陣列基板周邊設(shè)計對聚酰亞胺液擴散的影響

劉金貴，殷盛杰，顧可可，李光強，申 名，李 嘯，楊 妮，許亨藝，羅建勇

(重慶京東方光電科技有限公司，重慶 400700)

1 引 言

在薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)中，聚酰亞胺(PI)由于其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能和電性能，被涂布于TFT基板和CF基板上用作液晶分子配向膜，取向?qū)有阅艿膬?yōu)劣直接影響到液晶分子的排列效果，進而影響到LCD的對比度、閾值電壓、響應(yīng)時間等特性[1-3]。PI膜涂覆有滾筒涂布的感光樹脂轉(zhuǎn)印版(APR)轉(zhuǎn)印和噴墨打印兩種方式。隨著高世代線面板廠的投入生產(chǎn)，因為與噴墨打印產(chǎn)品切換快、對應(yīng)產(chǎn)品種類多、產(chǎn)能高等特點，得到了越來越廣泛的應(yīng)用[4-5]。但由于噴墨打印技術(shù)是依靠低粘度PI液滴在重力作用的自由擴散而固化形成PI膜層，但隨著無邊框、高分辨率產(chǎn)品的出現(xiàn)，低粘度PI液滴在陣列基板周邊段差較大區(qū)域難以均勻擴散而形成PI Mura類不良[6]。

針對面板周邊PI液擴散不均問題，前人通過研究得出以下幾個方面原因：王海成等人[7]通過研究得出面板周邊Vcom(公共電極)過孔較多，影響了PI液在該區(qū)域的均勻擴散，最終PI液在過孔周邊堆積產(chǎn)生不良。通過改變PI預(yù)固化條件、變更過孔尺寸和周期等方法可以改善周邊擴散不均問題。趙成明等人[8]研究發(fā)現(xiàn)，氮化硅鈍化層(PVX)過孔深度影響PI液的擴散，深度較大時，會對配向膜擴散起到阻礙作用，通過減小PVX膜厚可以降低過孔深度，進而改善該擴散不良現(xiàn)象。徐長健等人[9]測試發(fā)現(xiàn)周邊Mura區(qū)域PI膜厚是正常區(qū)域的2～3倍，認為周邊Mura是PI液擴散速度不一造成的：邊緣區(qū)域PI液受熱相對于中心區(qū)域更快、空氣接觸面積更大，邊緣溶劑蒸發(fā)速度快于中心區(qū)域，邊緣區(qū)域首先固化，相鄰未蒸發(fā)液體繼續(xù)往外邊緣流動固化，導(dǎo)致邊緣處PI膜偏厚。通過增大Mura區(qū)域PI膜涂覆范圍、減小PI膜膜厚等方法有效改善周邊PI Mura類不良。

本文著重介紹重慶京東方(G8.5代)使用噴墨打印設(shè)備生產(chǎn)筆記本電腦HADS(高透過率平面寬視角顯示技術(shù))產(chǎn)品時遇到的面板周邊PI液擴散不均問題形成的周邊黑線不良現(xiàn)象，從變更產(chǎn)品設(shè)計、工藝參數(shù)等方面對該不良進行詳細解析。

2 實 驗

2.1 HADS面板制備

該周邊黑線類不良在3款全高清(FHD)HADS產(chǎn)品中都有發(fā)生，且在14.0 FHD HADS產(chǎn)品中現(xiàn)象最嚴(yán)重，所以本文分析討論所用屏幕以14.0 FHD HADS產(chǎn)品為主。周邊黑線現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 屏幕周邊黑線不良現(xiàn)象

周邊黑線不良屏在模組階段檢出，灰階畫面下，面板周邊DP/DPO/GPL/GPR四邊均有黑線不良，其中DP側(cè)現(xiàn)象較嚴(yán)重，黑線和正常顯示區(qū)有明顯界限，黑線寬度約1 mm，發(fā)生率100%。

2.2 設(shè)備與測試

PI Inkjet Printer涂布機，型號：IP-G85-VH-T15-CB-1180L，石井表記(Ishiihyoki)公司；預(yù)固化(Precure)設(shè)備，型號：14-146-N101，Zeus公司；主固化(Maincure)設(shè)備，型號：CLBSB8-3H24，Hanwha公司；日立液晶成盒設(shè)備，型號：SPV-2500-SF,日立(HITACHI)公司；液晶分子，型號：BOE-F013，上海默克化工；偏光顯微鏡，型號：BX51，日本Olympus公司；掃描電子顯微鏡(SEM)，型號：SU8000，日立(HITACHI)公司。

3 結(jié)果與討論

3.1 周邊黑線不良分析

模組FI檢出不良面板在實驗室不加電旋偏光片情況下可見面板四邊有黑線Mura，拆屏后TFT膜面對應(yīng)位置可見膜面異常，TFT側(cè)PI剝離液去除PI膜后不良不可見，CF側(cè)膜面無異常，該不良是TFT側(cè)PI膜面異常所致。

