施压，然后紫外激光源10开始照射，激光光束通过光处理器11进行扩束、整形、光 场均匀化处理，输出激光矩形束斑19 (激光矩形束斑19的长度须大于ACF 15的宽度Imm 左右，激光矩形束斑19的宽度与长度之比不小于1/7)，经过振镜12反射后，激光矩形束斑 19穿过倒"U"形的石英底座13以及透明的ITO玻璃或ITO膜14,然后照射在ACF 15上， 将激光矩形束斑19沿ACF 15的长度方向扫描(如图2所示)，ACF 15吸收激光光能发热快 速升温。扫描角度根据ACF 15的长度设定，扫描范围超过ACF 15的长度即可，扫 描速率控制在500mm/s-1000mm/s〇
[0030] 该程序控制器20与该紫外激光源10、光处理器11、振镜12分别连接，该程序控 制器20能够控制该紫外激光源10、光处理器11、振镜12。
[0031] 光固化时，使得ACF 15短时间内（0.5s)到达熔融温度，同时UV光引发ACF 15中 的光固化剂，实现ACF固化。
[0032] 热固化时，使得ACF 15快速升到固化温度，通常时间〈1.0s。同时引发热固化剂， 实现ACF固化。
[0033] 在上述邦定过程中，当ACF胶处于熔融状态时，压力控制装置18在激光照射前对 该压头17施压，当ACF胶处于熔融状态时，该压力使得导电微球在电极间变形，增大了导通 接触面积，因此，固化后上下连接电路获得良好的导通性。
[0034] 所述的紫外激光源10是紫外光源，该紫外光波长范围在180nm-400nm，该波长选 取需根据ACF 15中光固化剂的引发波长和石英底座的透光波长范围来确定；照射在ACF 15上的功率范围为150mw-10, OOOmw，为脉冲型激光，功率设定和变化以及照射时间由程序 控制器20控制，在线连续可调，输出功率稳定度±2%。
[0035] 所述光处理器11，对紫外激光源10输出的激光进行处理，功能包括： A、 扩束。源激光束呈圆形光束，直径只有几微米到几十微米，必须进行扩束处理，放大 激光光束； B、 在扩束之后对激光光束进行整形，使之呈矩形输出。矩形的长和宽的值在几毫米到 厘米的量级，通常宽和长的比不小于1/7。由于扩束困难，通常激光矩形束斑19长度尽可能 短，大于ACF 15的宽度Imm左右即可。激光矩形束斑19的长度方向垂直于ACF 15的长 度方向，激光矩形束斑19长度数值应比ACF 15宽度数值略大(见图2所示）； C、激光光场均匀化，使其输出的激光矩形束斑19横截面上各点的能量一致。
[0036] 所述的振镜12,其作用是将激光矩形束斑19经全反射后照射在ACF 15上，并且通 过振镜12使激光矩形束斑19沿ACF 15长度方向扫描(见图2所不)。由于ACF 15的长度 通常小于200 mm，而振镜12的扫描速度高达500mm/s-2,000 mm/s，所以可以认为ACF 15 在长度方向上受辐照的强度基本一致，接受辐照的时间先后基本相等，因此ACF 15受热均 匀，UV照射也同样均匀，光固化反应或热固化反应均匀进行。
[0037] 激光矩形束斑19穿过石英底座13时将发生反射、吸收和透射现象，反射和吸收会 导致激光能量损失。其能量公式为：Ελ|? =Efili +Emi +Eiaii，由于石英的透过性好，反射光少， 因 Efili造成的激光能量损失可忽略不计。根据布格尔（朗伯)定理，Esm= EAlieTd，a为石 英玻璃的吸收常数，d为光线透过的距离，由上式知道，d的大小对透射能量影响很大，d越 小透射能量越大。为了减少激光在石英中的损失，应尽可能缩短透射距离d，将石英底座加 工成倒"U"形，使得光路通过底座的路程缩短，从而达到透射光能量最大化。同时又要保证 石英底座13具有足够厚度承受邦定压合时所施加的压力，所以将石英玻璃制造成倒"U"形 结构。
