TFT-LCD的Line Zara失效機制及改善

王 歡，于 翔，朱鳳稚，蘇彥新，沈武林，郁信波，劉 旭

(成都京東方光電科技有限公司，四川 成都 611731)

1 引 言

近年來，隨著智能手機、智能穿戴產品的迅猛發(fā)展，消費者對小尺寸液晶顯示(TFT-LCD)產品的各方面要求逐漸提高。為了滿足智能穿戴產品的市場需求，小尺寸TFT-LCD必須能夠實現輕薄化，同時不影響產品的正常畫面顯示。目前TFT-LCD的輕薄化主要依賴于減薄技術(Slimming)，而各大面板廠商的主流減薄方案是將對盒后厚度為0.8 mm(0.8 T)的屏送至減薄廠進行減薄，最終得到的TFT-LCD厚度僅為0.4 T或0.36 T。

目前，減薄后的小尺寸TFT-LCD面臨著批次性爆發(fā)的Zara類不良，嚴重影響了產品的良率和品質?，F有的Zara類不良可簡單地分為漏光類Zara[1]和異物類Zara[2]。其中異物類Zara的發(fā)生率最高，發(fā)生原因可分為以下幾類：(1)取向膜(聚酰亞胺，PI膜)進行摩擦配向工藝時，摩擦布上的異物掉落或PI膜因摩擦受損而產生Zara，可通過更換摩擦布、調整取向工藝參數或增加PI膜厚度進行改善[3]；(2)PI膜進行光配向工藝時，PI膜分解產物的殘留物導致Zara，可通過加熱修復或調整光配向的溫度條件改善[4]；(3)在減薄工藝的拋光階段，彩膜(Color Filter，CF)上的柱狀隔墊物(Photo- Spacer，PS)及其表面的PI膜因擠壓和摩擦受損導致Zara，可通過調整拋光工藝參數或開發(fā)高強度的PS改善[5]。同時，有一類Zara多沿液晶盒某一條邊呈線性分布，稱之為Line Zara[6]。

2 Line Zara失效機制

現有的大量研究表明[5-6]，Line Zara的發(fā)生多是CF上的PS及其表面的PI膜因擠壓和摩擦受損造成，即Line Zara的失效可歸結為摩擦力和擠壓力共同作用的結果，故可將Line Zara的失效模型簡化為材料力學中的梁在簡單載荷作用下的受力問題。

圖1是典型的TFT-LCD截面示意圖，其中框膠作為粘結劑，連接TFT與CF，同時起到支撐作用；而PS均勻分布在盒內的CF面。圖2為PS與TFT溝道的相對位置示意圖，其中PS與TFT側的半個溝道相接觸，主要起到支撐盒厚的作用，所以當受到外部作用力時，PS的表面首先與TFT側溝道發(fā)生相互作用。當對盒玻璃受到振動或擠壓等外部作用力時，玻璃會向上或向下發(fā)生彎曲形變，此時玻璃的受力情況可簡化為簡支梁在均布載荷q下發(fā)生彎曲變形的模型，如圖3所示。

圖1 TFT-LCD截面圖Fig.1 Cross section diagram of TFT-LCD

圖2 PS與TFT面溝道的接觸示意圖Fig.2 Schematic diagram of relative position with PS and TFT channel

圖3 玻璃受外力時彎曲形變示意圖Fig.3 Schematic diagram of glass bending deformation by external force

圖4 玻璃彎曲時點A的受力分析圖Fig.4 Schematic diagram of A point force analysis

此時選取一點A，由材料力學的相關理論可知[7]，點A受到剪力FA的作用。當玻璃發(fā)生彎曲形變時，剪力FA可分解為水平方向分力Fx和法向的分力Fz，如圖4所示。此時的FA、Fx、Fz的大小由以下公式決定：

，

(1)

(2)

