窄長(zhǎng)型車載液晶顯示屏黑畫(huà)面漏光研究及改善

毛 蕾，張正元，范榮華，婁衍禮，訾 培，楊 溢，張世德，任 干，李春麗,王勛南

(合肥鑫晟光電科技有限公司，安徽 合肥230012)

1 引 言

TFT液晶顯示器憑借高性能和低成本的優(yōu)點(diǎn)，在汽車行業(yè)中廣泛運(yùn)用于車載的儀表和中控系統(tǒng)控制面板。車輛儀表盤(pán)屬于安全件，主要用于顯示行車的狀態(tài)信息，如速度、轉(zhuǎn)速、溫度、油量指示燈、行車?yán)锍痰刃畔?；中控主要顯示導(dǎo)航地圖、電話列表、多媒體播放等。車載儀表和中控面板的系統(tǒng)畫(huà)面底色一般為黑色，如果面板邊角位置有黑畫(huà)面漏光(區(qū)塊顯示發(fā)黃)會(huì)影響視覺(jué)效果，特別在黑夜開(kāi)車，視覺(jué)差異更明顯。

高級(jí)超維場(chǎng)開(kāi)關(guān)顯示模式 (Advanced-Super Dimensional Switching, ADS)液晶模組具有廣視角、高亮度以及高開(kāi)口率等優(yōu)點(diǎn)，但ADS模組受到外力的擠壓作用時(shí)，容易產(chǎn)生黑畫(huà)面漏光現(xiàn)象，影響客戶使用視覺(jué)效果。黑畫(huà)面的漏光，俗稱L0漏光，是TFT-LCD 行業(yè)ADS 產(chǎn)品中極為常見(jiàn)的一種不良。針對(duì)窄長(zhǎng)的車載ADS液晶產(chǎn)品，更易受力形變出現(xiàn)L0漏光不良。本文以312.4 mm(12.3 in)寸車載產(chǎn)品為例研究窄長(zhǎng)型ADS產(chǎn)品的漏光原理，從提升液晶面板的平坦度，優(yōu)化背光源的口子膠設(shè)計(jì)，優(yōu)化集成電路壓接在玻璃基板上的工藝(Chip on Glass,COG)方面，提升面板和背光源的組裝精度等達(dá)到改善L0漏光不良的目的[1]。

圖1 L0 漏光實(shí)物現(xiàn)象Fig.1 L0 light leakage phenomenon

2 L0漏光介紹

L0漏光是在黑畫(huà)面邊緣或角落出現(xiàn)發(fā)黃不良。如圖1所示。面板本身的形變、內(nèi)應(yīng)力、背光源的形變、柔性印刷線路板(Flexible Printed Circuit, FPC)的拉扯/擠壓、COG綁定的應(yīng)力均會(huì)造成漏光不良。某客戶的漏光標(biāo)準(zhǔn)為，在環(huán)境照度(100±50)Lx范圍內(nèi)，目視檢測(cè)，通過(guò)8% 濾光片 (Neutral Density Filter，ND Filter)不可見(jiàn)漏光不良，即判定良品。

3 L0漏光機(jī)理分析

液晶顯示器顯示原理：液晶分子在平行于玻璃基板的平面內(nèi)，無(wú)電壓時(shí)，光線經(jīng)過(guò)下偏光片后形成平行于液晶分子短軸的直線偏光，偏光方向不能轉(zhuǎn)動(dòng)，因此被上偏光片吸收無(wú)法射出。施加電場(chǎng)液晶左右形成橫向電場(chǎng)，液晶分子沿著電場(chǎng)方向排列，光線經(jīng)過(guò)下偏光板和液晶層后呈橢圓偏光狀態(tài)，可透過(guò)上偏光片射出[2-3]。

3.1 玻璃的光彈效應(yīng)

玻璃、塑料、環(huán)氧樹(shù)脂等非晶體在通常情況下是各向同性而不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象的，但當(dāng)它們受到應(yīng)力時(shí)，就會(huì)變成各向異性顯示出雙折射性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為光彈性效應(yīng)[4-5]，受力方向即為光軸方向，如圖2所示。

