窄長型車載液晶顯示屏黑畫面漏光研究及改善

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點，在汽車行業中廣泛運用于車載的儀表和中控系統控制面板。車輛儀表盤屬于安全件，主要用于顯示行車的狀態信息，如速度、轉速、溫度、油量指示燈、行車里程等信息；中控主要顯示導航地圖、電話列表、多媒體播放等。車載儀表和中控面板的系統畫面底色一般為黑色，如果面板邊角位置有黑畫面漏光(區塊顯示發黃)會影響視覺效果，特別在黑夜開車，視覺差異更明顯。

高級超維場開關顯示模式 (Advanced-Super Dimensional Switching, ADS)液晶模組具有廣視角、高亮度以及高開口率等優點，但ADS模組受到外力的擠壓作用時，容易產生黑畫面漏光現象，影響客戶使用視覺效果。黑畫面的漏光，俗稱L0漏光，是TFT-LCD 行業ADS 產品中極為常見的一種不良。針對窄長的車載ADS液晶產品，更易受力形變出現L0漏光不良。本文以312.4 mm(12.3 in)寸車載產品為例研究窄長型ADS產品的漏光原理，從提升液晶面板的平坦度，優化背光源的口子膠設計，優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到改善L0漏光不良的目的[1]。

圖1 L0 漏光實物現象Fig.1 L0 light leakage phenomenon

2 L0漏光介紹

L0漏光是在黑畫面邊緣或角落出現發黃不良。如圖1所示。面板本身的形變、內應力、背光源的形變、柔性印刷線路板(Flexible Printed Circuit, FPC)的拉扯/擠壓、COG綁定的應力均會造成漏光不良。某客戶的漏光標準為，在環境照度(100±50)Lx范圍內，目視檢測，通過8% 濾光片 (Neutral Density Filter，ND Filter)不可見漏光不良，即判定良品。

3 L0漏光機理分析

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，無電壓時，光線經過下偏光片后形成平行于液晶分子短軸的直線偏光，偏光方向不能轉動，因此被上偏光片吸收無法射出。施加電場液晶左右形成橫向電場，液晶分子沿著電場方向排列，光線經過下偏光板和液晶層后呈橢圓偏光狀態，可透過上偏光片射出[2-3]。

3.1 玻璃的光彈效應

玻璃、塑料、環氧樹脂等非晶體在通常情況下是各向同性而不產生雙折射現象的，但當它們受到應力時，就會變成各向異性顯示出雙折射性質，這種現象稱為光彈性效應[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Fig.2 Glass photo elasticity effect

3.2 面板形變產生漏光

當面板受外力形變時，彩膜(Color Filter, CF)基板，液晶層，TFT玻璃基板均發生形變。當自然光經過下偏光片的線偏振光在TFT基板，液晶層，CF基板發生雙折射[6]。雙折射是指同一束入射光線經過CF、液晶和TFT 層折射分成兩束的現象。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，簡稱e光[2]。自然光經過TFT、液晶層射出CF基板時表現為4對偏振方向相互垂直的線偏振光，這4對偏振光在穿出CF基板時，每對線偏光合成為4條橢圓偏振光且橢圓偏振光的波面平行于XOY平面，4條橢圓偏振光經過偏光片后形成4條線偏振光，由于這4條線偏振光的振動方向平行，可合成為1條線偏振光，產生亮度。若因玻璃形變等原因，則會表現出漏光不良[7-8]，如圖3所示。

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

4 L0漏光改善

4.1 面板各階段平坦度測試

重點分析切割前基板的平坦度(通過測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 對合后，密封膠光照射固化前，大基板由于運輸途中設備支撐力不均，產生微形變[2]，如圖4所示。密封膠在固化時，微形變處產生應力固化到切割后面板中，受到外力時切割后面板聚集應力處產生漏光。如圖5所示。

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

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

為了驗證對合前后基板翻轉對其翹曲的影響(密封膠固化前翻轉會產生應力)，設計實驗為CF和TFT玻離對合前進行TFT翻轉?，F有模式為CF和TFT玻璃對合后翻轉至TFT側朝上，實驗條件為TFT優先翻轉再對合CF和TFT玻璃。以上2張玻璃基板產品經過2次切割后，使用3D 測量儀，測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

