液晶面板封框膠斷裂強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型和性能增強(qiáng)

程再軍，張 旭,，顏華生，李愿愿,，王建明，傘海生

(1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建廈門361024；2.廈門天馬微電子有限公司消費(fèi)品質(zhì)量部，福建廈門361101；3.廈門大學(xué)薩本棟微納米科學(xué)技術(shù)研究院，福建廈門361005)

膠接結(jié)構(gòu)因能提高連接效率而越來越多地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)中[1-4].隨著技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的尺寸越來越小，封裝越來越輕薄.有研究[5-6]表明：當(dāng)產(chǎn)品受到外界高溫環(huán)境或者載荷時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生界面剝離破壞.因此，膠接結(jié)構(gòu)的黏合強(qiáng)度研究在電子產(chǎn)品的質(zhì)量評(píng)價(jià)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)中占有越來越重要的地位.

液晶面板作為電子產(chǎn)品的重要顯示結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的薄膜晶體管玻璃基板和彩色濾光片玻璃基板依靠封框膠進(jìn)行連接而形成膠接結(jié)構(gòu)，并防止液晶泄露，以及雜質(zhì)與液晶接觸而造成的液晶污染[7-8].因此，封框膠的斷裂強(qiáng)度在很大程度上決定著液晶面板的顯示質(zhì)量.經(jīng)分析，影響封框膠斷裂強(qiáng)度的因素主要有材料自身特性[9-11]、膠層厚度、界面端結(jié)合角等，其中，斷裂強(qiáng)度隨著封框膠膠層厚度的增大而減小[12-14].同時(shí)，在對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理總結(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)封框膠斷裂強(qiáng)度測(cè)試位置及其材料力學(xué)特性的相關(guān)理論研究比較缺乏.所以，驗(yàn)證測(cè)試位置及材料特性對(duì)封框膠斷裂強(qiáng)度的影響成為了可靠性評(píng)價(jià)工程中需要解決的重要問題之一.

為此，本文通過對(duì)封框膠及應(yīng)用于液晶面板的封框膠進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，得到封框膠的斷裂強(qiáng)度.基于臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子界面端應(yīng)力模型和回歸分析，計(jì)算出封框膠膠接結(jié)構(gòu)的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，分別推導(dǎo)了不考慮膠層缺陷和殘余應(yīng)變影響下的封框膠及液晶面板封框膠的斷裂強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型.并對(duì)比預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果和測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的可靠性；最后分析材料參數(shù)、界面端結(jié)合角、膠接表面處理與斷裂強(qiáng)度的關(guān)系，為工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo).

1 封框膠斷裂性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用某公司已量產(chǎn)的液晶面板.由于液晶面板尺寸較小，無法直接施加載荷.因此設(shè)計(jì)一種黏結(jié)力大于封框膠的方型膠帶(簡(jiǎn)稱方膠)，邊長(zhǎng)為19 mm，厚度為3.8 mm，將其黏貼在液晶面板需測(cè)試的位置.實(shí)驗(yàn)前，將液晶面板的表面用無塵布擦拭，去除表面雜質(zhì)，然后將方膠黏貼在樣品上并靜置48 h，保證方膠能夠完全牢固貼合，防止實(shí)驗(yàn)脫落.實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)(島津，AG-X plus 5 kN，1 N～4 800 N/980 N)，加載速率為10 mm/min.實(shí)驗(yàn)中為確保數(shù)據(jù)有效性，每個(gè)實(shí)驗(yàn)均測(cè)試20個(gè)樣品.

1.1 封框膠單軸拉伸實(shí)驗(yàn)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為保證封框膠拉伸實(shí)驗(yàn)僅在封框膠的作用下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前排凈液晶面板內(nèi)部的液晶以消除液晶吸附力，僅測(cè)量玻璃基板拉開時(shí)所需要的斷裂拉力.為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，分別對(duì)液晶面板的直邊和直角兩個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試位置如圖1所示，插圖為方膠下對(duì)應(yīng)內(nèi)部封框膠的涂布情況.

圖1 封框膠單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)位圖Fig.1Test site of sealant in uniaxial tensile test

1.1.2 結(jié)果分析

圖2 封框膠單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的載荷位移曲線Fig.2Load-displacement curve of sealant in uniaxial tensile test

圖3 封框膠單軸拉伸實(shí)驗(yàn)及結(jié)果Fig.3Uniaxial tensile test and results of sealant

圖2為單個(gè)樣品測(cè)試的載荷-位移曲線圖.曲線顯示拉力值均隨位移的增加近似呈線性增長(zhǎng)，說明斷裂前的拉伸狀態(tài)可以理想化成一個(gè)線彈性體，其應(yīng)力與應(yīng)變也呈線性關(guān)系.到達(dá)曲線最高點(diǎn)時(shí)，封框膠斷裂失效，曲線開始下降.

