COG焊接設(shè)備的研制及未來發(fā)展方向

1 研究目的

移動電子產(chǎn)品和大屏幕顯示器的普及，推動了低成本、高密度與海量化電子生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展。大尺寸電子產(chǎn)品如液晶顯示器，液晶電視，等離子電視，中小尺寸電子產(chǎn)品如手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼攝像機(jī)以及其它3C產(chǎn)品等都是以輕薄短小為發(fā)展趨勢，這就要求必須有高密度，小體積，能自由安裝的新一代封裝技術(shù)來滿足以上需求。而COG與COF技術(shù)正是在這樣的背景下迅速發(fā)展壯大，成為LCD，PDP等平板顯示器的驅(qū)動IC的一種主要封裝形式，進(jìn)而成為這些顯示模組的重要組成部分。同時，配合各向異性導(dǎo)電膠封裝技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域正在迅速擴(kuò)大，在RFID、醫(yī)療電子器械、移動個人電子產(chǎn)品和其他微型電子產(chǎn)品中均得到了應(yīng)用。顯示器用途廣泛，幾乎所有的信息產(chǎn)品都要使用顯示器。顯示器有很多種，目前以彩色電視機(jī)和彩色顯示器為代表的CRT器件無論從規(guī)模數(shù)量，還是從產(chǎn)值上占絕對統(tǒng)治地位。近十年來，各種新型顯示器件（主要是平板顯示器）相繼涌現(xiàn)，液晶顯示器（LCD）、等離子體顯示器（PDP）的市場份額不斷增加。另外，F(xiàn)ED（場致電子顯示器）、VFD（真空熒光顯示器）、LED（發(fā)光二極管顯示器）、DMD（數(shù)字微鏡顯示器）、OELD（有機(jī)顯示器）等都表現(xiàn)出市場的生命力。此外以液晶顯示器為代表的平板顯示器也在快速發(fā)展，雖然液晶顯示器的產(chǎn)值還不及傳統(tǒng)的CRT顯示器，但預(yù)測到2005年液晶顯示器的產(chǎn)值將達(dá)到CRT器件的2～3倍。

由于在手機(jī)液晶模塊方面，中國大陸也已成為全球最大的生產(chǎn)地區(qū)；從2001年開始，在降低生產(chǎn)成本的驅(qū)動下，全球各大手機(jī)巨頭將制造中心轉(zhuǎn)移到中國大陸，目前幾乎全球所有的手機(jī)液晶模塊制造商都已經(jīng)把生產(chǎn)工廠遷移到中國大陸。在這個巨大的產(chǎn)業(yè)中，液晶模塊產(chǎn)業(yè)才是關(guān)鍵，而上游原材料供應(yīng)與下游終端產(chǎn)品手機(jī)技術(shù)含量在其次。所以，新型顯示器件及材料是我國電子元件行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，包括發(fā)展中小尺寸STN-LCD屏及模塊，筆記本電腦和monitor用彩色 TFT-LCD，COG、TCP驅(qū)動IC，LCOS微顯示技術(shù)。

COG是制造液晶顯示模塊LCM （LiquidCrystal Display Module）的關(guān)鍵技術(shù)之一，是采用各向異性導(dǎo)電薄膜ACF （Anisotropic ConductiveFilm）和熱壓焊工藝，將精細(xì)間距的IC粘貼封裝到玻璃基板上，實(shí)現(xiàn)IC和玻璃基板的電氣和機(jī)械互連的一種先進(jìn)工藝設(shè)備。COG組裝工藝設(shè)備是今后IC與玻璃基板連接的主要設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于平板顯示器行業(yè)，特別是液晶模塊的組裝。

COG組裝工藝設(shè)備主要涉及溫度控制技術(shù)、IC精密對位技術(shù)、精密壓力控制技術(shù)及CCD應(yīng)用技術(shù)等。

COG 組裝工藝設(shè)備的研制將有力地填補(bǔ)我國在此領(lǐng)域的產(chǎn)品空白。通過本項(xiàng)目的實(shí)施，可以使國內(nèi)模塊生產(chǎn)企業(yè)以較低的價格配備先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)，有助于完善平板顯示器模塊組裝設(shè)備的配套能力，從而極大地提升模塊產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)檔次，提高市場競爭力。此外，一旦實(shí)施該項(xiàng)目，研制出COG組裝工藝設(shè)備，不僅僅可以每年為國家節(jié)約大量的外匯，對我國平板顯示（FPD）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展同樣具有巨大的推動作用。

