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Hybrid-Bonding

03. November 2020, 16:00 Uhr   |  Markus Hell

Hybrid-Bonding
© Data Modul

Display-Fertigung bei Data Modul

Display, Touchsensor und Glas kann man trocken oder flüssig verkleben. Beides hat seine spezifischen Vor- und Nachteile. Ein neues Verfahren kombiniert die Vorteile beider Bonding-Verfahren bei Touch-Displays.

Kapazitive Touchsensoren (projective capacitive, kurz PCAP/PCT) sind nicht nur im Konsumentenbereich allgegenwärtig, sondern sind auch in der Industrie zu einem festen Bestandteil des Alltags geworden. In der Medizintechnik oder im Maschinen- und Anlagenbau kommen Touch-Bedieneinheiten zunehmend zum Einsatz. Welche Klebetechnik bei der Verbindung von industriellen PCAP-Touchsensoren mit Schutzgläsern und/oder Displays verwendet wird, hängt von zahlreichen Faktoren ab. So spielen beispielsweise das spätere Anwendungsgebiet und die damit verbundenen Komponenten-Anforderungen, die gewünschte Displaygröße, sowie Stückzahl und Budgetvorgaben eine entscheidende Rolle bei der Auswahl der passenden Bondingmethode. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach modernen und robusten Bediengeräten mit Touchsensoren wird besonders das Optical Bonding zur Display-Veredelung immer wichtiger, da hier die optischen Eigenschaften verstärkt und somit eine zusätzliche Funktionalität gewonnen werden kann.

LOCA und OCA – Zwei Bondingverfahren im Kurzportrait

Grundsätzlich haben sich beim optischen Bonding bislang zwei unterschiedliche Verfahren bewährt und etabliert: Zum einen die »trockene« Folienverklebung, bekannt unter dem Namen »Optical Clear Adhesive Bonding« (kurz OCA), und zum anderen die Flüssigverklebung namens

»Liquid Optical Clear Adhesive Bonding« (kurz LOCA) oder auch »Optical Clear Resin« (OCR).

Beim OCA-Bonding wird meist mit einer Klebefolie gearbeitet, welche mittels Rolllamination die Touch-Sensorik (ITO oder Metal Mesh auf PET-Substrat) mit dem Deckglas verbindet. Bei Data Modul wird der Klebstoff des Touchsensors eingesetzt, der Teil des Touch-Folienaufbaus ist, und so eine zusätzliche Klebefolie vermeidet (Soft-to-Hard). Anschließend wird der Verbund mittels Autoklav unter (Über)Druck und Temperatur ausgehärtet. Projekte können mit dem OCA-Verfahren schnell und kostenoptimiert umgesetzt werden. Jedoch ist die Variabilität der Coverglas-Gestaltung bei diesem Verfahren in Hinblick auf Bedruckung und Härtung limitiert. Typische OCA-Schichtdicken, meist 50 µm oder 175 µm, können den Höhenunterschied von bedruckten Covergläsern nur bedingt ausgleichen. Besonders bei Covergläsern mit Mehrfarbdruck (zum Beispiel weiß bedruckte Gläser mit Sperrdruck) stoßen die genannten OCA-Dicken an ihre Grenzen. Zudem lassen sich Displays mit diesem Verfahren nicht bonden.

Data Modul
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Die Einzelschritte des Hybrid-Bonding-Prozesses.

Flexibler durch Flüssigverklebung

Beim LOCA/OCR-Verfahren handelt es sich hingegen ausschließlich um eine Flüssigverklebung, die sehr flexibel einsetzbar ist (Hard-to-Hard). In diesem Bonding-Prozess wird ein Deckglas mit der glasbasierenden Sensortechnologie SITO (Single-Sided Indium Tin Oxide) oder ein TFT-Display (inklusive Metallrahmen/Bezel) mit einem Coverglas (mit oder ohne Touchsensorik) verbunden. Dabei werden zuerst die Komponenten mit einem sogenannten Damm abgedichtet. Der LOCA-Kleber wird anschließend so dosiert aufgetragen, dass er sich lückenlos beziehungsweise blasenfrei zwischen dem Coverglas und der Touchsensorik ausbreitet. Ein großer Vorteil neben der Projekt-Flexibilität ist bei diesem Verfahren, dass die einzelnen Komponenten nicht gestresst werden und das Aushärten des Klebers ausschließlich mit UV-Licht und ohne Druck oder Hitze durchgeführt wird. Auch gleicht das flüssige Klebemittel jegliche Unebenheiten beispielsweise im Coverglas oder Höhenunterschiede aus, die durch Mehrfarbdruck im Glas oder den Metallrahmen (Bezels) des Displays entstehen können. Der LOCA-Kleber ist acrylbasiert sowie silikonfrei und schränkt damit das spätere Anwendungsgebiet nicht ein. Für Frameless-Displays ist LOCA aber nur bedingt geeignet, da bei einer Flüssigverklebung – selbst bei größter Sorgfalt – das Eindringen des Klebers in das Display bauartbedingt nicht auszuschließen ist.

