基于雜質離子含量評價的LTPS-LCD面板測量體系

鄧文廣， 許葉潞， 溫建輝， 黃碧欽， 金昌連

(廈門天馬微電子有限公司，福建 廈門 361220)

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)因其低功耗、低輻射和輕薄美觀等優點，被廣泛運用于手機、電視、筆記本電腦、平板顯示器等各種顯示設備[1-3]。隨著人們對顯示品質的要求越來越高，如高亮度、高對比度、快速響應速度、廣視角、屏幕高刷新率、強信賴性能力等[4-7]，液晶顯示技術也在飛速發展，從早期的非晶硅(a-Si)、IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide)，到現在的低溫多晶硅(LTPS)[8],以及逐步發展的有源矩陣有機發光二極管(AM OLED)、(量子點發光二極管Quantum Dot Light Emitting Diod，QLED)、微發光二極管(Micro-LED)等[9-11]。

LCD信賴性測試有很多項目，而這其中“殘像”是極為重要的一項。殘像是指液晶屏幕長時間在同一畫面點亮，當切換到下一畫面時，上一畫面影像仍有殘留在顯示器上[12]。殘像的測試方法目前主要是模組狀態的成品在黑白棋盤格畫面長時間顯示，然后切換至不同灰階確認是否有棋盤格殘留。根據切換后的畫面成像，還會細分出線殘像與面殘像[13-14]。二者造成的原因有所區別，但共通的一個重要原因是盒內存在雜質離子，而雜質離子的來源眾多，主要受盒內材料配向膜、液晶、封框膠、生產線潔凈度等影響[15]。造成最大困擾的是雜質離子暫無有效的監控手段，導致面板生產中出現殘像問題時都需要完成模塊狀態的成品來獲得驗證結果，這其中勢必帶來了一個較長時間的反饋周期，對面板廠造成重大的經濟損失。

針對這個問題，LCD業內有自制過mini-cell，測試電壓保持率(VHR)，以此來評價盒內雜質離子含量，但該類方法有明顯的局限性：使用灌晶工藝，不適用于LTPS-LCD技術；多用于新材料導入驗證，適合材料供應商開發全新體系的盒內材料，難作為LTPS-LCD面板生產線常規監控手段[16]。本文通過依托LTPS技術新設計一種測試盒，該測試盒操作簡便，測試性能穩定可靠，能夠克服工廠內雜質離子監控短板，為安定生產提供重要參考依據。與傳統測量方法相比，測試盒能大幅縮短表征周期，提前發現異常，避免重大經濟損失。

2 實 驗

2.1 測試盒制作流程

本次實驗使用第六代1 850 cm×1 500 cm的白玻璃，制作流程如圖1所示。

圖1 測試盒制作流程Fig.1 Test cell production process

白玻璃在經過投料拆包后，分別經過清水超聲、噴淋、風刀吹干、高溫干燥和冷卻完成清洗程序；隨后在白玻璃上制作金屬膜、絕緣層，金屬氧化物透明電極，每道膜層都經歷清洗、成膜、光阻涂布、曝光、顯影、刻蝕、光阻剝離，最終形成“TFT側”所需要的圖形。另一張白玻璃在上述膜層基礎上額外增加有機膜層代替PS柱作盒內支撐，這樣就完成了非傳統意義的“CF側”(彩色濾光片)。在經過清洗機清洗后，使用配向膜涂布機將配向膜溶液均勻涂覆在二者表面，分別經加熱臺預固化、烘烤爐主固化后，完成配向膜成膜工序；再利用光配向制程對固化完全的配向膜進行有序斷鏈取向，隨后使用烘烤爐對斷鏈后的小分子揮發處理，完成光配向工序。TFT與“CF側”在進行對組貼合前，同樣需要清洗保證玻璃基板的潔凈度。隨后對TFT玻璃完成液晶滴下動作，使整張玻璃均勻分布液晶，“CF側”玻璃涂覆封框膠，而后二者進行對位、抽真空、對貼成盒，成盒后的玻璃先使用紫外(UV)光照進行封框膠預固化，再進入烘烤爐進行封框膠主固化，完成ODF工序。對貼的玻璃經過一次切割和二次切割形成單個的小液晶盒，完成測試樣品的準備。

新制作的測試盒創新性地運用了PLN有機膜代替PS柱作盒內支撐，省略了LTPS工藝中彩膜特有的BM/R/G/B/PS膜層，大幅縮減了常規LTPS工藝流程，節約了樣品產出時間。測試盒結構如圖2所示。

圖2 測試盒結構圖Fig.2 Test cell structure diagram

2.2 計算方法

VHR是表征液晶材料信賴性特性的重要參數之一。當盒內雜質離子增多時，液晶材料受到污染，因而可以借用VHR的變化來衡量盒內雜質含量。VHR常用的表示方法是電壓比值法和面積比值法，二者只是在計算方法上略有差異。