圖3為測(cè)試樣品及數(shù)據(jù)圖.如圖3(a)和(b)所示，液晶面板測(cè)試前為黏合狀態(tài)，測(cè)試后呈現(xiàn)“Y”字形，說明液晶面板被分離，封框膠斷裂.從圖3(c)和(d)可看出，直邊和直角的斷裂拉力分別為50和85 N.根據(jù)涂布封框膠時(shí)，監(jiān)控得到的封框膠斷面面積和液晶面板盒厚的工藝參數(shù)，計(jì)算出封框膠寬度，乘以涂布長(zhǎng)度后得到封框膠與玻璃基板的接觸面積.直邊和直角位置的封框膠與玻璃基板接觸面積分別約為9.5和17 mm2.經(jīng)計(jì)算，斷裂強(qiáng)度分別約為5.26和5 MPa.對(duì)比兩種測(cè)試結(jié)果，同樣的涂布條件，直角位置的斷裂拉力大于直邊，但斷裂強(qiáng)度與直邊近似相等.結(jié)果說明，在材料及膜層厚度一定的情況下，測(cè)試位置會(huì)對(duì)斷裂拉力產(chǎn)生影響，但是與斷裂強(qiáng)度無關(guān).

1.2 液晶面板拉伸實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

液晶面板拉伸實(shí)驗(yàn)是在封框膠與其他未知干擾因素共同存在的情況下，即對(duì)完整的液晶面板不做任何特殊處理，測(cè)量封框膠失效所需要的斷裂拉力.按如圖4所示的4個(gè)位置(直邊：D1，D2；直角：R1，R2)對(duì)液晶面板進(jìn)行拉伸測(cè)試.測(cè)試時(shí)，樣品通過輔助夾具固定在設(shè)備上，未固定的另一側(cè)下方放置一個(gè)泡棉用來支撐，防止樣品因重心偏移出現(xiàn)破裂.

1.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5為樣品失效圖和測(cè)試結(jié)果圖.圖5(a)和(b)為直邊和直角樣品失效圖，當(dāng)達(dá)到液晶面板封框膠斷裂臨界值時(shí)，封框膠失效，玻璃基板分離.圖5(c)和(d)

圖4 液晶面板拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)位Fig.4Test site of liquid crystal panel in uniaxial tensile test

為直邊和直角樣品測(cè)試結(jié)果.玻璃基板拉開瞬間，直邊和直角的斷裂拉力分別約為90和200 N，斷裂強(qiáng)度分別約為10和12 MPa.直角的斷裂拉力約為直邊樣品的兩倍，但斷裂強(qiáng)度近似相等.可以看出，與僅有封框膠的測(cè)試結(jié)果相比，存在其他干擾因素的液晶面板，斷裂強(qiáng)度增大了近一倍，且干擾因素對(duì)直角位置斷裂強(qiáng)度的影響略大于直邊.

圖5 液晶面板拉伸實(shí)驗(yàn)及結(jié)果Fig.5Tensile test and results of liquid crystal panel

2 力學(xué)模型分析

2.1 液晶面板力學(xué)模型

圖6 液晶面板二維模型圖Fig.6Two-dimensional model of liquid crystal panel

根據(jù)界面端應(yīng)力分布規(guī)律，液晶面板受到拉力作用時(shí)，界面端會(huì)出現(xiàn)奇異應(yīng)力σy,無切應(yīng)力產(chǎn)生，即τxy=0.該應(yīng)力隨其距界面端點(diǎn)O的距離r而變化，關(guān)系式如下[15-16]：

(1)

其中，Kσ表示應(yīng)力強(qiáng)度因子，λ表示應(yīng)力或位移分布的主要特征，只與界面端附近幾何形狀和黏結(jié)材料的參數(shù)有關(guān)，稱為界面端特征值.

2.2 異種材料界面端理論模型

液晶面板的上下層玻璃依靠封框膠連接，存在異種材料界面端，其失效階段由界面端的奇異應(yīng)力導(dǎo)致.當(dāng)封框膠所受外力達(dá)到斷裂臨界值時(shí)，界面會(huì)出現(xiàn)裂紋，最終導(dǎo)致封框膠與玻璃基板的連接界面剝離破壞.異種材料界面端的一般模型如圖7所示[17]，圖中θ1、θ2分別為材料一和材料二的邊緣角.

