基于COF區彎折的柔性屏金屬層應力影響因素分析

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

(綿陽京東方光電科技有限公司，四川 綿陽 621000)

1 引 言

OLED(Organic Light-Emitting Diode)具有輕薄、柔性、低能耗、高解析度、響應速度快等優異性能，隨著顯示技術的發展，成為了新一代顯示面板[1-4]。當前，柔性OLED屏幕已全面向商業化的方向發展，屏占比更高的全面屏在未來幾年內必將是高端手機的標配[5]。將面板COF(Chip on Film)的連接區域向后彎折是提高屏占比的主要方式之一，COF連接區域附近相關結構貼附偏移和路徑的變化導致在彎折過程中和可靠性(只考慮溫度影響)試驗時易發生金屬層斷裂的問題，致使屏幕出現無顯、異顯現象，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相關結構設計以及偏移范圍管控，可在一定程度上降低金屬層產生斷裂的可能性，進而提高良品率。

張博等人[6]利用有限元對金屬走線中裂紋的擴展機理以及抑制裂紋擴展的方法進行了研究。鄧亮等人[7]對柔性 AMOLED中不同柔性襯底材料和金屬走線的可靠性以及彎曲過程中電性的可靠性進行了分析。Kim等人[8]通過對沉積在不同表面的金屬走線進行了機械彎折實驗，發現金屬走線沉積在有溝壕的PI表面比沉積在平面時具有更高的粘附性，因此其金屬走線的彎折性能也有提升。目前，通過仿真手段對COF區彎折相關結構設計、貼附偏移誤差管控以及彎折路徑變化對柔性屏金屬層應力影響的系統研究甚少。通過實驗方法來優化COF區彎折相關結構與彎折路徑以及確定貼附偏移誤差管控范圍，其設計過程繁瑣，驗證成本高昂，驗證周期較長，效率低下。本文通過數值模擬的方式，對彎折區相關堆疊結構和貼附偏移對金屬層在彎折過程中應力的影響進行了研究，同時分析了嚴苛溫度下金屬層的可靠性，為彎折區相關堆疊結構設計和貼附偏移誤差管控范圍以及彎折路徑優化提供了參考依據。

2 彎折過程

2.1 幾何模型

COF區及彎折相關結構的幾何模型示意圖如圖1所示。柔性OLED屏幕由多層結構組成，主要為有機層、無機層和金屬層等。柔性屏通過壓敏膠(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，使彎折區保持成弧狀態。柔性屏另一側利用PSA與偏光片粘在一起。彎折區域通過金屬包覆層(MCL)進行保護。

如圖1所示，在U型膜一端建立坐標系，坐標系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，坐標系不隨U型膜移動。L為彎折區域的寬度，受空間的限制和設計的要求，彎折區域的寬度為恒定值。泡棉端面距U型膜端面的初始距離為200 μm，即泡棉端面距坐標原點的初始距離。MCL的初始厚度為100 μm。

圖1 COF區及彎折相關結構的幾何模型示意Fig.1 Geometric model diagram of COF region and bending related structure

2.2 彎折路徑

彎折過程如圖2所示。在COF區彎折的過程中，OLED柔性屏帶泡棉的一側固定在平臺上，另一側進行彎折，并與泡棉粘貼在一起，使彎折區保持弧形狀態。在彎折過程中，為了保證柔性屏上的彎折應力在彎折區均勻分布，同時防止彎折過程中應力在彎折區兩端(根部)，則在不同彎折角度均以彎折區中心軸為對稱軸進行彎折，即任意角度時彎折區均處于對稱彎折狀態，該彎折過程形成的軌跡為彎折路徑。

圖2 彎折過程示意圖Fig.2 Bending process diagram

圖3給出了彎折θ角度后彎折區的幾何關系。AB為彎折區域，長度為L。BC為彎折吸附平臺，長度為L0，C點的彎折軌跡為彎折路徑。

圖3 彎折過程幾何關系Fig.3 Geometric relationship of bending process

(1)

(2)

C的軌跡為：

(3)

3 結果與討論

3.1 有限元模型

本文采用有限元方法，將COF彎折區幾何模型簡化為二維平面模型，主要分析COF彎折區二維平面的彎折過程和可靠性時金屬層的應力問題。偏光片和柔性屏的大部分不參與彎折，只建立與彎折相關部分模型。分析模型采用四面體網格進行劃分，網格尺寸為0.005 mm。圖4為 COF區及彎折相關結構的有限元網格模型。金屬層彈性模量為330 GPa，熱膨脹系數為3×10-5C-1；MCL膠材可認為是一種不可壓縮材料，其在彎折過程中的非線性彈性行為可用超彈性來描述。Mooney-Rivlin、Ogden、Van der Waals、Yeoh等為超彈性本構模型的多種形式[9]。整個彎折過程為單軸受力，且單軸拉伸實驗數據和Mooney-Rivlin模型嚙合結果較好，本文采用經典的Mooney-Rivlin模型。

在有限元計算時，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端面在方向固定約束。以圖1中坐標系為參考，將公式(3)中C點的軌跡作為彎折初始路徑，利用該路徑進行彎折的有限元計算。彎折完成后，要對其進行嚴苛溫度和濕度下的可靠性驗證，驗證通過后才能進行項目的量產，本文所述可靠性分析為僅考慮彎折后在85 ℃溫度下對金屬層應力的影響。仿真結果中，每個影響因素下，均以其可靠性結果最大值為基準，對金屬層應力幅值結果進行歸一化處理。

3.2 U型膜對金屬層的影響

屏幕在彎折平臺固定后，U型膜在x軸方向的貼附偏差會對金屬層在彎折和可靠性時產生的應力有明顯影響。以圖1中所示為初始位置，U型膜沿x軸以25 μm為移動偏移間隔，沿x軸正向為正，反向為負，其移動后在彎折和可靠性下對金屬層應力的影響如圖5所示。