其中：載荷q的大小與振動或擠壓等外部作用力成正比。當x為0時，即在支點位置，玻璃彎曲變形的轉角最大，且轉角大小與外部載荷q成正比[7]。

玻璃基板上的每個液晶盒是TFT基板與CF基板在框膠粘結作用下對盒獲得的，當玻璃受外力發(fā)生彎曲形變時，玻璃基板上每個液晶盒的CF/TFT與框膠的相互作用與圖3的模型相似，故將液晶盒的受力模型也簡化為圖3所示。此時L表示框膠之間的距離，x表示CF面的PS至框膠的距離，所以當液晶盒受外力發(fā)生形變時，x處的PS受到水平方向的Fx，表現為摩擦力；受到法向的Fz，則表現為擠壓力。擠壓力Fz使得PS表面與TFT溝道產生擠壓，導致PS出現凹坑并受到損傷。摩擦力Fx使得PS表面與TFT溝道發(fā)生相對移動，導致PS表面與TFT溝道不斷摩擦，使PS表面受損位置出現碎屑。當Fz越大時，PS表面受損越嚴重；當Fx越大時，PS表面受損處碎屑越多。故在長期的Fz與Fx作用下，碎屑逐漸進入像素區(qū)，造成Zara亮點。

當液晶盒受外力作用時，CF面上的PS受到剪切力FA作用。由公式(1)可知，保持x不變，當外部載荷q越大時，液晶盒所受FA越大，PS受損越嚴重，相應的Zara越多。外部載荷q越大時，支點處的轉角越大，即液晶盒形變越大，此時PS所受的Fx越大，PS受損后產生的碎屑越多，Zara越嚴重。保持外部載荷q不變，當x的值越小時，液晶盒中越靠近框膠的PS所受到的FA越大，故CF面最靠近框膠的PS表面受損程度最嚴重，相應的Zara亮點就會集中沿著框膠邊緣分布，故該類Zara稱之為Line Zara。相應地，當有效顯示區(qū)最邊緣的PS距離框膠越近時，Line Zara越嚴重。

以框膠為分析對象，框膠處的x為0，FA值最大，且此時的θ最大，即彎曲形變程度最大，所以框膠受到最大的摩擦力Fx作用，但由于框膠的作用為粘結CF與TFT，故框膠會產生一個與Fx方向相反的粘結力作用，會抵消或減輕外力施加給液晶盒的水平方向作用力，減小水平方向因Fx造成的PS與TFT溝道的相對移動，從而減輕Zara碎屑的產生，最終減少Line Zara的發(fā)生。

綜上所述，Line Zara主要是玻璃受外力形變后PS與TFT溝道的擠壓與相對摩擦使得PS受損產生碎屑所致，且Line Zara的發(fā)生分別與外力大小和玻璃彎曲形變程度成正比，與框膠至PS距離、框膠粘結力成反比。

3 實驗方法

3.8WVGA是一款減薄后厚度僅為0.4 T的小尺寸光配向產品。當減薄工廠變更后，3.8WVGA等一系列減薄產品的Line Zara不良發(fā)生率從0.5%～2%增加到20%～40%。為了有效改善減薄產品的Line Zara不良，本文首先根據不良現象，利用顯微鏡和AFM測試等手段確認了Zara亮點的來源；其次，根據Line Zara的發(fā)生機理，在不改變3.8WVGA原有設計的情況下，對Line Zara進行改善并對改善效果進行了一系列驗證。

4 實驗結果及分析

4.1 Line Zara不良現象及表征

由圖5(a)可以看出，Zara沿液晶盒長邊的框膠邊緣密集分布。從圖5(b)和(c)可以看出，Zara為一些細小的亮點，分布在像素內，而Zara附近的PS表面有明顯的凹陷，凹陷痕跡與TFT溝道對應。從上述的不良現象及其表征的結果可以看出，該Zara亮點主要來源于受損PS及其表面PI膜的碎屑。根據Line Zara的發(fā)生機制可知，這些PS碎屑主要來源于玻璃受外力形變后，PS與TFT溝道的擠壓與相對摩擦。

圖5 (a) Zara宏觀現象； (b) Zara微觀現象；(c) PS表面形貌。Fig.5 (a) Zara macro phenomenon; (b) Zara micro phenomenon; (c) PS surface monopoly.

