基于田口法對無邊框液晶模組L0漏光改善研究

唐勝果，趙 曼，王明明，趙 輝，錢小麗，李 蘭，李 倩，趙凱旋，徐海豐，余麗霞

(合肥鑫晟光電科技有限公司，安徽 合肥 230012)

1 引 言

TFT-LCD作為顯示領域重要的一部分，其顯示技術按顯示原理可分為TN模式、IPS模式和VA模式，IPS模式又逐漸衍生出高級超維場技術(Advanced super Dimension Switch，ADS)。ADS由于其高的穿透率，寬視角等優(yōu)勢而用于具有高分辨率的高端產品上[1]。TN 模式L0畫面(黑畫面)時為高電平狀態(tài)。液晶偏轉完全由電場控制[5]。因此，TN模式下幾乎無L0漏光；然而，ADS模式L0畫面時為低電平狀態(tài)，此時TFT處于關閉狀態(tài)，LCD 兩極板無電壓加持。液晶偏轉受到液晶材料、PI原材、PI涂布及其摩擦工藝和面板翹曲等諸多因素影響。以上因素的任何變動則可能影響局部透過率，在視覺上產生漏光。這種暗黑狀態(tài)下漏光(L0漏光)的存在會嚴重降低整個顯示屏的視覺效果[2]。尤其是無邊ADS 模式產品，因其特殊的模組結構使L0漏光更嚴重。

COG Mura(或Curtain Mura)是一種常見的L0漏光，業(yè)界對其研究也較充分。COG 封裝時，加熱刀頭將175 ℃ & 7 MPa施加IC芯片上，各向異性導電膠(ACF)在高熱下融化，并在高壓下通過金球實現IC引腳與面板金手指導通。隨后的冷卻將使ACF重新固化。在由熱轉冷急速切換過程中，IC與面板的不同收縮率使IC 周邊面板形成應力，導致朝IC一側翹曲[3]。上海交通大學尹剛認為，翹曲將影響盒厚，盒厚局部不均導致L0漏光[4]。臺灣交通大學王圣雅通過對翹曲條件下盒厚、液晶預傾角和扭曲角行為模式的深入研究，發(fā)現翹曲處液晶扭曲角變化將導致透過率隨之變化。王圣雅認為這是COG Mura形成的關鍵因素[5]。因此，COG Mura可從改善COG綁定翹曲和增加液晶扭曲角穩(wěn)定性兩方面來改善。改善綁定翹曲的方法有使用低溫ACF、降低綁定載臺與加熱刀頭的溫度差等[4,6]。除以上措施，筆者在改善筆記本產品 COG Mura時，驗證過調整IC 綁定位置與減薄IC等措施，均取得不錯效果。增加液晶扭曲角穩(wěn)定性方面，王圣雅針對常黑模式產品，采用軟件模擬出當盒厚為5.1 μm、扭曲角為90°時，盒厚從4.5 μm變化到5.5 μm，透過率變化小于2%，最大化地減小了盒厚變化對透過率的影響。 從而使COG Mura 程度降至最低[5]。

相對于有邊框產品(面板四周有膠帶或前框固定或支撐)，無邊框液晶模組則直接通過泡棉貼附在背光上。背光形變將直接傳導至面板，使面板四周產生翹曲(在面內，面板不與背光直接接觸，因此背光面內變形不會影響面板翹曲)，從而通過改變盒厚均勻性而產生L0漏光。若直接從改善背光平坦度入手則因背板沖壓工藝限制而難以實現[7]。因L0漏光產生的直接原因不同，以上降低IC引腳周邊面板翹曲措施不能直接衍生到無邊框產品周邊L0漏光的改善上。王圣雅等人通過軟件模擬，得到使透過率變化最小的盒厚值[5]，可惜這一工作未實際應用到L0漏光的改善上。受此啟發(fā)，本文將運用田口法來探討無邊框產品L0漏光的改善。

