1、用于柔性顯示屏的驅動芯片連接技術1柔性顯示背景分析與發展前景1.1 背景分析近半個世紀來，電子信息技術的發展對日常生活的影響有諸多案例，但其中顯示技術的發展帶來的日常生活的變革是最顯而易見的。從首臺基于動態散射模式的液晶顯示器（liquidcrystaldisplay,LCD（約為上世紀70年代），到目前LCD電視的普及、3D電視的熱潮，顯示技術的發展顛覆了我們對傳統陰極射線管（cathoderaytube,CRT顯示器的認知。2012年1-5月，液晶電視銷售額為L331.9萬臺，占彩電銷售總額（1,470萬臺）的90.6%（數據來源：視像協會與AVC,可以毫不夸張地說，目前已經是液晶電視的天

2、下。與傳統的CRT顯示技術相對比，液晶顯示技術的顯著優點已廣為人知，不用贅述。隨著電子技術應用領域的不斷擴展，電子產品已經逐步成為日常生活的必須品，而將更多顯示元素引入家庭和個人環境是未來顯示技術的發展趨勢，目前基于此類的研究正在逐步進行（如飛利浦、索尼、通用已經開始相關技術的研發）。但是剛性、矩形、基于玻璃基板的顯示器件已經顯示出不能滿足設計者對外形的需求，設計人員更趨向于選擇一種可彎曲、可折疊，甚至可以卷曲的顯示器件。與此同時，對產品品質的要求不斷提升，電子產品被要求能承受更多次的“隨機跌落試驗”。而實驗證明基于剛性玻璃基板的顯示器件在試驗中極易損壞，所以在引入全新設計理念的過程中，具有輕

3、薄、不易碎、非矩形等特性的“概念產品”被普遍認為“具有不一般的對市場的高度適應性”。在產品外形方面，與傳統顯示器相比，柔性顯示器具有更結實、更輕薄、樣式新穎的特點，而這些特點對產品設計師和最終用戶都極具吸引力。在制造商方面，柔性顯示器生產時，可以采用新型印刷或者卷繞式工藝進行生產，運輸成本相對低廉，使得制造商具有進步降低生產成本的潛力。在潛在安全性方面，當柔性顯示器破裂時，不會產生可能導致人員受傷的鋒利邊緣，因此相對剛性顯示器而柔性顯示器無疑更加安全。1.2 柔性顯示的發展前景由于柔性顯示技術具有獨特的技術特點，與現有顯示技術相比具有一定的先進性，所以普遍認為，在某些市場中，柔性顯示具有潛在的

4、替代優勢，同時，柔性顯示技術更具開拓全新應用領域的潛力（如軍方將柔性顯示應用于新式迷彩服，而這個領域傳統剛性顯示器件是很難涉及的）。柔性顯示器是一種具備良好的市場前景的新技術，目前用于生產柔性顯示器的顯示技術有十多種，包括傳統的液晶、有機發光顯示（organiclight-emittingdiode,OLED、電致變色、電泳技術等等，據估計全球約有數百家公司正在或即將開始柔性顯示的研發。可以認為，柔性顯示技術的發展將為顯示技術領域注入革命性的創新動力。2現有組裝技術的分析2. 1組裝技術概述作為柔性顯示重要部件之一的驅動芯片，如何與柔性顯示器件相連接是一個值得研究的課題。無論何種顯示技術，最終

5、的顯示畫面依賴于驅動芯片給顯示介質（例如液晶，發光二極管等）提供其所需的信號（電壓信號或電流信號）。已有的芯片組裝和封裝方式有很多種成熟的方案，但在柔性顯示器芯片組裝時，最主要考慮的因素有以下幾點：組裝制程中的壓力和溫度；2）組裝方式的可靠度（包括物理連接可靠度和電性能的可靠度）；組裝中能達到的最小管腳距離（Pinpitch）和最高管腳數量。就目前主流的芯片與目標介質的組裝技術宏觀上可以分為如下4類（由于TFT-LCD的驅動芯片與目標介質組裝技術比較特殊，所以單獨歸為一類）：第一類，微電子封裝技術，是指將晶圓（Wafer）切割后的Chip做成一種標準的封裝形式的技術。第二類，微電子表面組裝技術

6、(SurfaceMountTechnology,簡稱SMTC,是指將圭寸裝后的芯片(IC)成品組裝到目標介質上的技術。第三類，裸芯片組裝(BareChipAssembly),是指將晶圓切割后的Chip直接組裝到目標介質上的技術。第四類，液晶顯示器(TFT-LCD領域特有的芯片封裝和組裝技術(C0F/TCF封裝和ACFbonding技術)。面將逐一介紹各類組裝技術。2.1 微電子封裝技術對于電子設備體積、重量、性能的期盼長久以來一直是促進電子技術發展的源動力，而在微電子領域，對芯片面積減小的期望從未停歇(從某種程度上講，芯片的面積決定芯片的成本價格)，在莫爾斯定律的效應下，芯片電路的集成度以10