由COB（Chip On Board）制造工藝轉(zhuǎn)向COG（Chip On Glass）制造工藝，使LCM產(chǎn)品不斷向小型化、高度集成化、簡易化的方向發(fā)展，增加產(chǎn)品的技術(shù)含量，提高產(chǎn)品市場競爭能力，縮小產(chǎn)品體積、提高組裝密度、降低成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。日東電子科技（深圳）有限公司的核心競爭能力主要表現(xiàn)在4個方面：一是先進(jìn)的設(shè)計制造技術(shù)；二是強(qiáng)大的市場營銷和服務(wù)能力；三是自主創(chuàng)新和快速研制生產(chǎn)的能力；四是成本競爭能力。該公司不斷強(qiáng)化在這4個方面的優(yōu)勢，正是在這4個方面的優(yōu)勢，使其液晶顯示產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。

2 研發(fā)內(nèi)容

COG 工藝是一種采用各向異性導(dǎo)電膜ACF和熱壓焊工藝將集成電路貼裝在顯示屏的玻璃基板上，實(shí)現(xiàn)IC芯片與玻璃基板的電氣和機(jī)械互聯(lián)的封裝工藝，是目前消費(fèi)電子產(chǎn)品LCD顯示屏最先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、PDA、MP3、PMP等產(chǎn)品。采用COG工藝可縮小產(chǎn)品體積、提高組裝密度、降低成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

對COG工藝的需求有：（1）確保定位精確。

2.1 理論方法研究和關(guān)鍵技術(shù)分析

運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計理論和方法，包括：機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)的分析、仿真與優(yōu)化。建立多工藝過程模型、多維參數(shù)耦合模型、鍵合機(jī)理和模型、電氣互聯(lián)性能模型、機(jī)械互聯(lián)強(qiáng)度模型。開發(fā)高定位精度的COG工藝過程所涉及的各種運(yùn)動學(xué)模型、動力學(xué)模型、控制模型及其相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。研究溫度、壓力和定位精度等參數(shù)下 ACF的影響規(guī)律、產(chǎn)生電氣互聯(lián)的效果、機(jī)械互IC芯片面積小，但I(xiàn)／O端數(shù)量多。要想使IC與LCD玻璃板之間的線路很好的連通，就需要對IC和LCD 進(jìn)行非常精確的定位，保證足夠的定位精度。（2）良好的電氣聯(lián)通性能。通過ACF導(dǎo)電膠使芯片引腳同LCD焊盤實(shí)現(xiàn)電氣連接。焊盤越來越小，線距越來越近，電氣聯(lián)通性能至關(guān)重要。（3）牢固的機(jī)械聯(lián)接性能。良好的機(jī)械聯(lián)接性能可以保證電氣聯(lián)通性能的長期可靠。（4）高效、優(yōu)質(zhì)的工作性能。COG工藝過程穩(wěn)定可靠，操作簡便，產(chǎn)品的質(zhì)量有保障，生產(chǎn)速度快。為此，本項(xiàng)目開展COG過程中的主要成套設(shè)備的研發(fā)，包括基于COG工藝需求的相關(guān)理論方法和分析模型的研究，建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝規(guī)律及協(xié)同控制方法，開發(fā)ACF貼附機(jī)、預(yù)壓機(jī)、本壓機(jī)和自動COG封裝機(jī)等COG生產(chǎn)過程中的核心設(shè)備，同時開展產(chǎn)業(yè)化研究，見圖1。聯(lián)的強(qiáng)度等，研究適應(yīng)電氣互聯(lián)距離進(jìn)一步減少趨勢下的封裝工藝。為COG封裝工藝優(yōu)化和精確控制，為COG系列設(shè)備的設(shè)計和開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

通過計算機(jī)控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度工藝要求下的ACF、IC芯片和玻璃基板的粘貼動作的形成和協(xié)調(diào)等問題。

2.2 COG關(guān)鍵裝備的研制開發(fā)

ACF貼附機(jī)的作用是提供一個平臺，使各向異性導(dǎo)電膜ACF貼附到玻璃顯示屏基板上。ACF是以最大直徑為150 mm的卷狀安裝在貼附機(jī)上，卷寬為1～6 mm。玻璃基板的尺寸為20 mm×15 mm～80 mm×80 mm，厚度0.3～1.1 mm。