圖中紅色點表示漏光的位置深紅色代表漏光Level 2↑(Level 是一種評判不良濃度的方法)；淺紅色代表Level 2↓；整張玻璃基板的顏色深淺代表變形程度，顏色越深變形越嚴重，顏色越淺變形越輕。從3D測量儀可測量得：對合后不翻轉工藝的面板平坦度(實驗條件)優于翻轉工藝(現有條件)的平坦度0.05 mm。

從以上圖分析可得：對合后不翻轉對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2張面板貼偏光片確認，確認翹曲是否有變化(抽樣測量)，如圖7所示。

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

3D測量面板的平均翹曲度：貼偏光片狀態時不翻轉工藝的面板翹曲相對翻轉工藝低0.02 mm。圖7分析得：貼偏光片后對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

針對翻轉工藝和不翻轉工藝，分別對產品組裝背光源(背光源膠帶為半截膠設計，并貼附在背光源兩側短邊)，組裝完成后測量面板表面的平坦度(抽測面板的A,B,C 3行)，平坦度測試如圖8所示。

3D測量模組的平均翹曲度：組裝背光源后，不翻轉與翻轉工藝，模組的翹曲度基本接近，相差0.04 mm。模組形變量相對單體面板形變量增加，且部分面板翹曲的形態發生變化(面板原為下凹狀態，現部分面板出現扭曲)，主要受組裝背光源的影響。

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

4.2 面板平坦度分析及改善

從以上平坦度測量可得，貼偏光片和組裝背光源后，面板的平坦度均發生變化，分別對貼偏光片和組裝背光源后產品加信號點燈進行測試，觀察產品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) 不翻轉工藝相對翻轉工藝，L0漏光現象更輕微。(2)組裝背光源后，L0 漏光現象加重(詳細分析見文章4.4)，不翻轉工藝的漏光不良相對輕微。

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 表

從表2可得：在不影響綁定品質的基礎上，將壓頭溫度、載臺溫度、刀頭壓力進行實驗設計，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顯微鏡測量模組的翹曲度增加，點燈檢測L0漏光的程度增加。分析單體背光源的形變和組裝過程對L0漏光影響，如圖9所示。

4.4.1 背光源口子膠對L0漏光影響

進行背光源口子膠位置及全膠與半膠實驗，當口子膠位于背光源長邊，L0漏光不良率為15%。 分析不良現象，漏光位置主要集中在長邊位置，現設計實驗，驗證口子膠位置對模組翹曲度和L0漏光的影響。實驗設計，共設計7組實驗條件，將口子膠位置分別位于背光源長邊、短邊、全膠、半膠等。每次實驗共做3次，每次實驗所用的面板和背光源均為同一片，不同實驗條件之間的更換只更換泡棉和口子膠。以下數據均在未卡鐵框狀態下測量，實驗結果如圖10所示。

圖9 面板和背光源的組裝過程Fig.9 Panel and backlight assembly process

圖10 驗證口子膠對漏光的影響Fig.10 Influence of backlight tape on light leakage

從圖10可得：實驗1:無口子膠;實驗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；實驗3～5，半口子膠非對稱貼附或短邊全貼，翹曲及漏光均較差；實驗6:四邊均貼附半口子膠；實驗7:長邊貼附口子膠，漏光及翹曲均較差。為更有效驗證口子膠對漏光的影響，再次取3個實驗產品，半口子膠位于長邊，無口子膠，半口子膠位于短邊樣品各5片，分別檢測其漏光程度，明顯可見無口子膠和口子膠在短邊漏光較輕微，如圖11所示。

圖11 驗證口子膠對漏光影響實物圖Fig.11 The Picture of light leakage

綜上述實驗可得：無口子膠/半口子膠優于全口子膠；口子膠貼附短邊優于長邊(注：由于無口子膠，面板無法完全固定，在背光源中會晃動并摩擦膠框，導致背光源異物不良，故不可取)。

4.4.2 驗證背光源口子膠對L0漏光影響

將半口子膠從背光源長邊變更為背光源短邊，漏光從15%降低至3%；需要進一步分析背光源的影響。使用3D 測量儀，測試背光源四周泡棉(與面板直接接觸的位置)數據：測量17 pcs樣品，背光源的平均翹曲0.24%，測量其中94% 呈現下凹狀態，如圖12所示。

2000年，法國國營鐵路公司(SNCF)采用CFRP研制出雙層TGV型車體(見圖2)，其相對鋁合金車體減重約25%，并且通過線路運行驗證了CFRP 在強度、沖擊、防火、降噪、隔熱等性能方面的優點和工業可行性。

