ACF Bonding Process Improvement in a Technology Development Laboratory

Abstract

This thesis focused on developing the ACF bonding process in a technology development laboratory. The laboratory produces prototype and technology development parts using in-mold structural electronics technology. The aim was to improve the process and gain a better understanding of its capabilities.

The development methods included measurements, data analysis, and calculations. The theory section covered printed hybrid electronics, in-mold structural electronics, the FPC and ACF bonding processes, and peel testing. The research materials consisted of scientific articles, studies, books, standards, and user manuals for the bonding equipment.

The temperature of the bonding equipment was measured under varying conditions to obtain an initial estimate of the process variation and assess the potential need for calibration. The bonding machine was calibrated based on these measurements. A pressure calculation method was developed to convert set pressures into actual pressures for thermodes of different sizes. The results were initially verified using a pressure measurement film.

The manual alignment error was measured to provide an initial estimate of the FPC alignment accuracy. The alignment error was notably lower than the error caused by film shrinkage. A peel test method at 90 °C was developed to partially replicate the injection moulding conditions the parts must withstand. Heat did not change the weakest link of the interfaces, but the peel strength was consistently lower after ACF bonding and after injection moulding at 90 °C compared to room temperature. After environmental testing, the peel strength no longer followed the same trend.

In conclusion, the ACF bonding process was developed in several ways, and a deeper understanding of the process was achieved. Different bonding pressures were recommended for future testing with the upcoming ACF material. The use of Thermoscale film was suggested for future testing to control the bonding temperature. An investment in more advanced bonding equipment was advised based on the observations made during the thesis.

Opinnäytetyön aiheena oli ACF-bondausprosessin kehittäminen teknologian kehityksen laboratoriossa. Laboratorio valmistaa prototyyppi- ja teknologian kehitysosia käyttäen muottiin valetun rakenteellisen elektroniikan teknologiaa. Tavoitteena oli parantaa prosessia ja saavuttaa parempi ymmärrys sen kyvykkyydestä.

Kehitysmetodeina olivat erilaiset mittaukset, data-analyysi ja laskelmat. Teoriaosuudessa käsiteltiin painettua hybridiä elektroniikkaa, muottiin valettua rakenteellista elektroniikkaa, FPC- ja ACF-bondausprosesseja sekä vetotestausta. Tutkimusaineistona käytettiin tieteellisiä artikkeleita, tutkimuksia, kirjoja, standardeja sekä bondauslaitteiston ohjekirjoja.

Bondauslaitteiston bondauspäiden lämpötilamittauksilla arvioitiin alustava prosessin variaatio sekä mahdollinen tarve kalibroinneille. Bondauskone kalibroitiin mittausten tuloksena. Paineenlaskentametodi kehitettiin asetuspaineen muuttamiseksi saavutetuksi paineeksi erikokoisille bondauspäille. Tulokset varmennettiin alustavasti paineenmittauskalvon avulla.

FPC-kohdistusprosessin tarkkuus arvioitiin alustavasti mittaamalla kohdistuksen virhettä. Kohdistuksen virhe oli huomattavasti pienempi kuin kalvon kutistuman aiheuttama virhe. Vetotestimenetelmä 90 °C lämmössä kehitettiin osittain jäljittelemään ruiskuvaluolosuhteita, joita osien tulee kestää. Lämpö ei muuttanut liitoksen heikointa kohtaa, mutta vetolujuus laski johdonmukaisesti ACF-bondauksen sekä ruiskuvalun jälkeen 90 °C lämmössä huoneenlämpöön verrattuna. Sääolosuhdetestauksen jälkeen vetolujuus ei toistanut enää samaa kaavaa.

ACF-bondausprosessia kehitettiin opinnäytetyön tuloksena monella tapaa ja syvempi ymmärrys prosessista saavutettiin. Erisuuruisia bondauspaineita suositeltiin testattavan tulevaisuudessa uuden ACF-teipin käyttöönoton yhteydessä. Lämpöasteikkokalvoa suositeltiin testattavan tulevaisuudessa bondauslämpötilan kontrolloimiseksi. Lisäksi investointia kehittyneempään bondauslaitteistoon suositeltiin opinnäytetyön aikana tehtyjen havaintojen perusteella.