北京京東方顯示技術(shù)有限公司CELL技術(shù)部 王海成 董天松 馬 亮 朱載榮

本文綜述了國內(nèi)最先進(jìn)的第8.5代TFT-LCD生產(chǎn)線的成盒工藝。針對聚酰亞胺（Polyimide，PI）配向膜涂覆、摩擦（Rubbing）取向、液晶滴下注入（One Drop Filling，ODF）工藝造成的常見不良進(jìn)行了闡述與分析，為以后相關(guān)問題的研究與解決提供了實(shí)際指導(dǎo)。

1 概述

TFT-LCD是一種新興的高科技行業(yè)，因體積小、低功耗、重量輕、美觀等優(yōu)勢而獲得了廣泛的關(guān)注和研究。隨著大尺寸液晶電視的普及，TFT LCD面板生產(chǎn)廠商之間的競爭也越來越激烈。為了應(yīng)對液晶電視大尺寸化的趨勢及更高的切割效率，各個廠商均加大了高世代生產(chǎn)線的投入（邱永亮,李榮玉,顧筠筠.TFT-LCD制造過程中的盒厚控制工藝研究[J].現(xiàn)代顯示,2008,89:33-36）。隨之而來的則是產(chǎn)品良率的挑戰(zhàn)。

在TFT-LCD制造過程中，成盒工藝決定了產(chǎn)品大部分品質(zhì)。在陣列（Array）基板與彩膜（Color Filter，CF）基板成盒完了，Array、CF工藝品質(zhì)會在成盒工藝中進(jìn)一步被評價(jià)，同時(shí)成盒工藝也會導(dǎo)致盒厚不均或底色不均等各種Mura類不良和異物（Particle）類不良。其中代表性的不良有聚酰亞胺（Polyimide，PI）配向薄膜、摩擦（Rubbing）、液晶滴下（ODF）工藝過程中導(dǎo)致的不良。本文就目前生產(chǎn)過程中常見的工藝問題進(jìn)行一定的分析，為其他新產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)中可能遇到的問題提供解決思路。

2 液晶屏成盒過程

對成盒工藝常見不良分析研究前，了解成盒過程是必不可少的。對于高世代大尺寸生產(chǎn)線，一般的成盒工藝流程如圖1所示。

圖1 成盒工藝流程圖

成盒工藝主要分為三道工藝過程，具體如下：

（1）PI涂覆工藝。首先，將均勻散布襯墊料（Spacer）的彩膜（CF）基板和陣列（Array）TFT基板經(jīng)過清洗（Cleaning）處理，去除表面附著的異物（Particle，P/T）；然后，經(jīng)過PI配向膜涂覆機(jī)將PI涂覆在基板上；最后，經(jīng)過預(yù)固化（Pre Cure）、本固化（Main Cure）后形成PI取向膜。

（2）Rubbing取向工藝。將涂覆完P(guān)I的CF基板與TFT基板進(jìn)行Rubbing，形成密集的深淺、寬窄不一的溝槽，這些納米級的溝槽會使液晶分子長軸都能沿著一個方向有規(guī)則的排列（李海燕,陳亮,李晉紅.液晶玻盒結(jié)構(gòu)中PI層摩擦定向的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代顯示,2012,23(6):50-52）。此外，PI取向膜經(jīng)過摩擦產(chǎn)生的溝槽還能夠使液晶分子在排列時(shí)具有一定的預(yù)傾角（Tilt Bias Angle，TBA），預(yù)傾角的大小主要取決于Rubbing強(qiáng)度和PI材料本身電化學(xué)性質(zhì)（夏子琪.TFT-LCD制造工藝中White Mura的消除[D].天津:天津大學(xué),2010）。

（3）ODF工藝。將Rubbing后的TFT基板和CF基板進(jìn)行Cleaning處理，去除流品過程中引入的異物類雜質(zhì)，烘干后分成兩條線同時(shí)進(jìn)行ODF工藝步驟（車春城,王丹,李軍建.TFT-LCD取向?qū)庸に嚰瓣P(guān)鍵參數(shù)[J].現(xiàn)代顯示,2006,9:20-24）。一般情況下，CF基板進(jìn)行封框膠涂覆工藝，TFT基板進(jìn)行液晶滴下工藝。將涂覆好的CF基板翻轉(zhuǎn)180°，在真空對位壓合工序（Vacuum Aligner System，VAS）將其與已滴加液晶的TFT基板對盒，最后經(jīng)過紫外固化（UV Cure）、老化（Heat Cure）后就完成了液晶屏成盒過程。