對背光源形變的原因進行分析，根據圖12的3D圖示，將形變點分別標注為a、b、c、d 4個點。其中a、b 兩個點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(Hook)卡合力影響，對膠框和背板卡和狀態分析結果見表3。

圖12 背光源的翹曲Fig.12 Backlight warpage

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

c點形變主要是由于Hook 9點和10點位置卡合緊密影響。d點形變位置貼附口子膠，口子膠厚度0.05 mm，故偏高。綜上可得：背光源膠框呈現下凹狀態，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。

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，對比如圖13所示。

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

實際測量面板與鐵框內部的間隙均≥0.2 mm，鐵框對面板不施力，鐵框和背光源卡合狀態，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Tab.4 The state of Bezel Hook

綜上所得： 鐵框和背板兩側短邊卡合緊密，長邊卡合松動，短邊對模組整體形成擠壓，導致模組形變。故從設計上鐵框和背光源的Hook卡合，需要保證卡合程度一致(注：設計上Hook卡合松動，不僅導致背光源輕微變形，同樣會導致產品搖晃異常響聲)。

4.5 組裝精度管控

4.5.1 FPC 反折精度

模組產品，柔性印刷電路板(Flexible Printed Circuit，FPC) 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個極端實驗：在綁定完成不組裝背光源狀態點亮產品調至黑畫面，用手輕拉和輕推FPC，與FPC連接的面板處有明顯漏光，故需嚴格對FPC反折精度管控，減少FPC的拉扯應力，同理，FPC薄化設計可減少FPC的內應力。

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行對合，要求面板與背光源膠框的凸點無任何干涉，若對位偏斜，面板與膠框凸點形成擠壓，面板受到內應力，導致漏光，以下為某客戶312.4 mm(12.3 in)產品面板與膠框凸點設計，兩側間隙設計≤0. 4 mm。如圖14所示，面板與膠框凸點成0間隙，導致凸點固定點位的漏光。

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

面板和背光源對合分為兩種，人員手動對合和設備自動對合。首先分析人員手動對合：對合時以長邊為基準對合優于以短邊對合。對合手法，以背光源一端為起點對合，對合的軌跡實際為弧線L，對合的形狀為扇形。扇形的弧長L越長，對合過程中越容易偏移導致不良。

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

圖15 手動對合軌跡Fig.15 Manual assembly route

其次分析設備自動對合：設備對合是真空吸嘴吸附面板，相機識別標準點位對位，面板整面下壓對合，通過設備精度管控，面板與膠框凸點無接觸[11]，從而不會形成凸點位置擠壓漏光。

5 結果與討論

L0漏光是ADS產品頑固性不良，漏光形成的根本原因是產品的形變及內應力作用。本文主要分析面板形變和內應力對漏光的影響，并通過實驗從面板的制成工藝，及機構干涉方面著手，對各工藝段產品平坦度進行測量，查找內應力的來源，并設計實驗找到工藝的最佳參數組合。總體來說，在CF和TFT 對合后，密封膠固化前減少切割前面板運輸途中設備支撐力不均，導致面板產生微形變，如減少運輸翻轉，增加支撐面板的面積，降低運輸速度，提升面板的平坦度；COG 綁定工藝，通過降低綁定溫度，減少IC和玻璃的熱脹冷縮，減少形變量；背光源平坦度設計，通過管控膠框Hook 卡合狀態，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關鍵尺寸；背光源上泡棉口子膠設計，分段式的口子膠代替全膠，降低膠的粘性等，降低口子膠對面板的拉力，針對窄長型呈下凹狀態的面板，口子膠設計在短邊代替設計貼附在長邊，以達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 對面板的拉力/推力，減少面板的內應力；提升面板和背光源對合精度防止背光源膠框凸點對面板的擠壓，減少L0 漏光。

6 結 論

在CF和TFT 對合后密封膠固化前，切割前面板不做翻轉動作，可提升面板的平坦度；針對背光源的口子膠貼附，無膠狀態最優，為防止面板在背光源中移動摩擦膠框導致背光源膠框屑增加，需要對面板進行固定，口子膠采用半膠代替全膠，貼附于面板形變的高點位置，如窄長型ADS面板呈現凹形變，口子膠需要貼附在背光源短邊側，避免貼附在凹型的低點，否則會加重面板的形變。最后，導入低溫ACF 綁定工藝，提升FPC 反折精度，提升面板和背光源對合組裝精度，均為減少面板的形變及內應力，最終通過設計變更及工藝優化，L0漏光從15%不良降低至0.1%以內。