ACF 在驅(qū)動裝置的作用下，完成供給、剪切和剝離等動作。供給由電機(jī)提供動力，剪切剝離由氣缸提供動力。在支持平臺上，熱壓頭由氣缸驅(qū)動垂直運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)ACF和玻璃基板的貼附。在上述貼附過程中，熱壓頭的溫度通過PID等方式精密恒溫控制。溫度約為200℃，可以1℃為單位精確設(shè)定。同時熱壓頭的壓力也可精確控制和調(diào)整。特別重要的是熱壓頭和支持平臺的壓合位置精度，例如平面度必須保持在±6μm以內(nèi)。ACF貼附機(jī)的原型機(jī)如圖2所示。

ACF貼附機(jī)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)在于：精密機(jī)械動作的協(xié)調(diào)與控制、高精度的溫度和壓力控制。預(yù)壓機(jī)（見圖3）的作用是使IC芯片與貼附了ACF的玻璃顯示屏基板預(yù)貼附成一體。IC芯片的尺寸為：3 mm×1 mm～30 mm×5 mm，厚度為0.3～0.7 mm。

IC芯片裝在磁盤平臺上，在x和y方向通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。支持平臺支承著玻璃基板。對位平臺在x，y和θ方向可精密微調(diào)，以便調(diào)節(jié)IC芯片和玻璃基板之間的位置。采用CCD、LED光源、鏡頭等硬件和軟件組成的圖像識別和控制系統(tǒng)確保定位精度小于±3μm。

在完成芯片的精密定位后，熱壓頭垂直移動，完成芯片的預(yù)壓合動作。壓力范圍為9.8～98.0 N可調(diào)。特別重要的是要確保壓合過程芯片所保持的定位精度，即壓合過程無任何滑移。

通過預(yù)壓將IC芯片邦定在LCD玻璃板上，使IC與LCD玻璃板之間的線路連通。IC芯片面積小，但I(xiàn)／O端數(shù)量多。要使IC與LCD玻璃板之間的線路很好的連通，就需要對IC和LCD進(jìn)行非常精確的定位，保證足夠的定位精度。

預(yù)壓機(jī)開發(fā)的關(guān)鍵在于：微米級的高定位精度、圖像處理的速度與精度、微量運(yùn)動的調(diào)節(jié)和補(bǔ)償。

本壓機(jī)是最后完成芯片與玻璃基板貼合生產(chǎn)出合格的液晶顯示屏模塊的設(shè)備。本壓機(jī)和液晶顯示屏模塊分別如圖4、5所示。

本壓機(jī)的壓合溫度高于預(yù)壓機(jī)為400℃，可以1℃為單位精密調(diào)節(jié)，PID恒溫控制。壓力范圍為17.2～294.0 N，可精確調(diào)整。熱壓頭可在垂直方向精確控制并移動，驅(qū)動方式為氣缸提供動力。熱壓頭與支持平面的平面度要求高，應(yīng)保持在±2μm內(nèi)。支持平臺支承玻璃基板，度高也可精密調(diào)節(jié)。

本壓機(jī)開發(fā)的關(guān)鍵在于：運(yùn)動精度、溫度的穩(wěn)定性和壓力的精確性控制。

自動COG封裝機(jī)是．ACF貼附、預(yù)壓、本壓一體化高效COG封裝設(shè)備，同時裝備有圖像檢測定位系統(tǒng)和三坐標(biāo)程控調(diào)節(jié)功能，有兩個壓頭，適用于多芯片封裝?？蓮V泛應(yīng)用于177.8 mm以下STN、CSTN、TFT液晶模組批量生產(chǎn)。 綜上所述，COG工藝過程所用的ACF貼附機(jī)、預(yù)壓機(jī)和本壓機(jī)可以使芯片貼焊到玻璃板上，線距10～30μm，最小連接面積1 600μm2，粘著力強(qiáng)度可靠。因此研究內(nèi)容包括：

（1）開展ACF貼附、預(yù)壓和本壓原型機(jī)的實(shí)驗(yàn)分析；

（2）開展多工藝過程模型、多參數(shù)耦合模型、鍵合機(jī)理和模型、電氣互聯(lián)性能模型、機(jī)械互聯(lián)強(qiáng)度模型等關(guān)鍵技術(shù)的分析與仿真；

（3）各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、性能分析與優(yōu)化；

（4）計算機(jī)圖像識別的定位系統(tǒng)開發(fā)、定位精度控制技術(shù)、定位準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性問題；