圖2 玻璃的光彈效應(yīng)Fig.2 Glass photo elasticity effect

3.2 面板形變產(chǎn)生漏光

當(dāng)面板受外力形變時(shí)，彩膜(Color Filter, CF)基板，液晶層，TFT玻璃基板均發(fā)生形變。當(dāng)自然光經(jīng)過(guò)下偏光片的線偏振光在TFT基板，液晶層，CF基板發(fā)生雙折射[6]。雙折射是指同一束入射光線經(jīng)過(guò)CF、液晶和TFT 層折射分成兩束的現(xiàn)象。兩束折射光中其中一束光遵循折射定律稱為o光，另一束不遵循折射定律，且折射特性隨著折射角度的變化而變化，簡(jiǎn)稱e光[2]。自然光經(jīng)過(guò)TFT、液晶層射出CF基板時(shí)表現(xiàn)為4對(duì)偏振方向相互垂直的線偏振光，這4對(duì)偏振光在穿出CF基板時(shí)，每對(duì)線偏光合成為4條橢圓偏振光且橢圓偏振光的波面平行于XOY平面，4條橢圓偏振光經(jīng)過(guò)偏光片后形成4條線偏振光，由于這4條線偏振光的振動(dòng)方向平行，可合成為1條線偏振光，產(chǎn)生亮度。若因玻璃形變等原因，則會(huì)表現(xiàn)出漏光不良[7-8]，如圖3所示。

圖3 玻璃的雙折射效應(yīng)Fig.3 Glass birefringence effect

4 L0漏光改善

4.1 面板各階段平坦度測(cè)試

重點(diǎn)分析切割前基板的平坦度(通過(guò)測(cè)量切割后面板平坦度并還原至大玻璃基板的平坦度)、貼偏光片后平坦度、組裝上背光源后的平坦度。

4.1.1 面板平坦度

首先分析切割前基板的形變，在CF和TFT 對(duì)合后，密封膠光照射固化前，大基板由于運(yùn)輸途中設(shè)備支撐力不均，產(chǎn)生微形變[2]，如圖4所示。密封膠在固化時(shí)，微形變處產(chǎn)生應(yīng)力固化到切割后面板中，受到外力時(shí)切割后面板聚集應(yīng)力處產(chǎn)生漏光。如圖5所示。

圖4 切割前基板對(duì)合流程圖Fig.4 Glass matching flow chat

圖5 切割后面板形變示意圖Fig.5 Glass deformation diagram

為了驗(yàn)證對(duì)合前后基板翻轉(zhuǎn)對(duì)其翹曲的影響(密封膠固化前翻轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為CF和TFT玻離對(duì)合前進(jìn)行TFT翻轉(zhuǎn)?，F(xiàn)有模式為CF和TFT玻璃對(duì)合后翻轉(zhuǎn)至TFT側(cè)朝上，實(shí)驗(yàn)條件為TFT優(yōu)先翻轉(zhuǎn)再對(duì)合CF和TFT玻璃。以上2張玻璃基板產(chǎn)品經(jīng)過(guò)2次切割后，使用3D 測(cè)量?jī)x，測(cè)量切割后面板的翹曲度，并使用Minitab繪制等值線圖，將切割后小面板的翹曲度還原到大基板中，切割前大基板的翹曲方向及位置如圖6所示。

圖6 切割后面板的平坦度圖Fig.6 Flatness diagram of the panel after cutting

圖中紅色點(diǎn)表示漏光的位置深紅色代表漏光Level 2↑(Level 是一種評(píng)判不良濃度的方法)；淺紅色代表Level 2↓；整張玻璃基板的顏色深淺代表變形程度，顏色越深變形越嚴(yán)重，顏色越淺變形越輕。從3D測(cè)量?jī)x可測(cè)量得：對(duì)合后不翻轉(zhuǎn)工藝的面板平坦度(實(shí)驗(yàn)條件)優(yōu)于翻轉(zhuǎn)工藝(現(xiàn)有條件)的平坦度0.05 mm。

從以上圖分析可得：對(duì)合后不翻轉(zhuǎn)對(duì)玻璃基板形變量影響較小。

4.1.2 面板貼偏光片后的形變量

分別對(duì)2張面板貼偏光片確認(rèn)，確認(rèn)翹曲是否有變化(抽樣測(cè)量)，如圖7所示。

圖7 貼POL后面板狀態(tài)的平坦度圖Fig.7 Flatness diagram of the panel state after POL is attached

3D測(cè)量面板的平均翹曲度：貼偏光片狀態(tài)時(shí)不翻轉(zhuǎn)工藝的面板翹曲相對(duì)翻轉(zhuǎn)工藝低0.02 mm。圖7分析得：貼偏光片后對(duì)面板翹曲有正向拉平作用。

4.1.3 面板組裝背光源后模組形變

針對(duì)翻轉(zhuǎn)工藝和不翻轉(zhuǎn)工藝，分別對(duì)產(chǎn)品組裝背光源(背光源膠帶為半截膠設(shè)計(jì)，并貼附在背光源兩側(cè)短邊)，組裝完成后測(cè)量面板表面的平坦度(抽測(cè)面板的A,B,C 3行)，平坦度測(cè)試如圖8所示。