7、個月為單位成倍提高，因此也對高密度的封裝技術不斷提出新的挑戰。從早期的DIP封裝，到最新的CSP(Chipscalepackage)封裝，封裝技術水平不斷提高。芯片與封裝的面積比可達1：1.14,已經十分接近1：1的理想值。然而，不論封裝技術如何發展，歸根到底，都是采用某種連接方式把Chip上的接點(Pad)與封裝殼上的管腳(Pin)相連。而封裝的本質就是規避外界負面因素對芯片電路的影響，當然，也為了使芯片易于使用和運輸。以BGA封裝形式為例，通常的工藝流程如圖3所示。通常的工藝流程是首先使用充銀環氧粘結劑將Chip粘附于封裝殼上，然后使用金屬線將Chip的接點與封裝殼上相應的管腳連接，然后使

8、用模塑包封或者液態膠灌封，以保護Chip、連接線(Wirebonding)和接點不受外部因素的影響。另外隨著芯片尺寸的不斷縮小，I/O數量的不斷增加，有時也會使用覆晶方式(FlipChip)將芯片與封裝殼連接。覆晶方式是采用回焊技術，使芯片和封裝殼的電性連接和物理連接一次性完成，目前也有在裸芯片與目標介質的組裝中使用覆晶方式。2.2 微電子表面組裝技術微電子表面組裝技術（surfacemounttechnology,SMTc,又稱表面貼片技術)，一般是指用自動化方式將微型化的片式短引腳或無引腳表面組裝器件焊接到目標介質上的一種電子組裝技術。表面組裝焊接一般采用浸焊或再流焊，插裝元器件多采用浸焊

9、方式。浸焊一般采用波峰焊技術，它首先將焊錫高溫熔化成液態,然后用外力使其形成類似水波的液態焊錫波,插裝了元器件的印刷電路板以特定角度和浸入深度穿過焊錫波峰,實現浸焊，不需要焊接的地方用鋼網保護。波峰焊最早起源于20世紀50年代，由英國Metal公司首創，是20世紀電子產品組裝技術中工藝最成熟、影響最廣、效率最明顯的技術之一。表面貼片元器件多使用再流焊技術，它首先在PCB上采用點涂”方式涂布焊錫膏，然后通過再流焊設備熔化焊錫膏進行焊接。再流焊的方法主要以其加熱方式不同來區別，最早使用的是氣相再流焊，目前在表面組裝工藝中使用最為廣泛的是紅外再流焊，而激光再流焊在大規模生產中暫時無法應用。再流焊中最

10、關鍵的技術是設定再流曲線，再流曲線是保證焊接質量的關鍵，調整獲得一條高質量的再流焊曲線是一件極其重要但是又是極其繁瑣的工作。2.3 裸芯片組裝技術裸芯片組裝是指在芯片與目標介質的連接過程中，芯片為原始的晶圓切片形式(Chip),芯片沒有經過預先的封裝而直接與目標介質連接。常用的封裝形式為COB(ChipOnBoard)形式。co昉式一般是將Chip先粘貼在目標介質表面，然后采用金屬線鍵接的方式將Chip的接點與目標介質上相應的連接點相連接。完成后Chip、金屬連接線、目標介質上的連接點均用液態膠覆蓋，用以隔離外界污染和保護線路。裸芯片組裝還有另一種方式，即覆晶方式。覆晶方式是指在Chip接點上

11、預先做出一定高度的引腳，然后使用高溫熔接的方式，使引腳與目標介質相應位置結合，形成電性的連接。與傳統方式相比，覆晶方式不需要使用金屬線進行連接。TFT-LCD驅動芯片常用的TCP/COF寸裝使用的即是覆晶方式，但是由于TCP/COF寸裝應用領域的特殊性，所以沒有將其歸入裸芯片封裝技術中，而是單獨劃為一類。2. 5液晶顯示器領域特有的芯片封裝和組裝形式由于TFT-LCD顯示電路的特殊性，要求驅動芯片提供更多的I/O端口，所以一般情況下TFT-LCD馬區動芯片封裝多采用TCPTapeCarrierPackage)方式，或者C0F(ChipOnFilm)方式，芯片與TFT-LCD顯示面板連接多采用A

