窄邊框產(chǎn)品周邊配向膜Mura分析及改善研究

北京京東方顯示技術(shù)有限公司CELL PI部 王海成 申載官 劉 萌 史秋飛 封 賓 文 斌

1 引言

隨著液晶顯示器(LCD)的廣泛應(yīng)用，液晶面板的需求量越來越大，高世代線的生產(chǎn)規(guī)模也迅速擴(kuò)大。在液晶屏中，配向膜(Polyim ide，PI)為液晶提供了預(yù)傾角，起著控制液晶分子排列方向的作用[1]，而配向膜噴墨打印方式(Inkjet Printing)憑借低膜材損耗、易于在不同產(chǎn)品間切換、高效率等優(yōu)勢，高世代線更傾向使用該方式對應(yīng)生產(chǎn)[2-3]。

在各高世代線產(chǎn)能釋放的同時，人們對LCD產(chǎn)品提出了更高的要求，窄邊框潮流正在興起。所謂邊框，是指顯示區(qū)(Active Area，AA)到屏(Panel)邊緣的距離，該區(qū)域被業(yè)內(nèi)稱為涂膠區(qū)(Sealing Area)，邊框的存在會降低相同尺寸下顯示區(qū)域的可顯示面積[4]。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品窄邊框化，就需要減小Sealing Area。業(yè)內(nèi)常見的主要方法有：

(1)提升切割及研磨精度，降低切割線到封框膠(Seal)距離；

(2)減小Seal寬度；

(3)壓縮周邊假像素區(qū)(Dummy Pixel)，周邊布線空間壓縮；

(4)降低PI邊緣余量(Edge Margin，EM)；

(5)PI與Seal重疊。

提升切割精度及降低Seal寬度可通過切割設(shè)備及涂膠設(shè)備能力提升達(dá)成，目前各世代線也在同步設(shè)備導(dǎo)入，本文不做贅述。對配向膜噴墨打印方式來說，周邊Dummy區(qū)及布線空間壓縮會使布線區(qū)靠近AA區(qū)邊界，金屬線及過孔的高段差均會對PI擴(kuò)散形成阻礙；而EM的降低同樣會造成配向膜厚度變化的區(qū)域(Halo區(qū))靠近AA區(qū)[5]，二者的疊加對周邊PI涂覆均一性產(chǎn)生影響，從而決定了窄邊框產(chǎn)品更易產(chǎn)生周邊PI涂覆性不良。

本文基于8.5代線10.1寸(Inch，1Inch=2.54cm)窄邊框產(chǎn)品生產(chǎn)中出現(xiàn)的周邊Mura，通過分析發(fā)現(xiàn)靠近AA區(qū)邊界的公共(Common，COM)電極上的過孔處PI液有明顯堆積現(xiàn)象，此處的堆積對周邊顯示區(qū)PI膜擴(kuò)散形成阻礙，這造成了AA區(qū)邊界PI膜偏厚，導(dǎo)致了周邊液晶取向異常，從而產(chǎn)生了周邊配向膜Mura。通過對該處過孔大小及密度進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)并結(jié)合預(yù)固化(Prebake)條件優(yōu)化，找到了匹配窄邊框產(chǎn)品的最優(yōu)條件，為后續(xù)其他產(chǎn)品開發(fā)提供了數(shù)據(jù)支持。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 周邊Mura不良現(xiàn)象確認(rèn)

實(shí)驗(yàn)測試用的面板為10.1Inch高級超維場轉(zhuǎn)換技術(shù)(High Advanced Super Dimensional Switch，HADS)產(chǎn)品，顯示模式為常黑模式。在L127灰階畫面下不良點(diǎn)燈現(xiàn)象為靠近Panel邊緣1～2mm處出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，具體不良現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 周邊Mura現(xiàn)象示意圖Fig.1 Schematic of Side Mura phenomenon

2.2 周邊Mura不良原因分析

為了找到周邊Mura發(fā)生的根本原因，研究人員對不良Panel進(jìn)行實(shí)物分析。首先，為排查是否為盒厚(Gap)性周邊Mura，利用盒厚測試儀對正常Panel及不良Panel進(jìn)行了對比測試，沿垂直方向由液晶屏下邊緣往中心區(qū)域前進(jìn)(貫徹不良區(qū)域和正常區(qū)域)測試盒厚，不良Panel與正常Panel相同位置盒厚無明顯差異，如圖2所示，故而排除Gap性周邊Mura[6-7]。

圖2 正常屏與不良屏盒厚數(shù)據(jù)比較Fig.2 Comparison Of cell gap between normal and abnormal panel

