基于COF區(qū)彎折的柔性屏金屬層應(yīng)力影響因素分析

鄭宏兵， 汪 洋， 王 寧， 尹紅軍， 龔增超， 梁 釗， 曾 木， 郝 顯， 韓 強(qiáng)

(綿陽(yáng)京東方光電科技有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000)

1 引 言

OLED(Organic Light-Emitting Diode)具有輕薄、柔性、低能耗、高解析度、響應(yīng)速度快等優(yōu)異性能，隨著顯示技術(shù)的發(fā)展，成為了新一代顯示面板[1-4]。當(dāng)前，柔性O(shè)LED屏幕已全面向商業(yè)化的方向發(fā)展，屏占比更高的全面屏在未來(lái)幾年內(nèi)必將是高端手機(jī)的標(biāo)配[5]。將面板COF(Chip on Film)的連接區(qū)域向后彎折是提高屏占比的主要方式之一，COF連接區(qū)域附近相關(guān)結(jié)構(gòu)貼附偏移和路徑的變化導(dǎo)致在彎折過(guò)程中和可靠性(只考慮溫度影響)試驗(yàn)時(shí)易發(fā)生金屬層斷裂的問(wèn)題，致使屏幕出現(xiàn)無(wú)顯、異顯現(xiàn)象，影響屏幕的顯示效果及使用。因此，合理的彎折路徑和彎折區(qū)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及偏移范圍管控，可在一定程度上降低金屬層產(chǎn)生斷裂的可能性，進(jìn)而提高良品率。

張博等人[6]利用有限元對(duì)金屬走線中裂紋的擴(kuò)展機(jī)理以及抑制裂紋擴(kuò)展的方法進(jìn)行了研究。鄧亮等人[7]對(duì)柔性 AMOLED中不同柔性襯底材料和金屬走線的可靠性以及彎曲過(guò)程中電性的可靠性進(jìn)行了分析。Kim等人[8]通過(guò)對(duì)沉積在不同表面的金屬走線進(jìn)行了機(jī)械彎折實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)金屬走線沉積在有溝壕的PI表面比沉積在平面時(shí)具有更高的粘附性，因此其金屬走線的彎折性能也有提升。目前，通過(guò)仿真手段對(duì)COF區(qū)彎折相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、貼附偏移誤差管控以及彎折路徑變化對(duì)柔性屏金屬層應(yīng)力影響的系統(tǒng)研究甚少。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)優(yōu)化COF區(qū)彎折相關(guān)結(jié)構(gòu)與彎折路徑以及確定貼附偏移誤差管控范圍，其設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣，驗(yàn)證成本高昂，驗(yàn)證周期較長(zhǎng)，效率低下。本文通過(guò)數(shù)值模擬的方式，對(duì)彎折區(qū)相關(guān)堆疊結(jié)構(gòu)和貼附偏移對(duì)金屬層在彎折過(guò)程中應(yīng)力的影響進(jìn)行了研究，同時(shí)分析了嚴(yán)苛溫度下金屬層的可靠性，為彎折區(qū)相關(guān)堆疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和貼附偏移誤差管控范圍以及彎折路徑優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

2 彎折過(guò)程

2.1 幾何模型

COF區(qū)及彎折相關(guān)結(jié)構(gòu)的幾何模型示意圖如圖1所示。柔性O(shè)LED屏幕由多層結(jié)構(gòu)組成，主要為有機(jī)層、無(wú)機(jī)層和金屬層等。柔性屏通過(guò)壓敏膠(Pressure Sensitive Adhesive，PSA)與U型膜粘貼在一起。U型膜上粘貼一層泡棉(Foam)，起到彎折后與U型膜粘貼的作用，使彎折區(qū)保持成弧狀態(tài)。柔性屏另一側(cè)利用PSA與偏光片粘在一起。彎折區(qū)域通過(guò)金屬包覆層(MCL)進(jìn)行保護(hù)。

如圖1所示，在U型膜一端建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)系y軸距偏光片的距離為恒定值300 μm，x軸與柔性屏上表面重合，坐標(biāo)系不隨U型膜移動(dòng)。L為彎折區(qū)域的寬度，受空間的限制和設(shè)計(jì)的要求，彎折區(qū)域的寬度為恒定值。泡棉端面距U型膜端面的初始距離為200 μm，即泡棉端面距坐標(biāo)原點(diǎn)的初始距離。MCL的初始厚度為100 μm。