下面針對以上三道工藝中常見的品質(zhì)不良進(jìn)行闡述與分析。

3 聚酰亞胺涂覆工藝

目前，主要的PI配向膜涂覆方式有版銅滾輪涂覆法（Roller Coating）和噴墨印刷法（Inkjet Printer）。第8.5代生產(chǎn)線采用Inkjet Printer方式，如圖2所示。此種涂覆方式具有PI液利用率高、涂覆圖形（Pattern）可自行編制、不同型號間可快速切換及設(shè)備質(zhì)量輕、占地面積小等優(yōu)勢，因此，在高世代生產(chǎn)線中得到了普遍應(yīng)用。

圖2 噴墨印刷法

通常Inkjet Printer設(shè)備由多個頭部單元（Head Unit）構(gòu)成，每個Head Unit又由成百個噴頭（Nozzle）組成。在涂覆過程中，將PI液通過Nozzle以墨水（Ink）點(diǎn)滴的形式滴在玻璃基板上，然后經(jīng)過Per Cure、Main Cure后形成PI膜。

在成膜過程中，由于Ink點(diǎn)滴具有很強(qiáng)的流動性，在固化之前的形態(tài)直接影響PI膜品質(zhì)，從而引發(fā)了一系列品質(zhì)不良，成為生產(chǎn)過程中亟待解決的問題。下面就此種涂覆方式造成的品質(zhì)不良給予介紹與解析。

3.1 Mura類不良

Mura源于日語，主要是指在同一灰階下出現(xiàn)明暗不均的現(xiàn)象。PI涂覆過程中出現(xiàn)的Mura主要包括：（1）PI涂覆異常造成的頭部單元（Head）間Mura、PI周邊Mura；（2）由于PI固化過程中支撐頂針(Pin)造成PI擴(kuò)散異常出現(xiàn)的Pin Mura（Chia-Hsuan Tai,Yuan-Hung Tung,Yu-Sheng Huang,et al.New Drying Process without Pin-Mura for Ink-Jet Alignment Layer Printing of Large-Sized LCDs[C]//.SID’09 digest,p.1330,2009）。

Head間Mura主要表現(xiàn)為在基板涂覆方向上出現(xiàn)貫穿整張基板的直線Mura，不良現(xiàn)象如圖3所示。我們對正常區(qū)域與異常區(qū)域分別選取了三個點(diǎn)進(jìn)行了PI膜厚測量，發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域PI膜厚較薄，具體測試數(shù)據(jù)如表1所示。通過對異常區(qū)發(fā)生位置進(jìn)行設(shè)備對應(yīng)性比較，我們發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域位置與Head單元Nozzle位置一一對應(yīng)，當(dāng)進(jìn)行Head更換后，不良現(xiàn)象消失。

圖3 Head間Mura示意圖

表1 PI配向膜厚度測試

PI周邊Mura主要是指在同一灰階畫面下，基板周邊出現(xiàn)的明暗不均的Mura現(xiàn)象，如圖4所示。此不良通常是由于PI涂覆時(shí)周邊PI膜過厚造成液晶取向異常導(dǎo)致。

PI周邊Mura主要是指在同一灰階畫面下，基板周邊出現(xiàn)的明暗不均的Mura現(xiàn)象，如圖4所示。此不良通常是由于PI涂覆時(shí)周邊PI膜過厚造成液晶取向異常導(dǎo)致。

對于PI配向工藝而言，由于PI配向膜在進(jìn)行預(yù)固化時(shí)，外邊界受熱面積大使得溶液濃度較內(nèi)部的PI液濃度高，從而造成內(nèi)部溶液向周邊處擴(kuò)散，聚合固化后形成較高的PI配向膜，此PI配向膜變化的區(qū)域被業(yè)內(nèi)稱為Halo區(qū)，如圖5所示（王海成,董天松,鄭英花,等.TFT-LCD制程中Zara點(diǎn)狀不良的產(chǎn)生與改善研究[J].液晶與顯示,2013,28(5):707-710）。一般情況下，PI Halo區(qū)域位于有效顯示區(qū)（Active Area，A-A區(qū)）外側(cè)，不會影響A-A區(qū)內(nèi)液晶取向效果，但當(dāng)PI周邊涂覆出現(xiàn)波動時(shí)，此區(qū)域容易進(jìn)入A-A區(qū)或距離A-A區(qū)較近，致使周邊液晶分子取向異常，出現(xiàn)PI周邊Mura現(xiàn)象。此時(shí)需要重新調(diào)試涂覆設(shè)備，保證涂覆穩(wěn)定性來解決此不良。