（5）研究與溫度控制相關(guān)的參數(shù)變化規(guī)律及其優(yōu)化方法，開發(fā)PID恒溫控制系統(tǒng)；

（6）研究與壓力控制相關(guān)的工藝影響因素及其控制方法；

（7）開展運(yùn)動、溫度、壓力等多參數(shù)與COG質(zhì)量變化規(guī)律及協(xié)同控制方法的實(shí)驗(yàn)；

（8）分析和研究精密驅(qū)動電機(jī)與氣動元件在COG工藝中應(yīng)用的性能匹配和優(yōu)化問題；

（9）研究關(guān)鍵零件制造工藝、熱處理和表面處理工藝；

（10）其他相關(guān)工藝的研究，如熱壓頭、支持平臺采用特殊的工藝和材料的相關(guān)研究，以確保尺寸穩(wěn)定。

3 技術(shù)難點(diǎn)

（1）如何通過理論研究建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；

（2）綜合考慮多工藝多參數(shù)與COG質(zhì)量的關(guān)系，開展實(shí)驗(yàn)研究，建立多參數(shù)耦合的工藝影響規(guī)律和協(xié)同控制方法，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力和定位精度等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置；

（3）如何適應(yīng)電氣互聯(lián)距離不斷減小的趨勢，開展先進(jìn)封裝工藝的研究。

4 創(chuàng)新的突破點(diǎn)

（1）提出多工藝過程模型、多維參數(shù)耦合模型、鍵合機(jī)理和模型、電氣互聯(lián)性能模型、機(jī)械互聯(lián)強(qiáng)度模型，解決提高封裝工藝與質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)問題；

（2）基于理論研究成果和多參數(shù)協(xié)同控制方法，解決ACF貼附機(jī)、預(yù)壓機(jī)、本壓機(jī)和自動COG封裝機(jī)開發(fā)中的結(jié)構(gòu)、工藝和控制問題，實(shí)現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備；

（3）有效提高COG設(shè)備的芯片貼焊精度，在x方向達(dá)±3μm，y方向達(dá)±3μm。

5 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和成果

對照目前國內(nèi)外同類COG成套設(shè)備的發(fā)展水平以及市場的需求，本項(xiàng)目研發(fā)的ACF貼附機(jī)、預(yù)壓機(jī)和本壓機(jī)將達(dá)到的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和水平為：

（1）LCD顯示屏玻璃基板尺寸：20 mm×15 mm～80 mm×80 mm，厚度：0.3～1.1mm；

（2）ACF卷盤直徑：最大150 mm。寬度：1.0～6.0 mm；

（3）芯片尺寸：3 mm×1 mm～30 mm×5 mm，厚度：0.3～0.7 mm；

（4）定位精度：x方向：±3μm，y方向：±3 μm。最小線距：28 μm；

（5）熱壓頭和支持平臺的平面度±8μm；

（6）優(yōu)化機(jī)械零件和部件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，可實(shí)現(xiàn)精密運(yùn)行；

（7）采用計算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)COG過程的自動控制；開發(fā)圖像識別系統(tǒng)進(jìn)行定位精度的顯示和控制；

（8）應(yīng)用精密的光機(jī)電技術(shù)，由伺服電機(jī)接收自動檢測系統(tǒng)輸出的控制信號，實(shí)現(xiàn)ACF的供給、剪切和剝離等動作；

（9）開發(fā)精密的溫度恒溫PID控制系統(tǒng)。開發(fā)精確的氣壓調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)；

（10）應(yīng)用人體工程學(xué)設(shè)計原理，進(jìn)行總體布局優(yōu)化設(shè)計，強(qiáng)調(diào)人性化操作，協(xié)調(diào)人機(jī)關(guān)系，注重工作環(huán)境安全舒適，操作方便。

6 結(jié)論

分析了COG焊接設(shè)備的研制目的和焊接工藝，技術(shù)難點(diǎn)，創(chuàng)新點(diǎn)以及成果，對我國目前的COG設(shè)備現(xiàn)狀，未來發(fā)展方向等作了描述。

當(dāng)今世界，科技發(fā)展日新月異，運(yùn)動控制技術(shù)迎來了又一個高速發(fā)展的新階段，各種類型LCD模組的產(chǎn)品層出不窮，對COG設(shè)備提出更高的要求，高速、高精度與高可靠性的COG設(shè)備將顯示出越來越重要的作用。本文的研究成果，對開發(fā)新型COG設(shè)備，提高我國機(jī)械加工工業(yè)的整體水平，具有一定的借鑒意義。

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