12、CF(AnisotropicConductiveFilm)壓合粘接的方式。TCP/COF多使用高分子聚合材料(PI,polyimide)為基材，在基材上采用粘接或者濺鍍(Spatter)方式使之附著或形成銅箔，然后使用蝕刻方式(Etching)在銅箔上制作出所需要的線路、與Chip連接的內引腳(ILBLead,ILB:InnerLeadBonding)>與TFT-LCD顯示電路連接的外引腳C(OLBLead-C,OLBOuterLeadBonding)、和外部目標介質(多為PCB板)連接的外引腳P(OLBLead-P,OLB：OuterLeadBonding)，最后在所有引腳表面附著一層

13、焊錫。Chip的接點為具有一定高度的金突塊(AuBump,在與Chip連接(Assembly)時，Chip的接點與TCP/COF上的內引腳通過高溫高壓形成金-錫-銅合金，從而達到電性導通的目的，然后使用液態膠灌封。而在與外部目標介質TFT-LCD顯示電路連接時,則采用另一種組裝方式ACF壓合粘接方式(AFCbonding)。ACF膠結構類似于雙面膠，膠體內富含一定密度的導電粒子ConductiveParticle)，導電粒子為球狀，外部為絕緣材料，內部為導電材料。當導電粒子受到外部壓力破裂時，內部導電材料露出，多個破裂的導電粒子連接，可形成電性通路。由于導電粒子破裂時僅受到垂直方向的壓力，加之

14、芯片相鄰接點距離遠大于導電粒子直徑，因此，破裂的導電粒子產生的電性鏈路具有垂直方向導電，水平方向不導電的特性。基于該種特性,ACF膠能使TCP"8為線形式的芯片每根外引腳在水平方向上互相絕緣，不致形成短路，而在垂直方向又能與目標介質實現電性導通。由于ACF膠加熱固化后具有很強的粘合力，所以形成電性導通的同時，可以使COF/TCP與目標介質實現物理連接。TCP/COF封裝形式能支持高達數千的I/O引腳數，因此在TFT-LCD馬驅動芯片領域得到廣泛的應用。當然，隨著成本因素的影響日漸增加，另一種方式C0(GChipOnGlass)也應運而生。與TCP/COF方式唯一的不同點在于，COG方

15、式不需要PI基材，而是使用ACF壓合粘接方式，直接將Chip與TFT-LCD顯示電路連接，因此會更加節省成本。由于在組裝中芯片是晶圓切片形式，所以COC技術也可以認為是一種裸芯片組裝技術。3柔性顯示驅動芯片組裝方安提出3. 1柔性顯示動芯片組裝方案概述基于上述介紹，可將芯片與目標介質連接的技術做如下歸類：第一類為使用金屬線形成電性連接，該種形式多用在常規的芯片和封裝殼組裝、裸芯片COE封裝，可將其歸納為Wirebonding方式。第二類為芯片和目標介質采用焊接的方式形成電性連接，電子表面組裝技術，裸芯片覆晶方式多使用該種技術形式，歸納為可將其焊接方式。第三類為TFT-LCD芯片組裝中經常使用的

16、ACF膠壓合連接方式，可將其歸納為ACFbonding方式。按照上述分類，擬依照不同技術背景，制定不同的芯片與目標介質連接方案，實現驅動芯片與柔性顯示基材的電性連接。具體方案如下：方案1：采用Wirebonding方式。方案2：采用FlipChip方式。方案3：采用ACFbonding方式。需要指出，提出方案時，只討論理論上該方案的可行性，并沒有對該種方案是否具有投入實際生產的可行性做出判斷和論述。面將具體討論三種方案的優劣。3. 2Wirebonding方案目前Wirebonding技術的具體實現步驟如下：首先，在晶圓制程后期使用電鍍方式將Chip的連接點做成金突塊；同時，目標介質上的引線(

17、Lead)上也使用鍍金技術使其附著一定厚度的金；然后使用Wirebonding設備將金屬線的一端熔接(采用超聲波或高溫熔接方式)在金突塊上，另一端采用相同的方式熔接在目標介質的Lead上，從而實現電性的導通。由于金具有良好的延展性和良好的導電性，所以，在Wirebonding的過程中，一般使用高純度金線(99.99%)。當然，目前在一些極低端應用中出于成本的考慮，或者在SOC(SystemOnChip)/SOP(SystemOnPackage)封裝中出于保密的需求，會在某些沒有高頻信號和大電流信號的連接管腳上使用鋁線或者銅線進行Wirebonding。在柔性顯示中使用Wirebonding方案

18、的優勢和劣勢同樣明顯。首先，金是良好的導體，所以在使用金線鍵接時無需擔心傳輸線RC/RH效應對高頻率信號傳輸造成的影響；同時，也不需過多考慮大電流信號在傳輸過程中由于傳輸線本身電阻造成的電壓降效應和熱效應；其次，采用COB方式可以將芯片直接固定在柔性基材上，省去芯片封裝的成本。但是，Wirebonding的劣勢也同樣明顯，第一，一般只有在金含量較高的連接點上才能實現金線和Lead/Pad的熔接；第二，WireBonding要求目標介質能承受一定壓力且不能有太大形變；第三，WireBonding要求目標介質能承受較高溫度；第四，Wirebonding受Wirebonding設備精度的限制，以BG