圖4 PI周邊Mura現(xiàn)象示意圖

圖5 Halo區(qū)示意圖

Pin Mura主要表現(xiàn)為點(diǎn)狀不良，一般宏觀可見，不良現(xiàn)象如圖6所示。由于LCD工藝對玻璃基板的平整度及熱均一性要求很高，當(dāng)涂有PI的基板進(jìn)行預(yù)固化時(shí)，固定Pin引起了基板形變，當(dāng)通過紅外加熱腔（IR Chamber）預(yù)固化時(shí)，此位置處的PI受熱異常，造成PI膜均一性差，從而導(dǎo)致了此不良的發(fā)生。為此我們從設(shè)備方面及工藝方面進(jìn)行了改善。我們在Pre Cure設(shè)備中引入了移動Pin方式，減少了同一位置處Pin與基板的接觸時(shí)間，有效的降低了基板變形量，保證了基板受熱的均一性（Chia-Hsuan Tai,Yuan-Hung Tung,Yu-Sheng Huang,et al.New Drying Process without Pin-Mura for Ink-Jet Alignment Layer Printing of Large-Sized LCDs[C]//.SID’09 digest,p.1330,2009）。同時(shí)，PI液預(yù)固化程度也直接影響了Pin Mura的發(fā)生。通過對預(yù)固化時(shí)間及溫度的測試，我們找出了不同型號PI液最優(yōu)的預(yù)固化條件，有效的解決了此不良。

圖6 Pin Mura不良示意圖Fig.6 Schematic of Pin Mura

3.2 污漬類不良

污漬（Stain）類不良，主要是指在同一灰階畫面下，出現(xiàn)形狀不規(guī)則、區(qū)域不固定、類似污漬的現(xiàn)象，如圖7所示。PI涂覆過程中產(chǎn)生的Stain類不良包括：（1）PI涂覆異常產(chǎn)生的基板（Panel）內(nèi)部Stain；（2）PI液預(yù)固化異常產(chǎn)生的周邊Stain。

Panel內(nèi)部Stain主要與Inkjet設(shè)備涂覆的PI液滴點(diǎn)間距（Dot Pitch）及Coating方向有關(guān)。以TFT-FFS型常黑模式，對角線尺寸為23.6 Inch產(chǎn)品為例，我們進(jìn)行了不同PI Dot Pitch，不同涂覆方向的對比，具體測試Split數(shù)據(jù)如表2所示。通過對比我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)涂覆Dot Pitch大，沿著數(shù)據(jù)線方向Coating時(shí)，不良發(fā)生率最低。我們分析認(rèn)為，當(dāng)Dot Pitch小時(shí)，液滴密度大，固化過程中相互影響造成擴(kuò)散速度慢，直接影響了擴(kuò)散效果，從而造成了不良的發(fā)生；另外，考慮到Array基板上的數(shù)據(jù)線（Data Line）數(shù)量遠(yuǎn)多于柵極線（Gate Line），在各層膜厚段差相同的情況下對PI擴(kuò)散的阻礙作用相對較大，故沿著Data Line方向進(jìn)行涂覆較為有利。當(dāng)然，不同的產(chǎn)品之間設(shè)計(jì)上存在差異，具體還需要考慮不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的因素。