對不良Panel進(jìn)行拆屏，去除液晶后將不良樣品置于鈉燈下觀察，彩膜基板對應(yīng)位置未見異常，陣列基板不良位置可見顏色差異，對應(yīng)不良位置PI膜層存在明顯偏暗的現(xiàn)象，具體現(xiàn)象如圖3所示。使用顯微鏡對不良位置進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，測量正常Panel與不良Panel Edge Margin，均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，無異常，如表1所示。

表1 配向膜邊界實(shí)測值Table1 PI edge margin test data

進(jìn)一步使用臺階儀對不良位置進(jìn)行配向膜的厚度測量，結(jié)果顯示不良品的正常區(qū)與不良區(qū)的PI膜厚相差250?左右，而正常品之間無明細(xì)差異，如表2所示。使用3D顯微鏡對不良位置進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)靠近Panel AA區(qū)邊界的COM金屬電極上的過孔(Via Hole)處有明顯PI堆積現(xiàn)象，數(shù)據(jù)線(Data Line)側(cè)及柵極線(Gate Line)側(cè)均有堆積，堆積處PI膜厚較正常區(qū)高3000～4500?左右，如圖4-1，圖4-2所示。使用PI剝離液對陣列(TFT)基板進(jìn)行PI處理后，不良現(xiàn)象消失，根據(jù)以上分析結(jié)果判斷不良為PI膜異常導(dǎo)致。

表2 配向膜厚度測試數(shù)據(jù)Table2 PI Thickness Test Data

圖4-1 數(shù)據(jù)線側(cè)公共電極上過孔處3D圖Fig.4-1 Via hole of common electrode at data line side 3D phenomenon

通過對周邊設(shè)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，周邊COM金屬電極上的過孔設(shè)計(jì)是為了導(dǎo)通最上層氧化銦錫(ITO)面電極與最下層的COM金屬電極，起到與像素電極并聯(lián)從而降低顯示區(qū)電阻的作用。當(dāng)顯示屏信號出現(xiàn)波動時，由于顯示區(qū)電阻降低，電路補(bǔ)償可更快速完成，從而有效確保顯示均一性。但此處的過孔數(shù)量及密度目前業(yè)內(nèi)還無明確標(biāo)準(zhǔn)。對該過孔處分析發(fā)現(xiàn)，此處采用深孔、高密度、大過孔設(shè)計(jì)，孔深為10650?，過孔密度為2個/Data Line，9個/Gate Line，過孔尺寸(Size)為Data側(cè)9um*11um，Gate側(cè)10um*20um。

由于該處緊靠AA區(qū)邊界，推測該種過孔設(shè)計(jì)對僅有1000?膜厚的PI擴(kuò)散有阻礙作用并容易在此處形成PI堆積，而PI堆積造成的高段差會不利于周邊顯示區(qū)的PI擴(kuò)散，造成周邊PI膜偏厚，進(jìn)而使周邊液晶取向異常，產(chǎn)生該不良。

2.3 周邊配向膜Mura不良改善

根據(jù)上述分析結(jié)果，工程人員從工藝改善及產(chǎn)品設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行改善性驗(yàn)證。工藝方面，進(jìn)行了PI預(yù)固化(Prebake)工藝調(diào)整，將Prebake的周邊擋板(Shutter)及設(shè)備上頂板(Cover)由關(guān)閉狀態(tài)改為常開狀態(tài)；設(shè)計(jì)方面，為降低此處的阻礙，可以進(jìn)行過孔深度、密度及Size調(diào)整驗(yàn)證，但如調(diào)整過孔深度，需對整個顯示區(qū)各層厚度進(jìn)行調(diào)整，這勢必會影響整個Panel的電壓保持率及其他電學(xué)特性，因此，本研究中只對過孔密度及Size進(jìn)行調(diào)整驗(yàn)證過孔的影響。