電壓比值法是液晶盒充電與放電一段時間后的電壓比值，即VHR=V2/V1×100%，如圖3所示。面積比值法是利用積分計算整個充放電過程中實際曲線面積與理想曲線的面積比值。式(1)為面積比值法的計算公式[17]。

圖3 VHR測試示意圖Fig.3 VHR measurement diagram

， (1)[17]

其中C為液晶盒電容(F)，R為液晶盒電阻(Ω)，t為幀周期(s)。

本文采用電壓比值法計算VHR。

2.3 測試條件

本次VHR測試使用TOYO公司LCM-3型測試儀,測試前需要對測試盒進行前處理，在保證潔凈度后再包覆一層銅箔，以便與LCM-3型測試儀完成連接導電，測試鏈路如圖4所示。

圖4 LCM-3結構圖Fig.4 LCM-3 structure diagram

雜質離子受測試溫度影響，而從計算方法來看，VHR結果還受測試電壓、頻率的影響，為此實驗對比了不同測試條件下測試盒VHR的結果。如圖5 (a)所示。首先在60 ℃高溫下，測試了不同電壓(1 V和5 V)、不同頻率(0.6 Hz/1 Hz/60 Hz)下測試盒的VHR，測試結果如表1所示。從表1可以發現：5 V&60 Hz條件下VHR波動范圍最小約為1.6%(均值92.8%)，其余頻率下VHR波動范圍大。在相同電壓&頻率下(5 V，60 Hz)，對比了VHR在4種測試溫度(25 ℃/60 ℃/70 ℃/85 ℃)下的變化，結果如表2所示。如圖5 (b)所示當測試溫度在25 ℃時，VHR波動范圍最小約為2.6%(均值92.2%)。綜上，我們設置測試盒的測試參數為電壓5 V、頻率60 Hz。

圖5 (a) 相同溫度不同電壓頻率的VHR結果;(b) 相同電壓頻率不同溫度的VHR結果。

表1 相同溫度不同電壓頻率的VHR結果Tab.1 VHR results of different voltage and frequency at the same temperature

表2 相同電壓頻率不同溫度的VHR結果Tab.2 VHR results at different temperatures under the same voltage and frequency

3 結果與討論

3.1 測量體系分析

測量系統能力分析是5大質量工具之一，是一種系統性方法來確定整個流程變化中有多少是由于測量體系造成的。一個有效的測量體系首先需要確保測量設備的可靠性，這樣它才能物盡其用，獲得有價值數據，從而實現對產品質量目標和管理目的。

根據測量數據類型區分，測量系統可分為“計數型”及“計量型”兩類，分別對應的是連續型數據與離散型數據。測量后的數值能夠呈現連續性的變化，為連續型數據；而離散型數據只能定性為可區分的。本文測試的VHR數據屬于連續型數據，依照“計量型”測量系統對量具的重復性和再現性(Gage Repeatability、Reproducibility，Gage R&R%)進行研究。我們采用Minitab軟件計算量具重復性、再現性(Gage R&R%)和測量系統的變異與流程的公差(即 P/T值)來衡量測量系統。結果如下：Gage R&R%為10.77%，P/T為26.93%<30%，可區分數為13>5，判定測量系統合格。具體如表3所示，根據該分析結果，考慮現有設備能力及成本，新設計的液晶盒測量的VHR數據是可接受的。

3.2 盒內污染惡化分析

一個完善的測量系統不僅需要數值準確、穩定，還需要擁有較好的分辨能力。當測試樣品屬于流程合理變異產生時，如果能被很好地識別出來，則說明該測試系統是完整的。為了判斷現有測試盒對VHR波動是否有分辨力，特別進行了不同盒內污染驗證。實驗條件是減少封框膠固化時間與光配向烘烤時間，由此會帶來封框膠固化不完全與光配向后小分子揮發不完全，這二者都會對盒內造成污染。以現有測試盒工藝條件抽測了4個批次，如圖6(a)所示，VHR均值維持在93%～95%，且跟蹤確認這期間產出的模組成品殘像表現，均是滿足客戶規格，說明當下產線處于穩定狀態；但是減少封框膠固化時間的VHR只有88.23%，較對照組的偏低了約6%；而減少光配向烘烤時間的VHR只有82.03%，較對照組的偏低了約12%，如圖6(b)所示，而且這兩個惡化條件VHR波動范圍(約12%～20%)都遠超對照組(約4%)。這說明當盒內受到污染時，VHR確實會隨之出現惡化，而引起的VHR差異能被測試盒準確識別。

4 結 論

本文提出一種適合LTPS-LCD產業的面板測試盒結構，通過引入電壓保持率(VHR)評價盒內雜質離子含量，并采用MSA方法對測量體系的可靠性進行了分析，此外通過盒內污染惡化條件對該體系的分辨能力進行了驗證。結果表明，該測試盒Gage R&R%為10.77%，P/T為26.93%<30%，可區分數為13>5，測量結果穩定可接受，能有效識別盒內雜質離子惡化，為分析殘像和實際生產中監控工廠雜質離子提供了重要參考。