圖7 污漬示意圖

表2 內(nèi)部Stain測試條件

Coating角度a：0°為沿著柵極線方向，90°為沿著數(shù)據(jù)線方向。

周邊Stain主要與基板預(yù)固化時(shí)的周邊受熱不均有關(guān)。由于Pre Cure設(shè)備是通過紅外加熱板（IR Flat Heater）進(jìn)行加熱，通過熱的凈化空氣（Clean Dry Air，CDA）將揮發(fā)的溶劑排出，如圖8所示。A側(cè)為基板進(jìn)入與排出口，B側(cè)為CDA進(jìn)氣口與混合氣體排氣口。當(dāng)基板進(jìn)行加熱時(shí)，揮發(fā)的溶劑與CDA組成的混合氣體流向腔體兩側(cè)，通過B側(cè)排氣口排出。此時(shí)，如果混合氣體得不到及時(shí)排放，容易匯聚到腔體周圍，形成擾動氣流，影響了熱交換的進(jìn)行，直接導(dǎo)致了周邊受熱不均，因而造成了周邊PI膜預(yù)固化異常，產(chǎn)生周邊Stain。我們通過對Pre Cure設(shè)備調(diào)整，將周邊擋板（Shutter）打開，使混合氣體能夠及時(shí)排出，并且通過對進(jìn)排氣速度、溫度的控制保證了基板受熱的均一性，有效的解決了此不良。

圖8 Pre Cure示意圖

4 摩擦取向工藝

光配向技術(shù)尚未成熟的今天，對IPS系列顯示器制造工藝中，摩擦取向工藝是成盒工藝中最關(guān)鍵又最難攻破的一道工藝。工藝進(jìn)行過程中摩擦取向的好壞程度一般用摩擦強(qiáng)度和摩擦均勻性來直接評價(jià)。其評價(jià)方法較為簡單，一般用設(shè)備上的摩擦扭矩和摩擦壓入量來判斷。如果摩擦強(qiáng)度不夠或摩擦強(qiáng)度不均勻會導(dǎo)致液晶分子配向力不夠，進(jìn)而導(dǎo)致局部漏光（Domain）或底色不均等Mura類不良。所謂該工藝難，是因?yàn)樵谥圃齑笮统叽顼@示面板過程中，即使局部發(fā)生摩擦不均，也會顯現(xiàn)為Mura類不良，而且這些摩擦不均現(xiàn)象如果不加電信號是看不見的。下面就此工藝中的常見不良進(jìn)行解析。

4.1 Rubbing Mura類不良

Rubbing Mura主要是由于部分區(qū)域摩擦取向不均勻?qū)е拢ㄊ炖?楊國波,程石,等.Zara漏光和Rubbing Mura改善研究[J].液晶與顯示,2012,27(2):208;烏日娜,沈冰,彭增輝,等.摩擦強(qiáng)度對取向膜表面液晶取向度的影響[J].液晶與顯示,2002,17(6):450-455）。不良現(xiàn)象如圖8所示。通常引起摩擦取向異常的原因有：（1）摩擦工藝進(jìn)行時(shí)設(shè)備發(fā)生振動；（2）機(jī)臺（Stage）平坦度不均或Stage和摩擦滾輪之間的平行度不好；（3）摩擦滾輪或摩擦布本身異常，如：在摩擦輥制作中，由于繞布機(jī)（Winding Machine）出現(xiàn)設(shè)備波動造成繞布間隙（Winding Gap）異?；蚰Σ敛急砻娓街愇铮唬?）摩擦布受摩擦基板影響或基板表面Pattern影響而變形等，如圖9中現(xiàn)象。

圖9 Rubbing Mura示意圖

4.2 Zara類不良

Zara源于日語，多指液晶面板在暗態(tài)畫面下顯示區(qū)域發(fā)生的微小漏光現(xiàn)象。在適用PI Inkjet工藝的液晶顯示器制造過程中，Rubbing工藝所產(chǎn)生的Zara類不良一般是由于摩擦強(qiáng)度過大。在這里引入摩擦強(qiáng)度（Rubbing Strength，RS）的定義（鄭文軍.摩擦強(qiáng)度對薄膜表面形態(tài)的作用:原子力顯微鏡下的觀察[J].液晶與顯示,2002,17(6):422-427）：

式中，N表示摩擦次數(shù)，H表示絨毛壓入深度Depth，R表示輥輪半徑，ω表示輥輪轉(zhuǎn)速，υ表示機(jī)臺的移動速度。當(dāng)摩擦強(qiáng)度過大時(shí)，摩擦布容易對PI膜表面造成損傷產(chǎn)生PI碎屑，散落在基板上形成亮點(diǎn)狀不良（王海成,董天松,鄭英花,等.TFT-LCD制程中Zara點(diǎn)狀不良的產(chǎn)生與改善研究[J].液晶與顯示,2013,28(5):707-710）。此時(shí)需要對影響摩擦強(qiáng)度的機(jī)臺速度，輥輪轉(zhuǎn)速，絨毛壓入量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而找出最優(yōu)的摩擦參數(shù)。