Ziel beider Verfahren ist in erster Linie die optische Verbindung aller Komponenten (Coverglas, PCAP Touch und Display), um mögliche Reflexionen zu minimieren und durch das Auffüllen des Zwischenraumes Staub oder Feuchtigkeit fernzuhalten. Dank eines vollflächigen, optisch durchlässigen Klebers und der damit verbundenen Eliminierung des Luftspaltes beim Display, wird ein höherer Kontrast gewährleistet, was besonders bei hoher Sonneneinstrahlung oder ausgeschaltetem TFT (Black-Panel-Effekt) deutlich erkennbar ist. Dieser Designeffekt weist eine homogene Oberfläche auf, wenn die dahinter gebondete Anzeige nicht aktiv ist. Bei vollflächig gebondeten Displays ist außerdem eine niedrigere Hintergrundhelligkeit möglich, wodurch die Stromaufnahme gesenkt wird. Zusätzlich ermöglicht die vollflächige Verklebung bei Displays eine erhöhte mechanische Stabilität beziehungsweise Schlagfestigkeit. Gerade bei Anwendungen im Außenbereich, wie beispielsweise Parkautomaten oder Ladestationen, machen sich die Vorteile des Full Bondings bemerkbar: Die Displays sind wesentlich widerstandsfähiger, robuster und durch die geringe Helligkeit erhöht sich die Lebensdauer bei gleichzeitiger Reduzierung der Wartungskosten.

Hybrid-Bonding – neue Bonding-Technologie für Volumenprojekte

Vor kurzem wurde eine dritte Optical-Bonding-Variante bei Data Modul eingeführt: das sogenannte Hybrid-Bonding. Wie der Name bereits verrät, handelt es sich hierbei um eine Kombination aus zwei Bonding-Technologien: OCA und LOCA. Da Hybrid-Bonding die Vorteile beider Methoden kombiniert, eignet es sich besonders gut für hochvolumige Projekte.

Data Modul hat für das neue Verfahren eigens eine spezielle Anlage entwickelt, mit der Touchsensorik, Coverglas und Display zusammengefügt und vollautomatisch verklebt werden können.

Data Modul
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Aufbau eines Touch-Screen-Systems. Das Bonding stellt die Verbindung zwischen Display, Touch-Sensor und Frontglas her.

Im ersten Schritt werden die Komponenten nach dem Einlegen über Kameras vermessen. Im zweiten Prozessschritt wird ein Flüssigkleber auf die zu verbindende Fläche mittels »Slit Coating«-Verfahren aufgetragen. Dabei wird der Acryl-Klebstoff gleichmäßig mit Hilfe einer speziell entwickelten Düse auf eine Fläche aufgebracht, um ein sogenanntes »Klebe-Pad« in der exakten Größe der aktiven Fläche zu formen. Das Klebe- beziehungsweise Gel-Pad wird dann mittels UV-Licht vorgehärtet, wobei die Form des Gel-Pads für den nächsten Prozessschritt fixiert wird.

Das Gel-Pad kann je nach Anforderungen auf PCAP-Touch, Coverglas oder TFT-Display aufgebracht werden. Auch hier ist der Klebeprozess auf Hard-to-Hard ausgelegt. Wurde das Gel-Pad beispielsweise auf Glas aufgebracht, erfolgt im nächsten Arbeitsschritt die Zusammenführung von Coverglas und Touchsensor. Dies findet in einer angereihten Vakuumkammer statt, um der Entstehung von Luftblasen vorzubeugen. Im Anschluss wird die gebondete Einheit in einen Autoklaven gefahren, um mögliche Luft-Einschlüsse zu eliminieren. Abschließend werden die Einheiten durch UV-Licht fertig ausgehärtet und vollautomatisch in einem magazinartigen Depot transportiert. Der Prozess wiederholt sich bis das Magazin voll aufgereiht ist und durch ein Neues ersetzt wird. Die flexiblen Klebe-Pads können mit nahezu allen festen Komponenten verbondet werden – egal, ob glasbasierender Touch, Coverglas oder Display. Dieser Vorteil, sowie deutliche reduzierte Handlingzeiten innerhalb des vollautomatischen Prozesses, macht Hybrid-Bonding hocheffizent und dadurch ideal für hochvolumige Projekte mit Stückzahlen von mehreren Zehntausend Stück pro Jahr.

Die neue Hybrid-Bonding-Technologie reiht sich ideal in die umfangreichen Bonding-Kompetenzen von Data Modul ein. Mit einer Reinraumfläche von mehreren tausend Quadratmetern und zwei Produktionsstandorten innerhalb Europas (Weikersheim/Deutschland und Lublin/Polen) zählt Data Modul zu den größten Bonding-Anbietern für den industriellen Markt in Europa. (jk)

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