3D測(cè)量模組的平均翹曲度：組裝背光源后，不翻轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)工藝，模組的翹曲度基本接近，相差0.04 mm。模組形變量相對(duì)單體面板形變量增加，且部分面板翹曲的形態(tài)發(fā)生變化(面板原為下凹狀態(tài)，現(xiàn)部分面板出現(xiàn)扭曲)，主要受組裝背光源的影響。

圖8 模組狀態(tài)的平坦度圖Fig.8 Flatness map of module state

4.2 面板平坦度分析及改善

從以上平坦度測(cè)量可得，貼偏光片和組裝背光源后，面板的平坦度均發(fā)生變化，分別對(duì)貼偏光片和組裝背光源后產(chǎn)品加信號(hào)點(diǎn)燈進(jìn)行測(cè)試，觀察產(chǎn)品L0漏光的平均漏光程度，如表1所示。

表1 L0漏光程度Tab.1 The Level of L0 leakage

從表1可得：(1) 不翻轉(zhuǎn)工藝相對(duì)翻轉(zhuǎn)工藝，L0漏光現(xiàn)象更輕微。(2)組裝背光源后，L0 漏光現(xiàn)象加重(詳細(xì)分析見(jiàn)文章4.4)，不翻轉(zhuǎn)工藝的漏光不良相對(duì)輕微。

4.3 COG綁定漏光分析改善

表2 COG Bonding工藝L0漏光分析Tab.2 L0 light leakage analysis in COG bonding process

續(xù) 表

從表2可得：在不影響綁定品質(zhì)的基礎(chǔ)上，將壓頭溫度、載臺(tái)溫度、刀頭壓力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以此減少玻璃的形變，降低L0漏光的程度。

4.4 背光源平坦度分析及改善

由于面板組裝背光源后，3D顯微鏡測(cè)量模組的翹曲度增加，點(diǎn)燈檢測(cè)L0漏光的程度增加。分析單體背光源的形變和組裝過(guò)程對(duì)L0漏光影響，如圖9所示。

4.4.1 背光源口子膠對(duì)L0漏光影響

進(jìn)行背光源口子膠位置及全膠與半膠實(shí)驗(yàn)，當(dāng)口子膠位于背光源長(zhǎng)邊，L0漏光不良率為15%。 分析不良現(xiàn)象，漏光位置主要集中在長(zhǎng)邊位置，現(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證口子膠位置對(duì)模組翹曲度和L0漏光的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)7組實(shí)驗(yàn)條件，將口子膠位置分別位于背光源長(zhǎng)邊、短邊、全膠、半膠等。每次實(shí)驗(yàn)共做3次，每次實(shí)驗(yàn)所用的面板和背光源均為同一片，不同實(shí)驗(yàn)條件之間的更換只更換泡棉和口子膠。以下數(shù)據(jù)均在未卡鐵框狀態(tài)下測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖9 面板和背光源的組裝過(guò)程Fig.9 Panel and backlight assembly process

圖10 驗(yàn)證口子膠對(duì)漏光的影響Fig.10 Influence of backlight tape on light leakage

從圖10可得：實(shí)驗(yàn)1:無(wú)口子膠;實(shí)驗(yàn)2:半口子膠貼附在背光源短邊中間位置，漏光和翹曲度最優(yōu)；實(shí)驗(yàn)3～5，半口子膠非對(duì)稱貼附或短邊全貼，翹曲及漏光均較差；實(shí)驗(yàn)6:四邊均貼附半口子膠；實(shí)驗(yàn)7:長(zhǎng)邊貼附口子膠，漏光及翹曲均較差。為更有效驗(yàn)證口子膠對(duì)漏光的影響，再次取3個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，半口子膠位于長(zhǎng)邊，無(wú)口子膠，半口子膠位于短邊樣品各5片，分別檢測(cè)其漏光程度，明顯可見(jiàn)無(wú)口子膠和口子膠在短邊漏光較輕微，如圖11所示。

圖11 驗(yàn)證口子膠對(duì)漏光影響實(shí)物圖Fig.11 The Picture of light leakage

綜上述實(shí)驗(yàn)可得：無(wú)口子膠/半口子膠優(yōu)于全口子膠；口子膠貼附短邊優(yōu)于長(zhǎng)邊(注：由于無(wú)口子膠，面板無(wú)法完全固定，在背光源中會(huì)晃動(dòng)并摩擦膠框，導(dǎo)致背光源異物不良，故不可取)。