圖7 異種材料界面端模型Fig.7An interface edge model of different materials

根據(jù)液晶面板界面端應(yīng)力分布，采用復(fù)變應(yīng)力函數(shù)對(duì)界面附近的應(yīng)力或位移進(jìn)行分析.設(shè)模型中Goutsat復(fù)變應(yīng)力函數(shù)和極坐標(biāo)應(yīng)力函數(shù)如下式[18-19]：

(2)

(3)

式中：θ指r與x軸的夾角；z=reiθ；φj、ψj分別為材料j的復(fù)變應(yīng)力和極坐標(biāo)應(yīng)力的解析函數(shù)，式(3)中其一階和二階導(dǎo)僅對(duì)r求導(dǎo)；Aj、Bj、Cj、Dj分別為材料j的待定系數(shù)；G為剪切模量；κ為材料常數(shù)；ur、vθ分別為徑向和環(huán)向位移；τrθ為切應(yīng)力.

根據(jù)工程實(shí)際，已知液晶面板界面端的θ1=θ2=π/2,θ=0,可以得到界面連續(xù)條件和自由邊界條件：

ur1=ur2,vθ1=vθ2,σθ1=σθ2=0,τrθ1=τrθ2=0.

(4)

聯(lián)立式(2)～(4)，可以得到以下線性方程組：

(5)

其中，Γ為材料一和材料二的剪切模量之比，即Γ=G1/G2.將式(5)轉(zhuǎn)換成齊次方程組，對(duì)其進(jìn)行求解，得到該方程組的特征方程如下[17-18]：

(6)

其中,α、β為Dundurs材料復(fù)合系數(shù)[20]，也稱異材(雙材料)參數(shù).它描述了復(fù)合材料界面上兩種材料相互約束的關(guān)系，被廣泛地用來描述結(jié)合材料的彈性特性，根據(jù)其與剪切模量和泊松比ν的關(guān)系，可用于選擇合適的材料組合以增加結(jié)合材料的強(qiáng)度，表達(dá)式如下：

(7)

(8)

特征方程中，λ解的范圍為(0, 1)，當(dāng)α(α-2β)>0時(shí)，在外載荷作用下，界面端存在奇異應(yīng)力場(chǎng)σy.斷裂力學(xué)中，界面端的無量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子Fσ的表達(dá)式為[21]：

(9)

其中，Kσ為應(yīng)力強(qiáng)度因子，σy(r)為距離界面端點(diǎn)r處的應(yīng)力.由于界面端應(yīng)力存在奇異性，有限元數(shù)值模擬得到的應(yīng)力值σ′y會(huì)隨著網(wǎng)格尺寸的細(xì)化而改變，即σ′y≠σy(r).因此，F(xiàn)σ不能直接用σ′y來計(jì)算.

2.3 無量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算

(10)

2.4 封框膠斷裂強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型

由斷裂力學(xué)理論可知，臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kσ c、無量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子Fσ和斷裂強(qiáng)度σc存在如下關(guān)系[21-23]：

Kσ c=FσσcW1-λ.

(11)

將已知的材料參數(shù)帶入式(6)～ (8)，求出特征值λ,再將其帶入式(11)中，便可計(jì)算出膠接結(jié)構(gòu)的臨界強(qiáng)度因子Kσ c,而且不同膠層厚度膠接結(jié)構(gòu)的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子幾乎恒定不變.因此，可把已知厚度求得的Kσ c看成其他膠層厚度的Kσ c[21-23],進(jìn)而得到其他膜層厚度的斷裂強(qiáng)度.

根據(jù)上述方法，假設(shè)封框膠為不存在缺陷和殘余應(yīng)變的均勻材料，長(zhǎng)寬比滿足L/W≥1,此時(shí)無量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子Fσ的數(shù)值大小僅與材料復(fù)合系數(shù)α和β有關(guān).將玻璃基板和封框膠的材料參數(shù)代入式(6)～(8)，可以求出具體材料屬性,如表1所示.

表1 材料屬性

(12)

2.5 液晶面板封框膠斷裂強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型

應(yīng)用于液晶面板封框膠的斷裂強(qiáng)度除了封框膠的作用，還會(huì)受到其他干擾因素影響，例如液晶吸附力、破真空力等，同時(shí)理論和實(shí)驗(yàn)存在一定誤差.把封框膠斷裂強(qiáng)度和液晶面板封框膠斷裂強(qiáng)度之間的關(guān)系看成一系列的數(shù)據(jù)對(duì)[(σc1,σp1),(σc2,σp2)…(σcm,σpm)]，即σc為封框膠的斷裂強(qiáng)度，σp為應(yīng)用于液晶面板封框膠的斷裂強(qiáng)度，令方程的初始表達(dá)式為

(13)

(14)

2.6 模型驗(yàn)證

將式(14)中由預(yù)測(cè)模型得到的理論預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，誤差如圖8所示.