圖2為TFT側(cè)基板在顯微鏡下(X20)觀察的周邊(DP(Date pad)/GP(Gate pad))形貌圖,可以看到面板四邊走線密集和過孔較多處有明顯的PI液聚集，這些PI聚集區(qū)出現(xiàn)明暗不均暈狀現(xiàn)象。特別是在Vcom過孔周圍，PI液擴散不均現(xiàn)象加重。對比圖2異常屏和圖3正常屏周邊，可以看出Vcom過孔周邊PI液擴散不均現(xiàn)象大多出現(xiàn)在異常屏，而正常屏則沒有。出現(xiàn)擴散不良的Vcom過孔內(nèi)部呈現(xiàn)白色，而正常屏Vcom過孔內(nèi)部呈深灰色。

圖2 DP/DPO/GPL/GPR側(cè)PI膜面異常

圖3 正常顯示面板周邊形貌圖

圖4 不良面板和正常面板過孔斷面圖對比。(a)正常過孔;(b)異常過孔。

通過分析異常和正常屏Vcom過孔斷面掃描電鏡(SEM)圖(圖4)看出，正常屏周邊Vcom過孔內(nèi)有PI液進入(圖4(a))而呈現(xiàn)深灰色，而異常屏周邊過孔內(nèi)沒有PI液進入(圖4(b))而呈現(xiàn)柵極金屬反射光而發(fā)白。

結(jié)合圖2、圖3和圖4分析得出，圖2異常屏Vcom過孔發(fā)白，并且過孔周圍出現(xiàn)明暗不均暈狀現(xiàn)象，這是因為噴墨打印滴定的小液滴在重力作用下在Vcom過孔周圍擴散時，液滴沒能跨越過孔周圍能量位壘而進入過孔內(nèi)，進而固化在過孔周邊形成PI Mura。因為PI液滴定在陣列基板表面時，液滴在氣-液-固三相系統(tǒng)中擴散前進，最終在三相綜合作用下達到平衡狀態(tài)完成擴散，任一相界面的變化都會導(dǎo)致PI液滴擴散的變化。當(dāng)PI液滴在過孔周圍向過孔內(nèi)擴散時(圖5)，液滴前進方向氣相接觸面積的增大使得液滴有凝聚現(xiàn)象，即前進方向接觸角有增大現(xiàn)象。同時，PI小液滴在向Vcom過孔表面擴散時，液滴前進方向由水平方向變?yōu)閮A斜方向，液滴前進角由于前進表面粗糙形貌[10]而存在能壘障礙，也會導(dǎo)致前進接觸角增大。兩者綜合作用的結(jié)果是，當(dāng)PI液滴從過孔周邊向過孔內(nèi)擴散時，液滴前進方向存在能壘，該能壘使得液滴前進方向接觸角增大，隨著PI液滴積聚越來越多，前進接觸角越來越大，當(dāng)液滴積聚量超過一定限度，液滴前進方向超越能壘而進入過孔內(nèi)。高分子PI液滴的擴散是通過分子鏈段的協(xié)同作用發(fā)生分子內(nèi)相對位移而緩慢移動，部分沒能進入過孔內(nèi)的小液滴在過孔周邊集聚成膜形成PI Mura[11]。

圖5 PI液滴在Vcom過孔周圍擴散

圖6是面板周邊PI液不均勻擴散而形成的不良現(xiàn)象，該不良由以下幾部分組成：(1)PI液在面板周邊密集走線處(如com走線等)擴散不均造成，走線的高段差是影響擴散不良的主要原因；(2)PI液在周邊Vcom過孔處擴散不均造成的，過孔周圍的高能壘造成PI液滴無法跨越能壘進入過孔內(nèi)，造成未進入過孔的PI液滴在過孔周圍持續(xù)積聚形成宏觀黑線不良現(xiàn)象。解決面板周邊PI擴散性不良從以下幾個方面著手：一是增加PI液滴在高段差密集走線附近的流動性，途徑如下：(1)減薄金屬走線，降低走線高度段差，利于PI液跨越走線增加流動均勻性；(2)變更PI涂布工藝參數(shù)，如減少PI滴下量，降低液滴在難擴散區(qū)域的積聚量；改變PI液滴進入Vcom過孔的難易程度：減小Vcom過孔對PI液滴擴散的影響，或?qū)㈦y擴散區(qū)域向遠離像素區(qū)方向移動，讓PI堆積盡量發(fā)生在像素區(qū)以外。以上改善措施可以通過變更PVX 掩膜版改變Vcom過孔的數(shù)量、尺寸和位置來解決。

圖6 面板周邊PI液擴散不均形成宏觀黑線不良

3.2 周邊黑線不良解決方案

3.2.1 PVX 掩膜版變更方案

由3.1節(jié)周邊黑線分析可知，該不良形成的部分原因是由于PI液滴難以跨越過孔能壘進入過孔內(nèi),進而在過孔周圍堆積而產(chǎn)生周邊黑線不良。通過變更PVX掩膜版設(shè)計降低過孔對PI均勻擴散的影響程度是解決該不良的有效途徑之一。

