基于實驗設計對蓋板功能孔透過率測量系統的研究

馬海彭 陳文智 錢程 韓琛 李召明 周飛龍

（1.京東方（河北）移動顯示技術有限公司，河北廊坊 065000；2.群龍企業咨詢（上海）有限公司，上海 200335）

通常所說的全面屏手機指的是手機正面屏占比達到80%以上的手機，相比于其他智能手機，全面屏手機采用超窄的邊框設計，不僅具有超窄的左右邊框，還有更窄的頂部和底部區域[1-3]，位于邊框的功能孔也隨之演進變得更小、更精密。而功能孔作為手機屏的重要構成部分，其光線透過率水平是衡量其是否能達到期望性能的重要指標。微型化的功能孔需要更精密的透過率測量設備和更規范的測量方法，而手機行業供應鏈上下游的測量設備并不一致，也沒有定義統一的測量方法，所以因測量系統造成的觀測差異時常使產業鏈條上下游就產品是否為合格品產生分歧。

2020 年6 月，因透過率測量值不滿足客戶規格，我司兩批次共八萬片液晶顯示模組被客戶批退，嚴重影響客戶滿意度，帶來了至少一百萬的經濟損失和不可估量的無形損失。為挽回這次損失并徹底防止問題再次發生，基于成本與時間的限制，我們應用小樣本概念分析[4-5]，并采用變異源分析、回歸分析、機理分析等方法，找出了影響測量透過率的關鍵因子為產品的測量通道和產品形態，針對此關鍵因素進行管控，提升測量的精準度。最后得到了客戶認可，挽回了經濟損失和客戶績效。并且與設備廠商共同檢討，起草行業規范一份。通過分析客戶的測量系統，給出專業改善建議，推動客戶完善測量系統。由此，建立了供應鏈上下游均適用的標準規范，做到供應鏈協同合作，避免了透過率問題的再次發生。

1 透過率測量機理研究

本文透過測量系統機理分析尋找影響因子，運用實驗設計（DOE）找出數學模型，進而定義了最優參數組合。

1.1 功能孔分析

此章節介紹了手機功能孔的功能及其透過率值計算與規格。

1.1.1 功能孔的介紹

功能孔包含接近光孔、環境光孔和攝像孔（如圖1 所示），其中接近光孔的工作原理一般為手機內部的紅外激光發射器經由接近光孔傳出，受物體反射后又經由接近光孔傳回到手機的距離傳感器，以此計算屏幕與物體的距離，當接打電話或放在口袋里時，距離小于閾值，手機屏幕會自動關閉并實現貼臉息屏和防誤觸等功能[6]；而環境光孔是手機內部的傳感器通過判斷穿過環境光孔的外界光線強度來調節屏幕的亮度，實現屏幕亮度隨外界光照強弱變化而同步變化的功能，提高屏幕的觀感舒適度[7]。故手機能實現這些預期的功能依賴于接近光孔和環境光孔對光線的通過性，即透過率。

圖1 蓋板功能孔示意圖

1.1.2 透過率測量原理

在測量透過率時，透過率測量儀器會以特定直徑面積的光入射到被測功能孔內，采用小于被測孔面積的接收器收集穿透部分的光，設放樣品前光接收器感應的入射光為I0，放樣品后接收到的光為I1，求得透過率值T%=I1/I0×100%。以本文所討論產品為例，6.0 寸產品的接近光孔透過率規格為大于80%，如果透過率不合格，會導致距離感應器無法接收到光線，貼臉息屏和防誤觸功能失效。

1.2 影響測量的因素探究

依據測量設備機理分析，找到兩個關鍵因子，分別為通道與產品型態。本文應用圖形分析與實驗設計找到最優參數組合，經回歸分析驗證為有效。

1.2.1 透過率測量機理分析

2020 年6 月，我司一款6.0 寸產品在東莞客戶入料檢驗中抽檢接近光孔透過率不合格，同期客戶在我司實驗室測試結果也不合格，導致兩批產品接連被批退，對客戶滿意度影響極大。

批退發生后，首先根據設備廠商提供的設備規格書可知，通道的左右光路的發射光斑大小不同，左側光斑直徑為0.8 mm，右側為0.3 mm。并且接收裝置不同，左側接收器只能接收全部直射光和部分散射光，而右側接收器可接收全部直射光和全部散射光，左側更適用于固定角度范圍傳來的光束，設備左右通道的測量結構和測量原理不同（如圖2 所示），故通道是影響測量結果的一個因子。