圖1 COF區(qū)及彎折相關(guān)結(jié)構(gòu)的幾何模型示意Fig.1 Geometric model diagram of COF region and bending related structure

2.2 彎折路徑

彎折過(guò)程如圖2所示。在COF區(qū)彎折的過(guò)程中，OLED柔性屏帶泡棉的一側(cè)固定在平臺(tái)上，另一側(cè)進(jìn)行彎折，并與泡棉粘貼在一起，使彎折區(qū)保持弧形狀態(tài)。在彎折過(guò)程中，為了保證柔性屏上的彎折應(yīng)力在彎折區(qū)均勻分布，同時(shí)防止彎折過(guò)程中應(yīng)力在彎折區(qū)兩端(根部)，則在不同彎折角度均以彎折區(qū)中心軸為對(duì)稱(chēng)軸進(jìn)行彎折，即任意角度時(shí)彎折區(qū)均處于對(duì)稱(chēng)彎折狀態(tài)，該彎折過(guò)程形成的軌跡為彎折路徑。

圖2 彎折過(guò)程示意圖Fig.2 Bending process diagram

圖3給出了彎折θ角度后彎折區(qū)的幾何關(guān)系。AB為彎折區(qū)域，長(zhǎng)度為L(zhǎng)。BC為彎折吸附平臺(tái)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，C點(diǎn)的彎折軌跡為彎折路徑。

圖3 彎折過(guò)程幾何關(guān)系Fig.3 Geometric relationship of bending process

(1)

(2)

C的軌跡為：

(3)

3 結(jié)果與討論

3.1 有限元模型

本文采用有限元方法，將COF彎折區(qū)幾何模型簡(jiǎn)化為二維平面模型，主要分析COF彎折區(qū)二維平面的彎折過(guò)程和可靠性時(shí)金屬層的應(yīng)力問(wèn)題。偏光片和柔性屏的大部分不參與彎折，只建立與彎折相關(guān)部分模型。分析模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸為0.005 mm。圖4為 COF區(qū)及彎折相關(guān)結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型。金屬層彈性模量為330 GPa，熱膨脹系數(shù)為3×10-5C-1；MCL膠材可認(rèn)為是一種不可壓縮材料，其在彎折過(guò)程中的非線性彈性行為可用超彈性來(lái)描述。Mooney-Rivlin、Ogden、Van der Waals、Yeoh等為超彈性本構(gòu)模型的多種形式[9]。整個(gè)彎折過(guò)程為單軸受力，且單軸拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Mooney-Rivlin模型嚙合結(jié)果較好，本文采用經(jīng)典的Mooney-Rivlin模型。

在有限元計(jì)算時(shí)，將圖4中偏光片底部(與玻璃粘貼部分)在x和y方向分別固定約束，泡棉、U型膜、柔性屏和偏光片等左側(cè)端面在方向固定約束。以圖1中坐標(biāo)系為參考，將公式(3)中C點(diǎn)的軌跡作為彎折初始路徑，利用該路徑進(jìn)行彎折的有限元計(jì)算。彎折完成后，要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)苛溫度和濕度下的可靠性驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)后才能進(jìn)行項(xiàng)目的量產(chǎn)，本文所述可靠性分析為僅考慮彎折后在85 ℃溫度下對(duì)金屬層應(yīng)力的影響。仿真結(jié)果中，每個(gè)影響因素下，均以其可靠性結(jié)果最大值為基準(zhǔn)，對(duì)金屬層應(yīng)力幅值結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。

3.2 U型膜對(duì)金屬層的影響

屏幕在彎折平臺(tái)固定后，U型膜在x軸方向的貼附偏差會(huì)對(duì)金屬層在彎折和可靠性時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力有明顯影響。以圖1中所示為初始位置，U型膜沿x軸以25 μm為移動(dòng)偏移間隔，沿x軸正向?yàn)檎?，反向?yàn)樨?fù)，其移動(dòng)后在彎折和可靠性下對(duì)金屬層應(yīng)力的影響如圖5所示。