注：誤差=(實(shí)驗(yàn)值-預(yù)測(cè)值)/實(shí)驗(yàn)值×100%.圖8 預(yù)測(cè)誤差對(duì)比分析Fig.8 Comparison of predictive errors

圖8為不同測(cè)試位置對(duì)應(yīng)的模型預(yù)測(cè)誤差對(duì)比分析曲線.可以看出，D1和D2位置，預(yù)測(cè)值比測(cè)試值偏低；R1和R2位置，預(yù)測(cè)值比測(cè)試值偏高.總體誤差范圍均控制在±20%以內(nèi)，大部分誤差控制在15%以內(nèi)，最小誤差僅0.33%，說明預(yù)測(cè)模型具有較高的準(zhǔn)確性.而且，本文中的預(yù)測(cè)模型是基于不存在缺陷和殘余應(yīng)變的理想膠層.實(shí)際材料存在的缺陷、破壞機(jī)理及模型不同均可能會(huì)影響到預(yù)測(cè)精度.

3 封框膠斷裂強(qiáng)度的改善

現(xiàn)有產(chǎn)品的改善和新產(chǎn)品的研發(fā)過程中，質(zhì)量提升是整個(gè)顯示行業(yè)不斷努力的方向.根據(jù)上述斷裂強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，可以發(fā)現(xiàn)材料力學(xué)特性及界面端幾何形狀對(duì)斷裂強(qiáng)度提升發(fā)揮著重要的作用.因此，可以通過如下方法來提升液晶面板封框膠的斷裂強(qiáng)度.

圖9 特征值λ的影響因素分析Fig.9Analysis of influencing factors of λ

減小界面端應(yīng)力奇異性，即減小奇異性指數(shù)1-λ的值.已知解λ>0，隨著λ的增大，奇異性隨之減小.當(dāng)λ≥1時(shí)，意味著界面端不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，即能夠提高界面端的結(jié)合強(qiáng)度.又由式(4)～(8)可知，界面端的奇異性不僅與材料組合有關(guān)，還與界面端的幾何形狀有關(guān).合適的材料組合和界面端形狀，能夠降低界面端奇異性，提高結(jié)合材料的力學(xué)性能，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的.一般來說，界面端幾何形狀對(duì)奇異性的影響較為明顯.特征值λ與材料復(fù)合系數(shù)α、β關(guān)系如圖9(a)所示，改變封框膠材料來減小奇異性.若增大λ，則需要減小α或者增大β.圖9(b)為材料復(fù)合系數(shù)α與封框膠彈性模量E的關(guān)系圖，α的值隨著彈性模量E的增大而減小.圖9(c)為材料復(fù)合系數(shù)β與封框膠彈性模量E、泊松比ν的關(guān)系圖，若想增大β，且增大彈性模量E，則需要減小泊松比ν.改變界面端幾何形狀，即改變結(jié)合角.研究表明，若適當(dāng)減小結(jié)合角的角度，能夠增大特征值λ，進(jìn)而提高界面結(jié)合強(qiáng)度[25].

通過相關(guān)技術(shù)盡可能的減少膠層缺陷或者對(duì)膠接表面進(jìn)行特殊處理.工程中實(shí)際使用的材料表面會(huì)存在一定的缺陷或者空洞，又因界面兩側(cè)材料性質(zhì)不同，不可避免的會(huì)存在結(jié)合殘余應(yīng)力，其會(huì)對(duì)界面強(qiáng)度、結(jié)合材料的強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響.因此，對(duì)膠接表面進(jìn)行特殊處理增大界面間的結(jié)合力，從而提升界面強(qiáng)度.

4 結(jié) 論

本文針對(duì)薄膜晶體管液晶顯示器行業(yè)中液晶面板的封框膠斷裂強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了理論研究.首先，采用單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試了封框膠和應(yīng)用于液晶面板封框膠的斷裂性能，得到了斷裂拉力和斷裂強(qiáng)度.然后，基于異種材料界面端應(yīng)力模型和回歸分析對(duì)封框膠進(jìn)行了理論建模，計(jì)算了封框膠膠接結(jié)構(gòu)的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，分別推導(dǎo)了不考慮膠層缺陷和殘余應(yīng)變影響下封框膠和應(yīng)用于液晶面板封框膠的斷裂強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型.將模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，預(yù)測(cè)值的最大測(cè)試誤差僅在±20%以內(nèi)，驗(yàn)證了斷裂預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性及可靠性.最后，提出了增大封框膠斷裂強(qiáng)度的改善意見：選擇彈性模量較小、泊松比較大的封框膠材料；適當(dāng)減小界面端結(jié)合角；對(duì)膠接表面進(jìn)行特殊工藝處理.該模型和改善方法為工藝改善和質(zhì)量提升提供理論參考，在工程應(yīng)用上具有較大實(shí)用價(jià)值.