2.3.1 工藝改善

由于該不良為周邊PI擴(kuò)散性不良，研究人員首先從PI固化工藝角度進(jìn)行改善驗(yàn)證。

圖5 Halo區(qū)示意圖Fig.5 Schematic of Halo Area

表3 PI Prebake擋板及上頂板測試條件Table 3 PI Prebake shutter and cover test split item

通過對PI固化工藝調(diào)查發(fā)現(xiàn),當(dāng)基板進(jìn)入Prebake設(shè)備后，Prebake周邊Shutter關(guān)閉，PI在高溫下完成預(yù)固化過程，在這個過程中，Panel AA區(qū)外側(cè)受熱面積較內(nèi)部大，溶劑揮發(fā)速度較快，PI液濃度較高，從而在Panel周邊形成PI膜厚較高的Halo區(qū)，如圖5所示[5]。對于窄邊框產(chǎn)品而言，由于EM壓縮及周邊布線的阻礙作用，因此Halo區(qū)距離AA區(qū)更近?？紤]到噴墨型PI液具有較高的流動性，為使Halo區(qū)遠(yuǎn)離AA區(qū)，降低該部分對AA區(qū)周邊膜厚的影響，可以從增加預(yù)固化前放置時間及降低Prebake溫度雙方面進(jìn)行改善。但是由于增加放置時間及切換Prebake溫度會對產(chǎn)線稼動產(chǎn)生影響，因此，上述改善措施較難實(shí)施。為實(shí)現(xiàn)上述目的，工程人員從Prebake設(shè)備角度出發(fā)，提出對其兩側(cè)Shutter及上層Cover進(jìn)行Open操作，測試條件(Split)及結(jié)果如表3所示。從數(shù)據(jù)中可以看出，Open后周邊配向膜Mura發(fā)生率有較大程度降低。

從原理分析，當(dāng)prebake Open后，PI液實(shí)際固化溫度較Close狀態(tài)有所降低，并且PI液在固化前的擴(kuò)散時間也相應(yīng)得到延長，因此取得了部分改善效果。對不良Panel進(jìn)行拆屏分析，發(fā)現(xiàn)，工藝條件調(diào)整后周邊過孔處的擴(kuò)散效果有所好轉(zhuǎn)，但阻礙作用未完全消除，如圖6-1，6-2所示，因此仍需從設(shè)計(jì)角度進(jìn)行改善驗(yàn)證。

圖6-1 數(shù)據(jù)線側(cè)公共電極上過孔處3D圖Fig.6-1 Via hole of common electrode at data line side 3D phenomenon

圖6-2 柵極線側(cè)公共電極上過孔處3D圖Fig.6-2 Via hole of common electrode at gate line side 3D phenomenon

2.3.2 過孔密度及Size設(shè)計(jì)調(diào)整改善

在Prebake工藝調(diào)整的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了周邊COM金屬電極上的過孔密度及Size調(diào)整驗(yàn)證，測試結(jié)果如表4所示，結(jié)果表明，隨著過孔密度降低，不良發(fā)生率顯著下降，小過孔及大過孔不良下降趨勢相同；小過孔改善效果較大過孔好，當(dāng)Data側(cè)及Gate側(cè)的過孔Size采用5*5um，過孔密度采用1/6，1/2時，周邊配向膜Mura發(fā)生率最低。對該條件過孔處進(jìn)行3D觀察，證實(shí)了小過孔、低密度對PI擴(kuò)散的阻礙作用最低，如圖7所示?？紤]到此處過孔變更可能對均一性及信賴性產(chǎn)生影響，研究中還進(jìn)行了相應(yīng)品質(zhì)評價，結(jié)果顯示變更后條件與量產(chǎn)條件差距不大，滿足量產(chǎn)要求。

表4 不同過孔密度及尺寸下周邊配向膜不良發(fā)生率Table 4 Via hole density and size with side polyimide mura

圖7 公共電極上過孔處3D圖Fig.7 Via hole of common electrode 3D phenomenon

3 結(jié)論

本文主要研究了窄邊框產(chǎn)品中易發(fā)的周邊配向膜Mura不良，通過分析發(fā)現(xiàn)顯示區(qū)邊緣用于導(dǎo)通公共電級的過孔處有明顯PI堆積現(xiàn)象，此處的堆積對周邊顯示區(qū)PI膜擴(kuò)散形成阻礙，導(dǎo)致顯示區(qū)PI偏厚，影響了周邊液晶分子排布狀態(tài)，從而產(chǎn)生不良。

為了改善PI液周邊擴(kuò)散效果，本文從PI預(yù)固化工藝方面及周邊COM金屬線上的過孔設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了測試并得到如下結(jié)果：PI預(yù)固化設(shè)備Shutter及Cover Open條件對周邊PI擴(kuò)散更有利；AA區(qū)邊界用于導(dǎo)通COM金屬的過孔設(shè)計(jì)對周邊PI擴(kuò)散影響較大；Data側(cè)及Gate側(cè)過孔密度采用1/6，1/2時效果較優(yōu)；過孔Size采用5*5um小過孔時擴(kuò)散更有利。

綜上，針對周邊過孔設(shè)計(jì)對PI擴(kuò)散的影響，本文進(jìn)行了實(shí)際過孔Mask修改驗(yàn)證測試，這在業(yè)內(nèi)尚屬首次，通過對比實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論：將周邊COM金屬線上過孔密度降低、Size減小并結(jié)合Prebake優(yōu)化后的條件可以有效改善窄邊框產(chǎn)品周邊配向膜Mura不良。

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