(a)彎折過(guò)程 (a)Progress of bending

(b)信賴(lài)性過(guò)程 (b)Progress of reliability 圖5 U型膜移動(dòng)對(duì)金屬層最大應(yīng)力的影響Fig.5 Effect of U-film movement on metal layer maximum stress

由圖5可知，金屬層在彎折過(guò)程中受到的最大應(yīng)力隨著U型膜左右移動(dòng)而出現(xiàn)增大趨勢(shì)，均在100 μm時(shí)出現(xiàn)了突增，且幅值接近了可靠性結(jié)果；在溫度的影響下，U型膜向右移動(dòng)對(duì)金屬層受到的最大應(yīng)力趨于穩(wěn)定，向左移動(dòng)至50 μm后金屬層受到的最大應(yīng)力陡增?？梢?jiàn)，U型膜左移后逐漸降低彎折過(guò)程中對(duì)金屬層的保護(hù)，使其應(yīng)力明顯增大，右移則減小了彎折區(qū)的彎折半徑，強(qiáng)行彎折后使U型膜變形導(dǎo)致金屬層受到的最大應(yīng)力顯著增大；同時(shí)，U型膜熱膨脹系數(shù)小于金屬層，左移50 μm后減小了對(duì)金屬層熱膨脹的約束力，使其受到的最大應(yīng)力明顯增大，右移覆蓋金屬層后其對(duì)金屬層熱膨脹的約束力已達(dá)穩(wěn)態(tài)值，從而右移對(duì)可靠性的結(jié)果幾乎無(wú)影響。因此，U型膜的貼附誤差管控應(yīng)綜合考慮彎折和可靠性結(jié)果，選擇彎折和可靠性結(jié)果中金屬層最大應(yīng)力突增前U型膜變化區(qū)間的重疊區(qū)域。

3.3 泡棉對(duì)金屬層的影響

泡棉處在U型膜上方，其貼附偏移后也會(huì)對(duì)金屬層在彎折和可靠性時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力有一定的影響。以圖1中所示為初始位置，本文取泡棉在x軸以50 μm為移動(dòng)偏移間隔，沿x軸正向?yàn)檎?，反向?yàn)樨?fù)，結(jié)果如圖6所示。

(a)彎折過(guò)程 (a)Progress of bending

(b)信賴(lài)性過(guò)程 (b)Progress of reliability 圖6 泡棉移動(dòng)對(duì)金屬層最大應(yīng)力的影響Fig.6 Influence of foam movement on metal layer maximum stress

由圖6可知，金屬層在彎折過(guò)程中受到的最大應(yīng)力隨著泡棉從左到右移動(dòng)而逐漸增大，但整體最大應(yīng)力值小于可靠性結(jié)果。泡棉向右移動(dòng)，可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力趨于穩(wěn)定，向左移動(dòng)則呈增大趨勢(shì)，左移150 μm時(shí)出現(xiàn)突增?？梢?jiàn)，泡棉從左到右偏移使U型膜與泡棉間距變小、且厚度增加，導(dǎo)致U型膜剛度增大，減小了U型膜變形對(duì)彎折力的分擔(dān)，導(dǎo)致其受到的最大應(yīng)力逐漸增大；泡棉右移前對(duì)金屬層熱膨脹的約束力已達(dá)穩(wěn)態(tài)值，對(duì)可靠性的結(jié)果幾乎無(wú)影響，泡棉左移后對(duì)U型膜熱膨脹的約束降低，致使可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力增大。因此，通過(guò)可靠性結(jié)果中金屬層的最大應(yīng)力變化情況，就可確定泡棉的貼附誤差的管控范圍。

3.4 MCL對(duì)金屬層的影響

MCL處于柔性屏彎折區(qū)彎折后的外側(cè)，其主要影響柔性屏處應(yīng)力中性層位置，從而對(duì)柔性屏起到保護(hù)作用，因此研究MCL厚度對(duì)柔性屏金屬層應(yīng)力的影響是很有必要的。其結(jié)果如圖7所示，橫坐標(biāo)為MCL厚度，縱坐標(biāo)為金屬層受到的應(yīng)力。

(a)彎折過(guò)程 (a)Progress of bending

(b)信賴(lài)性過(guò)程 (b)Progress of reliability 圖7 MCL厚度變化對(duì)金屬層最大應(yīng)力的影響Fig.7 Influence of MCL thickness variation on metal layer maximum stress