4.2 Line Zara不良改善

由Line Zara的失效機制可知，Line Zara的發(fā)生主要與玻璃所受外力大小和玻璃彎曲形變相關，其中外力大小主要與外界環(huán)境相關。首先，0.8 T 玻璃減薄拋光時，會直接受到拋光盤外力作用，故可考慮減少玻璃拋光時所受外力，改善Line Zara發(fā)生率。其次，當減薄工廠選定后，減薄玻璃的運輸環(huán)境已確定，即運輸過程中玻璃受外力情況已無法更改，但可通過減小玻璃在運輸過程中的彎曲形變程度，來減少Line Zara的發(fā)生率?？紤]到中小尺寸的窄邊框和輕薄化市場需求，玻璃厚度、框膠至PS距離在產品設計時就已固定，屬于無法更改因素?？蚰z種類在設計時雖然已經固定，但在不影響產品信賴性的前提下，可通過變更框膠的種類來改變其粘結力，從而減少Line Zara的發(fā)生率。因此，本文旨在通過減小玻璃受外力的彎曲形變程度和增加框膠接著力來改善Line Zara不良。

4.2.1 拋光工藝對Line Zara不良的影響

0.8 T 玻璃減薄時，首先經過化學減薄，然后需要通過拋光工藝對玻璃表面進行物理拋光處理，以改善玻璃表面平整度。拋光工藝參數主要為壓力(g/cm2)、轉速(r/min)和時間(min)。拋光時，0.4 T 玻璃直接受到拋光盤的壓力作用，其壓力不同時，玻璃所受外力大小也不相同。圖6 (a)是拋光壓力與Line Zara發(fā)生率的關系。從圖可以看出，隨著拋光壓力逐漸增大，Line Zara發(fā)生率逐漸增大。當拋光壓力增大時，玻璃所受外部載荷q增大。由公式(2)可知，液晶盒中的PS受到的擠壓力Fz增大，PS表面與TFT溝道擠壓導致PS產生的損傷程度增強，PS與PI膜碎屑越多，Line Zara發(fā)生率越大。圖6 (b)是拋光時間與Line Zara發(fā)生率的關系。由圖可知，隨拋光時間逐漸增加，Line Zara發(fā)生率逐漸增大，特別是拋光時間大于22.5 min之后，Line Zara發(fā)生率大幅度增加。物理拋光是拋光圓盤在一定壓力下對玻璃表面進行旋轉摩擦的結果，因此在拋光時，玻璃會持續(xù)受到水平方向的摩擦力Fx的作用。當拋光時間較小時，摩擦力對PS的損傷較小，Line Zara發(fā)生率較低；當拋光時間較大時，摩擦力Fx對PS的累積破壞作用增大，相應的PS受損程度越大，Line Zara發(fā)生率越高。

由上述可知，Line Zara發(fā)生率可通過減小拋光工藝中的拋光壓力和拋光時間改善。但由于考慮到拋光質量，為避免出現玻璃表面平整度不合格和輪印等不良，拋光壓力和時間均不易選取太小，因此拋光工藝對Line Zara的改善效果有限。

圖6 拋光時間對Line Zara發(fā)生率的影響Fig.6 Effect of the polishing pressure(a) and (b) time on Line Zara ratio

4.2.2 運輸箱填充密度對Line Zara不良的影響

圖7 玻璃包裝示意圖Fig.7 Schematic diagram of glass packing

減薄后運輸過程中的玻璃放置方式如圖7所示。傳統(tǒng)外發(fā)減薄后，因為玻璃厚度僅有0.4 T，為了防止運輸過程破片，減薄后的玻璃橫向放置于運輸箱中，每個玻璃中間放置隔墊物，并且會額外放置隔墊物保持運輸箱被充滿。當運輸距離較遠或運輸環(huán)境較差時，存放玻璃的運輸箱必然會發(fā)生不同程度的振動，而其中的玻璃也必然會受外力發(fā)生彎曲形變。當運輸箱中填充的玻璃數量、隔墊物數量和隔墊物種類不同時，運輸箱的填充密度不同，相應的玻璃受外力后彎曲形變的程度也不同。

圖8 (a)是保持運輸箱中隔墊物種類且隔墊物數量相同時，其中的玻璃數量與Line Zara發(fā)生率的關系。從圖8 (a)可以看出，0.4 T 玻璃的Line Zara發(fā)生率隨玻璃數量增加而減小。運輸箱中玻璃數量越多，運輸箱的填充密度越大，在外力作用下玻璃越不容易發(fā)生彎曲變形。由公式(2)可知，玻璃彎曲形變越小，θ越小，相應的液晶盒中的PS受到的水平方向摩擦力Fx越小，PS與TFT溝道摩擦后產生的碎屑越少，Line Zara發(fā)生率越低。