4.4.2 驗(yàn)證背光源口子膠對(duì)L0漏光影響

將半口子膠從背光源長(zhǎng)邊變更為背光源短邊，漏光從15%降低至3%；需要進(jìn)一步分析背光源的影響。使用3D 測(cè)量?jī)x，測(cè)試背光源四周泡棉(與面板直接接觸的位置)數(shù)據(jù)：測(cè)量17 pcs樣品，背光源的平均翹曲0.24%，測(cè)量其中94% 呈現(xiàn)下凹狀態(tài)，如圖12所示。

2000年，法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司(SNCF)采用CFRP研制出雙層TGV型車體(見(jiàn)圖2)，其相對(duì)鋁合金車體減重約25%，并且通過(guò)線路運(yùn)行驗(yàn)證了CFRP 在強(qiáng)度、沖擊、防火、降噪、隔熱等性能方面的優(yōu)點(diǎn)和工業(yè)可行性。

對(duì)背光源形變的原因進(jìn)行分析，根據(jù)圖12的3D圖示，將形變點(diǎn)分別標(biāo)注為a、b、c、d 4個(gè)點(diǎn)。其中a、b 兩個(gè)點(diǎn)形變主要取決于背光源膠框的形變，膠框的形變主要受卡合點(diǎn)(Hook)卡合力影響，對(duì)膠框和背板卡和狀態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖12 背光源的翹曲Fig.12 Backlight warpage

表3 膠框Hook卡合狀態(tài)Tab.3 State of frame and hook

c點(diǎn)形變主要是由于Hook 9點(diǎn)和10點(diǎn)位置卡合緊密影響。d點(diǎn)形變位置貼附口子膠，口子膠厚度0.05 mm，故偏高。綜上可得：背光源膠框呈現(xiàn)下凹狀態(tài)，主要受背光源膠框的卡合決定。為了提升背光源平坦度需要對(duì)Hook卡合管控，保證Hook均卡合良好，最終保證背光源平坦度控制在0.3 mm以內(nèi)。

4.4.3 組裝背光源后模組平坦度分析

面板組裝上背光源成模組后，平均翹曲上升2倍，繪制等值線和3D圖，對(duì)比如圖13所示。

圖13 面板和模組的翹曲對(duì)比圖Fig.13 Contrast chart of panel and module

實(shí)際測(cè)量面板與鐵框內(nèi)部的間隙均≥0.2 mm，鐵框?qū)γ姘宀皇┝?，鐵框和背光源卡合狀態(tài)，鐵框給背板(背板直接影響膠框形變)的力，如表4所示。

表4 鐵框Hook卡和狀態(tài)Tab.4 The state of Bezel Hook

綜上所得： 鐵框和背板兩側(cè)短邊卡合緊密，長(zhǎng)邊卡合松動(dòng)，短邊對(duì)模組整體形成擠壓，導(dǎo)致模組形變。故從設(shè)計(jì)上鐵框和背光源的Hook卡合，需要保證卡合程度一致(注：設(shè)計(jì)上Hook卡合松動(dòng)，不僅導(dǎo)致背光源輕微變形，同樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品搖晃異常響聲)。

4.5 組裝精度管控

4.5.1 FPC 反折精度

模組產(chǎn)品，柔性印刷電路板(Flexible Printed Circuit，F(xiàn)PC) 一端連接面板，另一端連接電路板PCB’A(Printed Circuit Board +Assembly)，且PCB’A 需要使用雙面膠黏貼在背光源的背板上固定。做2個(gè)極端實(shí)驗(yàn)：在綁定完成不組裝背光源狀態(tài)點(diǎn)亮產(chǎn)品調(diào)至黑畫(huà)面，用手輕拉和輕推FPC，與FPC連接的面板處有明顯漏光，故需嚴(yán)格對(duì)FPC反折精度管控，減少FPC的拉扯應(yīng)力，同理，F(xiàn)PC薄化設(shè)計(jì)可減少FPC的內(nèi)應(yīng)力。

4.5.2 面板和背光源組裝精度

模組工藝，需要將面板和背光源進(jìn)行對(duì)合，要求面板與背光源膠框的凸點(diǎn)無(wú)任何干涉，若對(duì)位偏斜，面板與膠框凸點(diǎn)形成擠壓，面板受到內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致漏光，以下為某客戶312.4 mm(12.3 in)產(chǎn)品面板與膠框凸點(diǎn)設(shè)計(jì)，兩側(cè)間隙設(shè)計(jì)≤0. 4 mm。如圖14所示，面板與膠框凸點(diǎn)成0間隙，導(dǎo)致凸點(diǎn)固定點(diǎn)位的漏光。