圖2 左右光路測量示意圖

測量儀發出的光并不是平行光，而是具有一定發散角度的錐形光，單體狀態下，光源可以順利通過產品抵達接收裝置中（如圖3 所示），模組狀態由于背光縱向的堆疊高度，會擋住部分光，接收器接收不到，導致測試值偏低。故產品形態為影響觀測值的另一個因子。

1.2.2 圖形分析法

通過機理分析，確定了2 個影響因子，通道和產品狀態。在固定一個通道的情況下，測量蓋板（Cove Glass，CG）單體，發現測試值與歷史水平相當。初步推測，產品特性未發生變異，此次問題是由測量系統造成的觀測誤差。于是，選取1 片蓋板標準片（透過率=91.250%），受限于時間與設備產能需求，分別用左右光路測量其透過率5 次，再將標準片加工成顯示模組（Module，MDL），再次分別用左右光路測量其透過率5 次，取得的觀測值記錄如表1 所示。

表1 透過率測試數據

為進一步分析誤差來源，使用圖形分析法和實驗設計法進行定量分析。將數據堆疊為Minitab R18 可讀取的形式輸入并進行分析。首先使用箱線圖分析數據是否存在極端異常值。

根據箱線圖顯示（如圖4 所示），觀測值中無超出上下虛觸線的游離點，判斷不存在異常值[8]；根據方塊的長度判斷，明顯左通道所測量的觀測值離散程度大于右側通道，且右通道的測量值大于左通道，蓋板狀態的測量值大于模組狀態。

圖3 模組狀態透過率測量光路示意圖

圖4 透過率觀測值箱線圖

圖5 透過率觀測值的多變異圖

本文使用多變異圖分析變量來源，由多變異圖（如圖5所示）可知，通道的選擇對測量結果影響較大，此結論與箱線圖結論一致；而在左通道下，蓋板和模組的差異比右通道明顯變大，推測通道和產品形態有交互作用。為證實此結論，進一步使用主效應圖和交互作用圖分析，如圖6 所示。

主效應圖對效應篩選的結果顯示，設備通道的影響最大，其次是產品形態。交互作用圖顯示，產品形態和設備通道的效應不平行，存在明顯的交互作用。綜上，主效應圖和交互作用圖顯示的結論與多變異圖一致：通道對測量結果影響較大，通道和產品形態有交互作用。

1.2.3 實驗設計法

圖形分析得到的信息較直觀，本文使用實驗設計進一步對觀測數據分析。現況有兩因子，每個因子都有兩水平設置，所以實驗設計分析工具為2K因子實驗設計[9]。

表2 因子的水平

圖6 透過率觀測值主效應圖和交互作用圖

本文用Minitab R18 進行試驗設計，因子和因子的各水平信息如表2 所示，產品形態因子水平選定理由為目前廠內的產品類型，通道因子水平選定理由為測量設備可選的光路。實驗所得數據仍然可用，參考表1 數據，測量5 次數據為實驗設計的輸出變數的數值，其仿行數為5，實驗設計分析結果如表3、表4、表5 所示。

假設顯著水平α ＝0.05[10]，從表3 中得知，主效應因子產品形態與通道，交互作用因子產品形態×通道因子的P 值均為0.000。故產品形態和通道及兩者的交互作用均顯著。

表3 實驗設計方差分析表

表4 模型匯總報表

表5 已編碼系數

根據表4 和表5，R-sq=94.63%＞80%，回歸模型的離差平方和占總離差平方和的比率為94.63%，模型可解釋度較高；扣除了模型中所包含項數的相關系數得到R-sq（調整）=93.63%，R-sq（調整）比R-sq 小一些，且兩者之間差距很小，說明考量因子自由度的情況下模型擬合優度也很好；R-sq（預測）=91.61%表示模型對新觀測值響應的預測優度較好，不存在過度擬合，模型可有效預測新觀測值。從表4、表5 可以得到回歸方程：