19、A封裝為例，一般I/O數量為500以內的芯片使用Wirebonding的方式，I/O數量增高，勢必會使單個芯片連接點的尺寸減小，而在I/O數超過500以上時，芯片接點的尺寸會使Wirebonding的成功率大幅下降，而目前的顯示技術恰恰又要求驅動芯片提供更多的I/O數目。所以，綜合分析上述各種因素，只有在低分辨率金屬材質(如用金屬箔為基材的柔性顯示)的柔性顯示方案中才有可能采用Wirebonding的方式進行芯片和柔性基材的鍵接。因此，作為一種連接技術，Wirebonding技術可以使用在柔性顯示中，但是受到Wirebonding技術自身的制約，它在柔性顯示中的應用會受到不小的限制。3.3覆晶

20、方式覆晶封裝方式的應用十分廣泛，由于覆晶方式可以節省Wirebonding的金線成本，同時芯片與封裝殼的距離更近，可以保證高頻信號具有良好的信號品質，所以被大量使用在對信號品質要求較高的CPU芯片封裝中。傳統封裝形式，芯片的最高工作頻率為23GHz而采用覆晶方式封裝，依照不同的基材，芯片的最高工作頻率可達1040GHz覆晶方式的基本做法是在芯片上沉積錫球，然后采用加溫的方式使得錫球和基板上預先制作的Lead連接，從而實現電性連接。可以這樣認為，覆晶方式是焊接方式的提升。應用覆晶方式實現柔性基材和驅動芯片的連接有其獨特之處。首先，芯片與柔性基材直接連接，從電性上考慮，該方式由于省略了封裝中的信號

21、傳輸線，所以可以降低芯片管腳上雜訊的干擾，而從成本角度考慮，由于使用裸芯片，該方式可以節約芯片的封裝成本；其次，當芯片晶背(Chipbackside)減薄到一定程度后(例如將Chip晶背研磨至13Um時,Chip可以彎折,如圖6所示)，Chip會呈現一定程度的柔性，可以在一定程度上實現與顯示基材同步的柔性彎曲。與Wirebonding方式相比，覆晶方式會有其成本上的先天優勢(不需使用金屬線鍵接)，但是覆晶方式也存在一些問題。覆晶方式中會使用錫球工藝，目前出于綠色環保考慮，微電子表面焊接技術中大量使用無鉛焊錫，無鉛焊錫的熔點約在200c以上。而在柔性顯示基材的各種方案中，一般具有良好彎折特性的柔

22、性基材多為有機材料，有機柔性基材所要求的制程溫度范圍一般在150C以內，超過200C的高溫會對柔性顯示基材造成不可逆的損傷。所以，柔性基材不耐高溫的特性與覆晶技術中需要使用的高溫制程存在一定的矛盾。因此，我們可以推測，覆晶方式在柔性顯示的應用領域會受到其制程溫度的限制。綜上所述，覆晶方式多應用于柔性電路板(FlexiblePrintcircuit)與芯片連接或者PCB板直接與芯片連接。當然，在能夠耐受高溫的柔性基材上使用覆晶方式實現驅動芯片與柔性基材的連接也極為可行。3.4ACFbonding方式ACFbonding是目前TFT-LCD領域驅動芯片和顯示基板連接最常用的方式，可以將裸芯片或者T

23、CP/C0F封裝形式的芯片通過ACF膠與目標介質實現電性連接以及物理連接。ACF膠連接方式中，ACF膠電阻率變化曲線依賴于導電粒子密度、導電膠厚度、寬度以及導電膠的固化溫度。本文沒有設計具體實驗測量導電膠電阻率的實際曲線，參考相關文獻，導電膠的電阻率約為5X10-4QXcm而基于TFT-LCDArray線路本身帶給驅動芯片的負載遠大于導電膠引入負載的事實，以及驅動芯片輸出信號對電容類負載比電阻類負載更為敏感的特性，為，ACFbonding方式的電阻率的非線性變化不會為顯示電路引入太多負面因素。而可以認在TFT-LCD中大量使用ACFbonding方式的事實更能說明ACFbonding方式的電性能和可靠度是可以接受的。其次，由于TFT-LCD分辨率的增加，驅動芯片所需的I/O數量也隨之增加。目前主流的DriverIC已可以提供多于1,000channel的輸出I/O。I/O數量的增加直接導致Chi