[0038] 所述的程序控制器20,其功能包括： A、 设定和调控该紫外激光源10功率和照射时间； B、 设定和控制该光处理器11输出的激光矩形束斑19的长和宽； C、 设定和控制该振镜12偏转角度和扫描频率。
[0039] 激光照射光固化型ACF时，先将ACF瞬时加热到熔融温度60°C _150°C，通常不超 过0. 5s，然后通过程序控制减少激光功率到原来的1/10-1/5,提供的热量仅用来保持熔融 温度，同时UV光引发光固化剂，使ACF发生固化反应，约3s-10s固化反应结束。当ACF达 到熔融温度后，如果不适当降低功率，会导致持续升温，就会出现因温度过高导致ACF过固 化和连接微电子元器件损坏。
[0040] 激光照射热固化型ACF时，先将ACF加热至熔融温度，通常小于0. 5s，然后保持该 温度ls-2s，然后继续升温到固化温度，所有升温时间控制在3s内，然后通过程序控制减少 激光功率到原来的1/10-1/5,提供的热量仅用来保持固化温度。如果不适当降低功率，会导 致持续升温，就会出现因温度过高导致ACF过固化和连接微电子元器件损坏。
[0041] 在上述光固化和热固化的过程中，当ACF处于熔融状态时，ACF对粘结界面具有 更好的润湿性，使得固化反应更均匀，有利于提高粘结强度。
[0042] 光固化型ACF的胶黏剂引发剂为UV引发剂。引发剂的波长与激光波长相对应。 ACF胶黏剂的熔融温度通常为80°C _130°C，熔融温度的到达时间，取决于聚合物的熔融温 度和激光的功率。通过DIL-热膨胀仪测得胶黏剂的熔融温度；通过实验，测出达到熔融温 度的激光功率和时间；以及测出后续激光照射功率(保持恒温）和时间（UV照射)，使得ACF 的固化率达到80%-85%。
[0043] 热固化型ACF异方性导电胶的熔融温度和固化温度由胶黏剂的组分确定，相应 地，通过DIL-热膨胀仪测得热固化型ACF胶黏剂的熔融温度；通过实验，测出达到熔融温度 的激光功率和时间；以及测出后续激光照射功率(保持恒温）和时间，使得ACF的固化率达 到 80%-85%。
[0044] 激光功率的计算方法：利用公式Η=λ ·π!· Λ t，H为温度升高需要吸收的热量， λ为ACF的比热（由DSC测得)，m为ACF的质量（由十万分之一天平测得)，At为温度差。
[0045] 在激光发射至照射在ACF的光路上，激光能量穿过空气和石英底座13以及透明的 ITO玻璃或ITO膜14都有能量损失。大约损失20%。H修正为H'=H/ (1-20%)。
[0046] 激光扫描时，光束矩形束斑扫描的长度和宽度的数值比ACF的长度和宽度大，浪 费了能量，导致功率损失。H修正为H"=H'/ (ACF面积/照射面积)。
[0047] H修正为H" =H' / (ACF面积/照射面积)。
[0048] 通过计算，通常ACF激光固化时的激光源功率5W-10W。
[0049] 下面是应用本发明异方性导电膜（ACF)紫外激光邦定装置进行光固化型ACF升温 到熔融温度激光功率计算和固化时间测定的实例： ACF称重，为了称重精确，取40cm长、2mm宽、厚度25 μ m的ACF (采用深圳市飞世尔 实业有限公司的Fisher ACF 6010-UV)称重，m=0.02031g，得出IOcm长的该ACF重量约 0. 005g〇
[0050] ACF比热测定：将一定长度和宽度的ACF准确称量，将该ACF在DSC中测定其比热。 DSC 升温速度为 10°C/min。测得上述 Fisher ACF 6010-UV 的比热为 A=L 975J/ (g.°C) ACF熔融温度测定：经热膨胀仪DIL402C测定上述Fisher ACF 6010-UV的熔融温度为 117°C_125°C。若要将该ACF从25°C室温升高到熔融温度125°C，则Λ t =100°C。