2 田口試驗設計

2.1 田口方法簡介

圖1 無邊框模組L0漏光Fig.1 Borderless L0 light leakage

田口玄一(Genichi Taguchi)把數理統(tǒng)計應用到產品質量改善中 ，提出了獨特的質量控制方法。即通過參數選擇、確定實驗方案，以均值和信噪比(S/N)為分析指標，實現減小目標值的變異，即減小不可控因素對目標值的影響，增強產品的抗干擾能力[8]。信噪比代表的性能特性可分為望目、望大和望小。當研究的目的是減少圍繞規(guī)定目標值的變異時用望目特性，當系統(tǒng)響應為最大(最小)化時，用望大(望小)特性[9]。對于望目特性，田口試驗設計分兩步實現：先利用控制因子降低變異；再利用調整因子調整均值至目標值。對于望大(望小)特性，只需考慮信噪比最大化。本文通過對影響面板透過率的各因子的選擇及其水平的合理設置，在田口法架構下來探討提升面板透過率抗翹曲干擾的能力，從而改善無邊框液晶模組L0漏光水平。無邊框液晶模組L0漏光如圖1所示。

2.2 影響因子選擇及水平設置

面板翹曲處透過率與其他區(qū)域的差異是產生L0漏光的根本原因[5]。本文將從影響面板透過率的各因素入手，探討影響L0漏光的影響因子，并在參數規(guī)格范圍內設置諸因子水平，詳見表1。

ADS模式下透過率如式(1)所示[10]。面板透過率受到液晶扭曲角ψ，液晶的雙折射率Δn及盒厚d的影響。

(1)

在此基礎上，同時參考生產經驗，筆者梳理了影響面板透過率的因果關系，如圖2所示。

圖2 L0漏光因果關系圖Fig.2 Tree plot of L0 light leakage

如圖2所示，引起面板透過率變化的原因有偏光片、液晶扭曲角和盒厚3個方面。具體到偏光片對面板透過率影響，因面板翹曲，導致原本應垂直穿透上、下偏光片的光線發(fā)生偏轉，從而可能導致翹曲位置光線透過率變化，有可能產生L0漏光。對此，王圣雅將不含液晶的空盒綁定 IC 后發(fā)現無COG Mura(L0漏光)，證實面板翹曲引起的光線偏轉不足以導致L0漏光[5]。在液晶扭曲角方面，一般來說，正向液晶透過率低但響應速度快，負向液晶則反之。目前有液晶廠商采用正、負液晶按一定比例混合來平衡透過率與響應速度。PI 種類及厚度、摩擦強度變化等通過改變與液晶分子作用力從而影響液晶偏轉的難易。PI極性越強、厚度越厚，摩擦強度越高對液晶的作用力越強，對液晶的錨定作用也就越強。盒厚方面， ADS顯示模式下，面板透過率隨盒厚增加而增大。

2.3 噪聲因子測量及水平設置

2.3.1 Panel翹曲測量

采用Twyman-Green干涉儀測試無邊框液晶模組 L0漏光處面板翹曲度。Twyman-Green干涉法作為一種高靈敏度的光學方法，是用來測試鏡面形變的方法之一。其系統(tǒng)架構及光學路徑如圖3所示：半導體激光器發(fā)出的光束，然后通過分束器被分成光束1和光束2。光束1被參考物鏡反射，透過分束器形成光束1′，而光束2則被待測樣品表面反射，再經分束器的反射形成光束2′。1和2這兩束光束光強還較強，再經過成像物鏡，

表1 影響Panel透過率因子選擇及對應水平設置Tab.1 Impact factors and their levels

※水平1為量產條件

圖3 泰曼-格林干涉原理光路圖Fig.3 Optical scheme of the Twyman-Green interference principle

這樣在CMOS傳感器表面形成干涉條紋[13]。干涉條紋可按如下定量關系來表征被測樣本形變量[5]：

(2)

W(x,y)為x-y平面上的形變量，λ為平行激光束波長，N(x,y)為干涉條紋順序。本文所用干涉儀激光波長λ為0.632 μm，根據式(2)，單個干涉條紋表示0.316 μm的形變量。

2.3.2 翹曲水平設置

L0漏光程度可借助ND濾光片目視區(qū)分。各水平L0漏光及對應發(fā)生率參考表2。特別地，L0漏光程度超過Level 3時客戶拒收。因此，改善前L0漏光不良率為6.2%。

表2 L0漏光程度區(qū)分標準及對應發(fā)生率Tab.2 Distinguish standard and corresponding incidence ratio of L0 light leakage