通過圖2和圖3分析可知，Vcom過孔的存在直接導(dǎo)致了PI液滴在該區(qū)域的正常擴散，PI液滴正常進入過孔的區(qū)域不會出現(xiàn)黑線不良，反之則會出現(xiàn)不良。通過變更Vcom過孔的周期和尺寸來降低過孔對擴散帶來的不利影響，在滿足信號轉(zhuǎn)接要求的情況下，過孔數(shù)量的減少直接大幅提高了擴散區(qū)域表面的平坦度，降低了該區(qū)域PI液滴擴散所跨越能壘的次數(shù)，如對于GPL/GPR側(cè)過孔周期變?yōu)樵瓉?/8。另外過孔面積比原來減小了98%，極大改善了PI液滴在過孔周圍的擴散均勻性。同時也變更了DP/DPO側(cè)過孔的數(shù)量和尺寸，兩側(cè)過孔數(shù)量變?yōu)樵瓉淼?/9，過孔面積都比原來減小了99%。再者，將DP/DPO側(cè)過孔距離AA區(qū)間距增大，目的是DP側(cè)PI堆積發(fā)生在遠離像素區(qū)域，不影響像素區(qū)正常顯示。最終通過PVX掩膜版變更使得周邊黑線發(fā)生率從100%減小為6.6%。

3.2.2 噴墨打印涂布方案變更

解決周邊黑線一方面通過變更Vcom過孔數(shù)量和尺寸來降低過孔對PI液滴擴散的影響，另一方面通過變更Inkjet Printer涂布工藝來減小PI液滴積聚程度，即通過減小噴墨打印滴定液滴的重量(Drop mass)和增大液滴間距(Dot pitch)減少單位面積的液滴滴定量，膜厚的減薄減少了多余PI液在難擴散區(qū)域的堆積，周邊黑線不良發(fā)生率從6.6%減小至0.5%。但PI膜厚減小太多時，AA區(qū)顯示出現(xiàn)殘像，同時V-T曲線偏移需gamma重新校正。

單純地進行膜厚減薄會引入新的不良，在保證像素區(qū)膜厚不變的情況下，減薄面板邊緣的膜厚是最理想的狀態(tài)。因此，我們開發(fā)出噴墨打印邊緣(EM)補正功能，即保持像素區(qū)膜厚不變，面板邊緣EM區(qū)膜厚減半，如圖7所示。EM區(qū)域單位面積PI液滴定數(shù)量是AA區(qū)滴定量的一半，也就是EM區(qū)域膜厚是AA區(qū)的一半，EM區(qū)域PI液的減少降低了該區(qū)域PI液積聚的可能性，同時AA區(qū)不會出現(xiàn)因PI膜減薄而出現(xiàn)殘像等不良。

為徹底改善GPL/GPR側(cè)PI液擴散不均問題，陣列基板面板采用條形涂覆方式，即DP/DPO側(cè)存在PI EM(Bonding pad因素)，而GPL/GPR側(cè)PI液全涂覆，則GP側(cè)不再存在PI液擴散邊緣，解決了GP側(cè)PI液擴散不均的問題。同時，條形涂覆的面板信賴性評價(高溫高壓存儲和膜層剝離測試)通過測試。條形涂布方式如圖8所示。

圖7 噴墨打印的邊緣補正功能

圖8 噴墨打印涂布方式的變更。(a)傳統(tǒng)涂布方式；(b)條形涂布方式。

4 結(jié) 論

利用噴墨打印原理給陣列基板涂布PI取向膜，涂布噴頭噴出PI液滴在重力作用下自由擴散成PI配向膜。TFT基板周邊的走線和Vcom過孔阻礙PI液滴在其附近均勻擴散。Vcom過孔周邊的能壘阻礙附近PI液滴擴散進入過孔內(nèi)，則多余的液滴在過孔附近大量集聚形成周邊黑線。我們通過變更PVX掩膜版解決Vcom過孔周邊PI液擴散不均問題，通過改變面板周邊過孔周期、尺寸以及過孔距像素區(qū)間距來減小過孔存在的影響，如GPL/GPR側(cè)過孔周期變?yōu)樵瓉?/8，過孔面積比原來減小了98%，DP/DPO過孔數(shù)量變?yōu)樵瓉淼?/9，過孔面積比原來減小99%，同時DP/DPO側(cè)過孔與像素區(qū)間距增大，則DP側(cè)PI液堆積遠離像素區(qū)域，不影響像素區(qū)正常顯示，最終通過PVX掩膜版變更使得周邊黑線發(fā)生率從100%減小為6.6%。另外，通過變更噴墨打印機涂布工藝來減小面板周邊PI液滴積聚程度，我們開發(fā)出噴墨打印機邊緣補正功能，即保持AA區(qū)膜厚不變，面板邊緣EM(Edge margin)區(qū)膜厚減半，EM區(qū)域PI液的減少降低了該區(qū)域PI液積聚的可能性，邊緣補正功能使得周邊黑線發(fā)生率從6.6%降至0.5%。為徹底改善GPL/GPR側(cè)PI液擴散不均問題，陣列基板采用條形涂覆方式，即GPL/GPR側(cè)PI液全涂覆，周邊黑線不良發(fā)生率降至0.05%。