圖8 (b)、 (c)分別是厚度為0.4 T的玻璃數量一致時，隔墊物數量和種類與Line Zara發(fā)生率的關系。由圖8 (b)可知，Line Zara的發(fā)生率隨隔墊物數量的增加而減小。當外部載荷一定時，隔墊物數量越多，運輸箱填充密度越大，玻璃受外力發(fā)生的彎曲形變越小，PS與TFT溝道摩擦后產生的碎屑越少，Line Zara發(fā)生率越低。由圖8 (c)可知，當隔墊物為無塵紙時，Line Zara發(fā)生率最低；隔墊物為墊棉時，Line Zara發(fā)生率最高。隔墊物填充厚度一致時，由于墊棉材質更加柔軟，故在外力作用下墊棉比無塵紙更容易發(fā)生壓縮，導致玻璃存在更大的彎曲形變空間，使得玻璃的彎曲形變越大，PS與TFT溝道摩擦后產生的碎屑越多，Line Zara發(fā)生率越大。

(a)運輸箱中玻璃數量對Line Zara發(fā)生率的影響(a) Effect of the quantity of glass on Line Zara ratio

(b) 運輸箱中隔墊物數量對Line Zara發(fā)生率的影響(b) Effect of the quantity of spacer on Line Zara ratio

(c) 運輸箱中隔墊物類型對Line Zara發(fā)生率的影響(c) Effect of the type of spacer on Line Zara ratio圖8 運輸箱中玻璃數量(a)、隔墊物數量(b)和隔墊物類型(c)對Line Zare發(fā)生率的影響。Fig.8 Effect of the quantity of glass(a), quantity of spacer(b),and type of spacer(c)on Line Zara ratio.

4.2.3 框膠粘結力對Line Zara不良的改善

TFT-LCD的TFT側與CF側在ODF工藝時通過框膠粘結，框膠粘結面大部分與ITO層接觸，少部分與PI膜接觸，因此框膠的粘結力主要由ITO接著力、PI接著力共同決定。表1是4種型號框膠的部分物理化學性質參數，圖9是框膠粘結力與Line Zara發(fā)生率的關系。

表1 框膠的相關性質Tab.1 Properties of sealant

圖9 框膠粘結力對Line Zara發(fā)生率的影響Fig.9 Effect ofthe adhesive strength of sealant on Line Zara ratio

由圖9可知，隨著框膠與ITO粘結力和PI粘結力的增加，Line Zara發(fā)生率明顯下降。S-86、S-85的框膠與ITO接著力相當，其Line Zara發(fā)生率相對最低。由Line Zara失效機制可知，框膠的粘結力越強，其抵消或減輕外力施加給液晶盒的水平方向作用力能力越強，從而減小水平方向因Fx造成的PS與TFT溝道的相對摩擦，減輕了Zara碎屑的產生，最終減少Line Zara的發(fā)生。3.8寸產品的Line Zara不良高發(fā)時采用的框膠是S-17，將其變換成S-86或S-85后，框膠與ITO接著力增加12.5%、與PI接著力增加66%，可使得Line Zara的發(fā)生率降低7%，此時的Line Zara發(fā)生率保持在2%以下，說明框膠粘結力的增大能夠顯著降低Line Zara的發(fā)生率。

變更框膠后的產品一定要滿足信賴性，由于S-86的透濕率和吸水率很高，當運行環(huán)境試驗THO(65 ℃、93%RH)時，容易爆發(fā)因水汽污染而導致的Corner Mura[8]，因此選擇S-85代替S-17作為量產框膠，可將減薄產品的Line Zara控制在2%以下，實現Line Zara不良的有效改善。

5 結 論

為了徹底改善減薄TFT-LCD的Line Zara不良，本文首先建立了Line Zara失效模型，分析了Line Zara失效機制，Line Zara發(fā)生率分別與外力大小及其導致的玻璃彎曲變形程度成正比，與框膠至PS距離、框膠粘結力成反比。基于Line Zara的失效機制，針對性地提出了改善措施并進行了實驗驗證。實驗結果表明，減小減薄時的拋光壓力和時間，可一定程度上降低Line Zara發(fā)生率；增大減薄后運輸箱的填充密度，可大幅度降低玻璃受外力的彎曲形變，有效降低Line Zara的發(fā)生；同時增大液晶盒對盒中框膠的粘結力，可實現對Line Zara不良的有效改善。