(a)彎折過程 (a)Progress of bending

(b)信賴性過程 (b)Progress of reliability 圖5 U型膜移動對金屬層最大應力的影響Fig.5 Effect of U-film movement on metal layer maximum stress

由圖5可知，金屬層在彎折過程中受到的最大應力隨著U型膜左右移動而出現增大趨勢，均在100 μm時出現了突增，且幅值接近了可靠性結果；在溫度的影響下，U型膜向右移動對金屬層受到的最大應力趨于穩定，向左移動至50 μm后金屬層受到的最大應力陡增。可見，U型膜左移后逐漸降低彎折過程中對金屬層的保護，使其應力明顯增大，右移則減小了彎折區的彎折半徑，強行彎折后使U型膜變形導致金屬層受到的最大應力顯著增大；同時，U型膜熱膨脹系數小于金屬層，左移50 μm后減小了對金屬層熱膨脹的約束力，使其受到的最大應力明顯增大，右移覆蓋金屬層后其對金屬層熱膨脹的約束力已達穩態值，從而右移對可靠性的結果幾乎無影響。因此，U型膜的貼附誤差管控應綜合考慮彎折和可靠性結果，選擇彎折和可靠性結果中金屬層最大應力突增前U型膜變化區間的重疊區域。

3.3 泡棉對金屬層的影響

泡棉處在U型膜上方，其貼附偏移后也會對金屬層在彎折和可靠性時產生的應力有一定的影響。以圖1中所示為初始位置，本文取泡棉在x軸以50 μm為移動偏移間隔，沿x軸正向為正，反向為負，結果如圖6所示。

(a)彎折過程 (a)Progress of bending

(b)信賴性過程 (b)Progress of reliability 圖6 泡棉移動對金屬層最大應力的影響Fig.6 Influence of foam movement on metal layer maximum stress

由圖6可知，金屬層在彎折過程中受到的最大應力隨著泡棉從左到右移動而逐漸增大，但整體最大應力值小于可靠性結果。泡棉向右移動，可靠性結果中金屬層受到的最大應力趨于穩定，向左移動則呈增大趨勢，左移150 μm時出現突增。可見，泡棉從左到右偏移使U型膜與泡棉間距變小、且厚度增加，導致U型膜剛度增大，減小了U型膜變形對彎折力的分擔，導致其受到的最大應力逐漸增大；泡棉右移前對金屬層熱膨脹的約束力已達穩態值，對可靠性的結果幾乎無影響，泡棉左移后對U型膜熱膨脹的約束降低，致使可靠性結果中金屬層受到的最大應力增大。因此，通過可靠性結果中金屬層的最大應力變化情況，就可確定泡棉的貼附誤差的管控范圍。

3.4 MCL對金屬層的影響

MCL處于柔性屏彎折區彎折后的外側，其主要影響柔性屏處應力中性層位置，從而對柔性屏起到保護作用，因此研究MCL厚度對柔性屏金屬層應力的影響是很有必要的。其結果如圖7所示，橫坐標為MCL厚度，縱坐標為金屬層受到的應力。

(a)彎折過程 (a)Progress of bending

(b)信賴性過程 (b)Progress of reliability 圖7 MCL厚度變化對金屬層最大應力的影響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，導致金屬層遠離中性層，彎折過程中金屬層受到的最大應力隨之變大?？煽啃赃^程中，金屬層應力主要為自身和MCL受熱膨脹產生。隨著MCL在初始厚度上增大，彎折后MCL帶動屏幕和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，從而帶動金屬層反向彎折而導致應力變大。當彎折后金屬層產生的變形逐漸抵消熱膨脹產生的變形時，金屬層應力又逐漸減小至初始厚度對應應力附近。所以，可靠性結果為先增大后減小。因此，MCL增厚會對彎折過程和可靠性結果中金屬層受到的最大應力均有影響。

3.5 彎折路徑對金屬層的影響

以公式(3)對應C點軌跡為初始彎折路徑。由于在彎折過程中，彎折平臺要在y方向進行調整補償來實現彎折路徑與設計相吻合，那么不可避免地會使彎折平臺在y方向出現誤差，探究該誤差對金屬層應力的影響對生產指導是非常有必要的。為了便于對比，將初始路徑在y方向整體上、下移動，其移動后結果如圖8所示。圖中橫坐標表示上下移動的距離，向上移動為正，反之為負；縱坐標為金屬層受到的應力。

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

由圖8可知，金屬層在彎折過程中受到的最大應力隨著彎折路徑的上、下移動而增大。在上、下移動150 μm時，金屬層在彎折過程中受到的最大應力均超過可靠性中的結果，且路徑上移影響更為明顯。可靠性結果中金屬層受到的最大應力在彎折路徑的上、下移動時基本保持不變?？梢?，彎折路徑的上、下移動對金屬層在彎折過程中受到的最大應力影響很大，對其在可靠性結果中受到的最大應力幾乎沒有影響。

4 結 論

本文針對柔性OLED屏幕COF連接區域在彎折過程和可靠性影響下金屬層的應力進行模擬分析，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方向移動等因素對柔性屏金屬層應力的影響，得出以下結論：

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

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

(3)MCL增厚會對彎折過程和可靠性結果中金屬層受到的最大應力均有影響。

(4)彎折路徑的上、下移動對金屬層在彎折過程中受到的最大應力影響很大，對其在可靠性結果中受到的最大應力幾乎沒有影響。

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方向移動均會對金屬層在彎折過程中受到的最大應力幅值產生較大影響，而U型膜和泡棉左偏移以及MCL膠層厚度增加會導致可靠性結果中金屬層受到的最大應力增大。