考慮不同程度L0漏光比率及可接受程度，分別選取漏光程度為Level 1、Level 2和Level 3的無邊框模組各30 片測試漏光處翹曲度。數據匯總如圖4所示Level 1 L0漏光程度下對應翹曲1.8～2.1 μm；Level 2 L0漏光程度下對應翹曲4.3～6.3 μm；Level 3 L0漏光程度下對應翹曲5.7～8.0 μm。其中，Level 2和Level 3對應翹曲度有部分重疊。將L0漏光程度Level 1、Level 2和Level 3分別記為1，2，3，并在Jump 14上將其標識為連續(xù)型數據。將已設置為連續(xù)型數據的L0漏光水平與對應面板翹曲進行線性擬合，擬合效果如圖4虛線段及表3所示：線性擬合時R2=0.78，說明線性擬合對變異解釋能力不夠(統(tǒng)計上一般要求R2>0.80，其值越大說明模型對變異的解釋能力越充分)，失擬P<0.01，說明該模型還存在失擬情況，需要考慮二次擬合。二次擬合后R2=0.83，擬合能力滿足要求。從圖4二次擬合曲線可以看出， L0漏光先隨翹曲度增加而顯著增加，當翹曲大于6 μm時，L0漏光程度則呈現緩慢增加，且不同漏光程度對應翹曲存在交疊。因此，考慮Level 4因比例低而難以挑選樣本(參考表2)，同時結合這一變化趨勢，分別選取L1及L3對應翹曲1.8～2.1 μm及6.4～8.0 μm作為噪聲因子的高、低水平。

圖4 L0漏光程度與翹曲線性&二次擬合曲線Fig.4 Linear and quadratic fitting curve of L0 leakage level and warship

表3 線性及二次擬合方式及其對應擬合效果Tab.3 Linear and quadratic fit effectiveness

2.4 田口試驗設計

從以上對影響因子及噪聲因子分析及水平設置，內直交表可選用L8(27)，噪聲因子翹曲則選用兩水平，每個內表試驗運行5次。每次運行及對應L0漏光程度見表4。

表4 田口試驗設計表及對應漏光水平Tab.4 Taguchi experiment and its corresponding L0 light leakage

3 結果分析

3.1 效應匯總

采用Jump14對表4數據各影響因子主效應進行分析。圖5(a)為模型優(yōu)化前的效應匯總。之所以不顯示P值，是因為8次試驗共7個自由度，7因子時沒有自由度分配給誤差項。對該模型進行優(yōu)化：先項刪除平方和最低的次項，再逐項刪除顯著性水平α>0.1的次項。簡化后的模型如圖5(b)所示?？梢钥闯?，PI膜厚，預固化溫度，預固化時間，TFT&CF 面摩擦強度均為顯著因子。

圖5 模型簡化前(a)后(b)各影響因子的效應匯總Fig.5 Significance testing of impact factors before (a) and after (b) model simplification

3.2 數據分析

從表5可以看出，均值擬合模型對變異解釋能力為0.89，能力充分。方差分析顯示概率>F為0.003，說明模型有效。從效應檢驗來看，因子PI 膜厚、 預固化溫度、TFT & CF面摩擦強度對均值顯著(α=0.1)。L0漏光平均水平預測公式如式(3): 當PI膜厚、預固化溫度、TFT & CF面摩擦強度均取高水平時，L0漏光預測均值為0.96。

表5 均值的擬合匯總、方差分析和效應檢驗Tab.5 Fitting result, variance analysis and simple effect test of average of L0 light leakage

(3)

表6 S/N的擬合匯總、方差分析和效應檢驗Tab.6 Fitting result，variance analysis and simple effect test of S/N of L0 light leakage

從表6可以看出，S/N擬合模型對變異解釋能力為0.93，能力充分。方差分析顯示概率>F為0.01，說明模型有效。從效應檢驗來看，因子PI 膜厚，預固化溫度，預固化時間對信噪比在統(tǒng)計上是顯著(α=0.1)。S/N預測值如公式(4)所示：可以預測，不考慮其它非顯著因子，當預固化溫度和PI 膜厚取高水平，預固化時間取低水平時可預測S/N最小值為-3.12。