圖14 固定位置漏光Fig.14 Light leakage of fixed position

面板和背光源對(duì)合分為兩種，人員手動(dòng)對(duì)合和設(shè)備自動(dòng)對(duì)合。首先分析人員手動(dòng)對(duì)合：對(duì)合時(shí)以長(zhǎng)邊為基準(zhǔn)對(duì)合優(yōu)于以短邊對(duì)合。對(duì)合手法，以背光源一端為起點(diǎn)對(duì)合，對(duì)合的軌跡實(shí)際為弧線L，對(duì)合的形狀為扇形。扇形的弧長(zhǎng)L越長(zhǎng)，對(duì)合過(guò)程中越容易偏移導(dǎo)致不良。

弧長(zhǎng)公式：L=nπR/180[10]。其中：L是弧長(zhǎng)，n是扇形圓心角，R是扇形徑。綜上可得：以長(zhǎng)邊為起點(diǎn)對(duì)合時(shí)，對(duì)合軌跡弧長(zhǎng)L最短，對(duì)合的精度越高[11]。如圖15所示。

圖15 手動(dòng)對(duì)合軌跡Fig.15 Manual assembly route

其次分析設(shè)備自動(dòng)對(duì)合：設(shè)備對(duì)合是真空吸嘴吸附面板，相機(jī)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位對(duì)位，面板整面下壓對(duì)合，通過(guò)設(shè)備精度管控，面板與膠框凸點(diǎn)無(wú)接觸[11]，從而不會(huì)形成凸點(diǎn)位置擠壓漏光。

5 結(jié)果與討論

L0漏光是ADS產(chǎn)品頑固性不良，漏光形成的根本原因是產(chǎn)品的形變及內(nèi)應(yīng)力作用。本文主要分析面板形變和內(nèi)應(yīng)力對(duì)漏光的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)從面板的制成工藝，及機(jī)構(gòu)干涉方面著手，對(duì)各工藝段產(chǎn)品平坦度進(jìn)行測(cè)量，查找內(nèi)應(yīng)力的來(lái)源，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)找到工藝的最佳參數(shù)組合?？傮w來(lái)說(shuō)，在CF和TFT 對(duì)合后，密封膠固化前減少切割前面板運(yùn)輸途中設(shè)備支撐力不均，導(dǎo)致面板產(chǎn)生微形變，如減少運(yùn)輸翻轉(zhuǎn)，增加支撐面板的面積，降低運(yùn)輸速度，提升面板的平坦度；COG 綁定工藝，通過(guò)降低綁定溫度，減少IC和玻璃的熱脹冷縮，減少形變量；背光源平坦度設(shè)計(jì)，通過(guò)管控膠框Hook 卡合狀態(tài)，保證Hook全部卡合完好，保證膠框平坦度，并將背光源平坦度管控增加至背光源入料檢測(cè)關(guān)鍵尺寸；背光源上泡棉口子膠設(shè)計(jì)，分段式的口子膠代替全膠，降低膠的粘性等，降低口子膠對(duì)面板的拉力，針對(duì)窄長(zhǎng)型呈下凹狀態(tài)的面板，口子膠設(shè)計(jì)在短邊代替設(shè)計(jì)貼附在長(zhǎng)邊，以達(dá)到不加重漏光的目的；其次模組組裝工藝提升精度，如FPC 的反折精度，減少FPC 對(duì)面板的拉力/推力，減少面板的內(nèi)應(yīng)力；提升面板和背光源對(duì)合精度防止背光源膠框凸點(diǎn)對(duì)面板的擠壓，減少L0 漏光。

6 結(jié) 論

在CF和TFT 對(duì)合后密封膠固化前，切割前面板不做翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，可提升面板的平坦度；針對(duì)背光源的口子膠貼附，無(wú)膠狀態(tài)最優(yōu)，為防止面板在背光源中移動(dòng)摩擦膠框?qū)е卤彻庠茨z框屑增加，需要對(duì)面板進(jìn)行固定，口子膠采用半膠代替全膠，貼附于面板形變的高點(diǎn)位置，如窄長(zhǎng)型ADS面板呈現(xiàn)凹形變，口子膠需要貼附在背光源短邊側(cè)，避免貼附在凹型的低點(diǎn)，否則會(huì)加重面板的形變。最后，導(dǎo)入低溫ACF 綁定工藝，提升FPC 反折精度，提升面板和背光源對(duì)合組裝精度，均為減少面板的形變及內(nèi)應(yīng)力，最終通過(guò)設(shè)計(jì)變更及工藝優(yōu)化，L0漏光從15%不良降低至0.1%以內(nèi)。