由圖7可知，隨著MCL厚度的增大，導(dǎo)致金屬層遠(yuǎn)離中性層，彎折過(guò)程中金屬層受到的最大應(yīng)力隨之變大?？煽啃赃^(guò)程中，金屬層應(yīng)力主要為自身和MCL受熱膨脹產(chǎn)生。隨著MCL在初始厚度上增大，彎折后MCL帶動(dòng)屏幕和U型膜變形也越大，加溫后MCL的彎折半徑隨厚度增加而膨脹變大，從而帶動(dòng)金屬層反向彎折而導(dǎo)致應(yīng)力變大。當(dāng)彎折后金屬層產(chǎn)生的變形逐漸抵消熱膨脹產(chǎn)生的變形時(shí)，金屬層應(yīng)力又逐漸減小至初始厚度對(duì)應(yīng)應(yīng)力附近。所以，可靠性結(jié)果為先增大后減小。因此，MCL增厚會(huì)對(duì)彎折過(guò)程和可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力均有影響。

3.5 彎折路徑對(duì)金屬層的影響

以公式(3)對(duì)應(yīng)C點(diǎn)軌跡為初始彎折路徑。由于在彎折過(guò)程中，彎折平臺(tái)要在y方向進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)彎折路徑與設(shè)計(jì)相吻合，那么不可避免地會(huì)使彎折平臺(tái)在y方向出現(xiàn)誤差，探究該誤差對(duì)金屬層應(yīng)力的影響對(duì)生產(chǎn)指導(dǎo)是非常有必要的。為了便于對(duì)比，將初始路徑在y方向整體上、下移動(dòng)，其移動(dòng)后結(jié)果如圖8所示。圖中橫坐標(biāo)表示上下移動(dòng)的距離，向上移動(dòng)為正，反之為負(fù)；縱坐標(biāo)為金屬層受到的應(yīng)力。

圖8 彎折路徑對(duì)金屬層最大應(yīng)力的影響Fig.8 Influence of bending path on maximum stress of metal layer

由圖8可知，金屬層在彎折過(guò)程中受到的最大應(yīng)力隨著彎折路徑的上、下移動(dòng)而增大。在上、下移動(dòng)150 μm時(shí)，金屬層在彎折過(guò)程中受到的最大應(yīng)力均超過(guò)可靠性中的結(jié)果，且路徑上移影響更為明顯。可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力在彎折路徑的上、下移動(dòng)時(shí)基本保持不變?？梢?jiàn)，彎折路徑的上、下移動(dòng)對(duì)金屬層在彎折過(guò)程中受到的最大應(yīng)力影響很大，對(duì)其在可靠性結(jié)果中受到的最大應(yīng)力幾乎沒(méi)有影響。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)柔性O(shè)LED屏幕COF連接區(qū)域在彎折過(guò)程和可靠性影響下金屬層的應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，討論了U型膜和泡棉在x軸方向的貼附偏差、MCL膠層厚度以及彎折路徑在y方向移動(dòng)等因素對(duì)柔性屏金屬層應(yīng)力的影響，得出以下結(jié)論：

(1)U型膜左移會(huì)使彎折過(guò)程和可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力明顯增大，其右移使得彎折過(guò)程中金屬層受到的最大應(yīng)力顯著增大，但可靠性結(jié)果趨于穩(wěn)定。

(2)泡棉從左到右偏移使彎折過(guò)程中金屬層受到的最大應(yīng)力逐漸增大，泡棉左偏移使得可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力明顯增大。

(3)MCL增厚會(huì)對(duì)彎折過(guò)程和可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力均有影響。

(4)彎折路徑的上、下移動(dòng)對(duì)金屬層在彎折過(guò)程中受到的最大應(yīng)力影響很大，對(duì)其在可靠性結(jié)果中受到的最大應(yīng)力幾乎沒(méi)有影響。

綜上可知，U型膜和泡棉在x軸方向的貼附偏差、MCL膠層厚度變化以及彎折路徑在y方向移動(dòng)均會(huì)對(duì)金屬層在彎折過(guò)程中受到的最大應(yīng)力幅值產(chǎn)生較大影響，而U型膜和泡棉左偏移以及MCL膠層厚度增加會(huì)導(dǎo)致可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力增大。