(4)

3.3 小 結

田口方法將控制因子按其用途分為4類：第一類是對S/N和均值都顯著影響的因子，選擇最大化S/N比用于控制變異；第二類是對S/N沒有影響，但對均值有顯著影響的因子，稱為調節(jié)因子，用于將輸出調整至目標值；第三類是對S/N有顯著影響，但對均值無影響的因子，稱為散度因子，選擇最大化S/N比用于控制變異；第四類是對S/N和均值均無顯著影響的因子，可以從其他方面來考慮他們的控制水平，如控制成本等。

表7 影響因子作用及水平選擇Tab.7 Impact factors’ application and its corresponding optimized parameter

從表7可以看出，預固化溫度、PI 膜厚既是散度因子又是調節(jié)因子；預固化時間是散度因子；TFT & CF 面摩擦強度是調節(jié)因子；摩擦布則對S/N和均值均不顯著。因此，最優(yōu)化參數組合為預固化溫度設置為140 ℃，預固化時間設置為130 s，PI 膜厚設置為75 nm，TFT 面摩擦強度設置為14 mm，CF 面摩擦強度為15.5 mm，摩擦布仍維持量產條件。利用Jump 14預測刻畫器對因子水平進行如上設置?？深A測最大S/N值為-2.98，預測均值為0.98。

4 改善效果驗證

4.1 改善前后S/N、均值與預測值對比

表8為預測S/N、均值與改善后S/N、均值實測值對比。改善前，預測均值為2.46，實驗值為2.25；預測S/N為-8.69，實驗值為-7.62。改善后預測均值為0.98，實驗值為1.04；預測S/N為-2.98，實測為-2.63。預測值與實驗結果基本吻合。

表8 預測S/N、均值與改善后S/N、均值實驗值對比Tab.8 Comparison between predicted value and measured values of S/N and average after parameter optimized

4.2 改善后L0漏光不良率

分別測量漏光程度大于Level 2的改善前的面板翹曲和漏光程度大于 Level1的改善后的面板翹曲，記錄翹曲為6.4～8.0 μm L0時對應L0漏光程度，各收集30片。通過計算L0水平漏光均值及標準差，正態(tài)模式下計算漏光程度大于Level 3的不良品比例。如表9所示，改善前均值為3.07，標準差0.74。在6.4～8.0 μm L0漏光高發(fā)區(qū)間內，可推測Level大于3的不良率為53.6%；改善后均值為1.7，標準差0.59，推算不良率為1.5%。改善前L0漏光程度大于Level 3的不良率為6.2%(參考表2)，以上可以進一步推算改善后L0漏光不良率0.2%，改善幅度達到預期。

表9 改善后L0漏光不良率

Tab.9 Reject ration of L0 light leakage after parameters optimized

控制因子均值標準差>Level 3 占比不良率/%改善前3.070.7453.6%6.3改善后1.700.591.5%0.2

5 結 論

為改善無邊框液晶模組L0漏光，本文通過對影響面板透過率的液晶材料、PI原材、ODF、PI涂布及其摩擦工藝等諸多因素進行研究，篩選出預固化溫度、預固化時間、PI 膜厚、TFT 面摩擦強度、CF 面摩擦強度、TFT 摩擦布，CF摩擦布共7個影響因子。選擇面板翹曲為噪聲因子，通過測量不同程度L0漏光對應的面板翹曲，并對L0漏光程度與翹曲進行二次擬合，以此分別選取翹曲為1.8～2.1 μm及6.4～8.0 μm的面板作為噪聲因子高低水平。按L8設計田口實驗，采用Jump14運行試驗結果，結果顯示，預固化溫度設置為140 ℃，預固化時間設置130 s，PI 膜厚設置為75 nm，TFT 面摩擦強度設置為14 mm，CF 面摩擦強度設置為15.5 mm，其他參數維持量產條件時，S/N可得到最大值-2.63，該條件下實際平均漏光水平從參數調整前的2.25下降到調整后的1.04。特別地，在漏光高發(fā)的翹曲區(qū)域，即6.4～8.0 μm時，L0漏光程度均值從3.07下降到1.7，預測漏光程度大于level 3的不良率從6.2%下降到0.2%。