圖7 模型的殘差圖

殘差分析為回歸模型的前提假設要求，透過四合一殘差圖（如圖7 所示）中的正態概率圖，其Anderson-Darling 統計量的P值為0.436，統計上的意義是沒有充分的證據證明殘差為非正態分布。直方圖顯示模型殘差呈現鐘形分布；與擬合值圖顯示殘差在零兩側隨機分布，且不存在其他可識別的模式，說明方差恒定；與順序圖為所有殘差以收集數據的先后順序排列的圖，圖中不存在與時間相關的明顯效應，證明殘差彼此不相關。綜上，殘差分析滿足統計模型的正態性、同質性與獨立性的前提假設要求。

為進一步根據量化分析結果明確因子對Y 的影響程度，用柏拉圖對離差平方和[11]進行分析，離差平方和在實務上可視為輸入變量對輸出變數的影響，一般常用相對指標百分比方式，用以識別輸入變數對輸出指標的影響權重。

圖8 各因子離差平方和柏拉圖

根據柏拉圖（如圖8 所示）結果可知，僅控制通道這一單一因子，對響應即透過率觀測值的影響可達到69.8%，意即控制通道的選擇，即可控制測量過程變異中的七成；增加控制產品形態這一因子，可以控制84.9%的變異；再增加控制產品形態×通道，可以控制94.6%的變異。在實際操作過程中，可依據具體情況的不同，綜合考測量精度要求、成本、測試難度等指標，根據離差平方和適當做取舍。

使用響應優化器篩選最佳參數組合并分析復合合意性：響應優化器分析結果如圖9 所示，在產品形態為蓋板狀態，通道為右通道時，預測標準件的透過率測量值可以達到91.2020（真值=91.250%），復合合意性為99.724%，說明此模型的準確度與落地性高。

1.2.4 實驗效果驗證

為了驗證DOE 模型的有效性，再次抽取30 片已知透過率值均勻分布在60%～95%的蓋板標準件，使用右通道進行測量，將測量結果與真值進行回歸分析比較，觀察新的參數測量結果與真值的差異大小。

為了有效識別透過率的微小差異，本文將真值與觀測值均放大100 倍，經由Minitab R18 軟件用回歸分析，可得：

圖9 響應優化器分析結果

圖10 觀測值和真值的擬合線圖

圖11 回歸模型殘差圖

從式（2）可知，斜率值為1.034，趨近于1；常數項為-0.4533，接近于0。表示真值與觀測值仍有微小差異。根據簡單線性回歸分析的擬合線圖（如圖10所示）知，R-sq和R-sq（調整）均為100%，觀測值可透過式（2）準確預測真值。在60%～95%的量程范圍內，從上文中得到的DOE 模型的最優參數組合可精確測量透過率；殘差圖（如圖11 所示）顯示，殘差分析的P 值為0.639，符合正態性要求，圖形亦可知，可滿足同質性和獨立性的前提假設條件要求，模型是可靠的。

2 透過率測量系統規范

進一步與設備廠家探討，因終端產品的持續演化和整個供應鏈的使用場景非常復雜，未針對具體測量過程進行規范說明。故與設備廠家共同針對手機蓋板測量使用場景起草一份使用規范，作為指南，截取部分如表6 所示。

3 結束語

經過了一系列嚴謹的統計分析，從設備的機理分析及少量資料分析找到了影響因子，分別為產品形態及通道，透過實驗設計分析找出最優參數組合，避免了良品被誤判的問題，進而發現業界并無相關規范標準。通過上下游整合，筆者用科學的方法規范了合理的作業模式，經過與客戶爭取，挽回了被批退的兩批合格產品，提升了出貨通過率從而提升了客戶端績效。

為避免后續再發生類似問題，筆者與設備廠商共同探討其他可能存在的影響因素后，共同起草了行業規范一份，提出了合理的測量模式，闡明光路對產品的適用性和操作過程的細節規范要求，并對客戶的測量系統進行了分析，指出問題點推動客戶完善測量系統。統一供應鏈上下游的測量系統，確保透過率測試方法一致和測量結果的準確性，并推廣至國內相關產業。

表6 設備使用規范

近年，隨著產品更新迭代加速，客戶規格愈發嚴格，產品的精密性不斷提升，市場對生產制造提出了更高的要求。我們不僅要了解自身的產品，也要對上下游工藝、產品、相關測量儀器有深入的認識，才能保障產品質量和領先優勢。