[0051] 该ACF从25 11C升温到125 11C所需的热量：Η=λ · m · Δ t =1. 975X0. 005 X 100=987. 5 m J 激光穿过空气、振镜12、石英玻璃底座13以及ITO玻璃或ITO膜14,所有能量大约损 失20%，紫外激光源10的发热量应修正为Hl=H/ (1-20%) =1234 m J。
[0052] ACF的面积为10 X 0· 2cm=2cm2，扫描面积（12cmX 0· 3cm，矩形束斑在ACF的长度 上长2臟，宽度上宽lmm) =3. 6cm2，扫描面积大于ACF面积，所以热量有所损失，紫外激光源 10的发热量应修正为H2=H1/ (2/3. 6) =222L 2 m J. 第一次照射时间为〇. 5s，所以功率=H2/0. 5=4442. 4mW。
[0053] 选取激光源功率为8 W，波长355nm，全固态紫外激光器。第一次照射功率为 4500mW，照射时间为0. 5s。照射在ACF 15上的功率密度为4500/3. 6=1250 mj/cm2。
[0054] 在熔融状态保持恒温的激光能量(第二次照射功率）需要实际测量。ACF和本压 系统的散热性能不同（ΙΤ0玻璃和ITO膜的散热特性不同），保持恒温时需要的热量不同， 上述ACF在熔融状态下的保温大约需要150 m J的激光照射。照射时间为9s，测得固化率 (PerkinElmer DSC 8500)为 81. 3%。
[0055] 全反射振镜的扫描速率600mm/s。
[0056] 下面是应用本发明异方性导电膜（ACF)紫外激光邦定装置进行热固化型ACF升温 到熔融温度和固化温度所需激光功率的梯度计算和固化时间测定的实例： ACF称重，为了称重精确，取40cm长、2mm宽、厚度25 μ m的ACF (采用深圳市飞世尔实 业有限公司的Fisher ACF 6005)称重，m=0.0235g，得出IOcm长的该ACF重量为0.0059g。
[0057] ACF比热测定：将一定长度和宽度的ACF准确称量，将该ACF在DSC中测定其比热。 DSC 升温速度为 10°C/min。测得上述 Fisher ACF 6010-UV 的比热为 A=L918J/ (g.°C) ACF熔融温度测定：经热膨胀仪DIL402C测定上述Fisher ACF 6010-UV的熔融温度为 117°C_125°C。若要将该ACF从25°C室温升高到熔融温度125°C，则At=100°C。
[0058] ACF 从 25 °C 升温到 125 °C 所需热量：H= λ · m · Λ t =1. 918X0. 0059X 100=1131. 6mJ。
[0059] 激光穿过空气、振镜12、以及石英底座13、ITO玻璃或ITO膜14,能量大约损失 20%，紫外激光源的热量 Hl= ΗΛ?-20%) =1414. 5mJ。
[0060] ACF的面积为10X0. 2cm = 2cm2，扫描面积（12cmX0. 3cm，矩形束斑扫描长度比 ACF的长度上长2mm，宽度上宽lmm) =3. 6cm2，扫描面积大于ACF面积，所以热量有所损失， 紫外激光源的发热量应修正为H2= (Hl/ (2/3. 6)=2546. I mj。
[0061] 由室温（25°C)升温到125°C的时间为0.5s，所以紫外激光源的功率为 2546.1/0. 5=5092mW。
[0062] 选取激光功率为8 W，波长355nm，全固态紫外激光器。第一次照射功率设定为 5. 1W。照射ACF 0. 5s，ACF升温到熔融状态。
[0063] 在熔融状态保持恒温的激光能量(第二次照射功率）需要实际测量，上述ACF在熔 融状态下的保温大约需要150mW的激光功率。保持2s照射，使ACF绝缘胶黏剂保持熔融状 态，提供更好的润湿性能，从而提高粘结强度。
[0064] 振镜12的扫描速率600mm/s。
[0065] ACF 6005 从 125°C 升温到 185°C 所需热量 Η3=λ · m · At=L 918 Χ0· 0059X (185 - 125) =678. 9mJ。
[0066] ACF温度从125 °C上升到185 °C，设定时间0. 5s，需要的激光功率 H3/0. 5=1357. 9mW，考虑光路损失和面积放大损失同前所述，功率修正为W2= (1357. 9/ (1-20%) )/ (2/3. 6)=3055. 2mW。设定第二段照射功率度为3. 1W，照射时间为0. 5s ;全反射 镜的扫描速率600mm/s。
[0067] 温度保持185°C，激光功率降为150mW，持续照射7s，测得固化率为82. 5%。
[0068] 热固化ACF温度上升和时间表(表一）
【权利要求】
1. 一种异方性导电膜紫外激光邦定装置，其特征在于，其包括紫外激光源、光处理器、 振镜、石英底座、压头、压力控制装置、程序控制器； 该石英底座的材料为紫外光学石英玻璃，呈倒"U"型； 该压头位于该石英底座的上方； 该压力控制装置位于该压头上方，该压力控制装置连接该压头； 该程序控制器与该紫外激光源、光处理器、振镜分别连接，该程序控制器能够控制该 紫外激光源、光处理器、振镜； 所述光处理器对紫外激光源输出的激光进行处理，输出激光矩形束斑； 所述的振镜将上述激光矩形束斑经全反射后照射透过该石英底座。
2. 根据权利要求1所述的一种异方性导电膜紫外激光邦定装置，其特征在于，该紫外 激光源的紫外光波长范围在180nm-400nm ;该石英底座的透光波段180nm-2500nm，紫外光 的波长范围l〇〇nm-400nm。
3. 根据权利要求1所述的一种异方性导电膜紫外激光邦定装置，其特征在于，该光处 理器对紫外激光源输出的激光进行处理，包括；A、扩束，源激光束呈圆形光束，直径只有几 微米到几十微米，必须进行扩束处理，放大激光光束；B、在扩束之后对激光光束进行整形， 使之呈矩形输出；C、激光光场均匀化，即在扩束、整形的之后使激光光束的光场均匀化，使 其输出的激光矩形束斑的横截面上各点的能量一致；经过光处理器后的激光矩形束斑强度 均匀，激光矩形束斑照射区域内温度升幅一致。
4. 根据权利要求1所述的一种异方性导电膜紫外激光邦定装置，其特征在于，该振镜 将激光矩形束斑经全反射后照射在放置在石英底座和压头之间的异方性导电膜上的同时， 通过振镜的运动使激光矩形束斑沿异方性导电膜的长度方向扫描。
5. 根据权利要求4所述的一种异方性导电膜紫外激光邦定装置，其特征在于，激光矩 形束斑的长度大于异方性导电膜的宽度1mm左右，激光矩形束斑的宽度与长度之比不小于 1/7。
6. 根据权利要求1所述的一种异方性导电膜紫外激光邦定装置，其特征在于，该程序 控制器用于设定和调控紫外激光源的功率和激光照射时间、用于设定和控制激光处理器输 出的激光矩形束斑的长和宽、用于设定和控制该振镜偏转角度和扫描频率。
【文档编号】G05B19/04GK104460379SQ201410746474
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月9日 优先权日:2014年12月9日
【发明者】龚火烘, 刘呈贵, 赵昌后, 万贤飞, 肖仁亮 申请人:深圳市飞世尔实业有限公司