5 ODF工藝

由于ODF技術(shù)在縮短工藝時(shí)間和提高液晶利用率等方面具有明顯優(yōu)勢，因此G4.5代LCD生產(chǎn)線都開始采用該技術(shù)（楊國波,王永茂,王向楠,等.ODF工藝中液晶滴下量的優(yōu)化[J].液晶與顯示,2011,26(3):324-328）。相對于傳統(tǒng)真空灌注技術(shù)，ODF技術(shù)對工藝要求更高，在封框膠（Sealant）涂覆、液晶滴注、真空對盒過程中均有可能出現(xiàn)不良，直接影響畫面品質(zhì)。下面就此段工藝的常見不良進(jìn)行介紹與解析。

5.1 漏液晶類不良

漏液晶（LC Leak）類不良，主要是指周邊液晶對Sealant沖擊造成封框膠斷開引起的液晶泄露的現(xiàn)象（楊國波,王永茂,王向楠,等.ODF工藝中液晶滴下量的優(yōu)化[J].液晶與顯示,2011,26(3):324-328）。通常引起此不良發(fā)生的原因有：（1）Sealant本身涂覆異常引起LC Leak。當(dāng)涂覆異常時(shí)，如Seal寬度窄或截面積小時(shí)，在進(jìn)行VAS時(shí)，液晶從斷膠處泄露從而產(chǎn)生LC Leak；（2）液晶滴入量過多導(dǎo)致的LC Leak。在液晶盒完成對盒后，Array基板與CF基板間距縮短，液晶量越大越容易使液晶與Sealant接觸，造成液晶污染并在對盒時(shí)對周邊產(chǎn)生更大的沖擊力，將周邊Sealant沖斷后形成LC Leak；（3）VAS到UV Cure過程異常導(dǎo)致的LC Leak。當(dāng)對盒完成后，如果液晶盒延遲進(jìn)行UV固化，流動的液晶就會與未固化的Sealant接觸造成液晶污染，同時(shí)可能引起LC Leak不良的發(fā)生。所以，通過加強(qiáng)對涂膠工序、滴液晶工序及過程時(shí)間的管控可以有效降低漏液風(fēng)險(xiǎn)，將不良率控制在合理的范圍內(nèi)。

5.2 盒厚類不良

盒厚類不良，主要是指對盒過程中受到外界壓力引起盒厚發(fā)生變化，且無法恢復(fù)，由此造成部分區(qū)域或明或暗的現(xiàn)象（封賓,林鴻濤,王章濤,等.液晶面板Black-Gap不良的分析研究[C]//.2012中國平板顯示學(xué)術(shù)會議文集,深圳:北京京東方顯示技術(shù)有限公司,2012:247-250）。通常造成此不良發(fā)生的原因較多，與生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及材料選取等方面密切相關(guān)。本文只針對成盒工藝中出現(xiàn)的盒厚不良進(jìn)行粗略解析。

成盒工藝造成的盒厚類不良原因主要包括：（1）LC滴下量多少的影響。通常LC滴下量是根據(jù)盒厚設(shè)計(jì)值、面內(nèi)段差等因素預(yù)先設(shè)定的，由于設(shè)計(jì)值與實(shí)際值的偏差，盒厚往往會存在1%左右的誤差，但此誤差是可以接受的（邱永亮,李榮玉,顧筠筠.TFT-LCD制造過程中的盒厚控制工藝研究[J].現(xiàn)代顯示,2008,89:33-36）。由于LC滴下量對盒厚有著最直接的影響，因此對滴下精度的控制就顯得尤為重要。當(dāng)LC量多時(shí)，會造成重力Mura。所謂重力Mua，是指當(dāng)Panel豎立放置時(shí)，過多的液晶在重力條件下向下流淌，在底部堆集產(chǎn)生的現(xiàn)象；當(dāng)LC量少時(shí)，會出現(xiàn)低溫氣泡（Bubble）狀不良。（2）LC Pattern滴下位置的影響。不同的LC Pattern滴下位置直接影響了面內(nèi)盒厚的均一性。比較常用的LC Pattern有菱形Pattern、矩形Pattern等，針對各個產(chǎn)品設(shè)計(jì)不同，選擇的Pattern也各有差異，但需要注意的是，LC Pattern位置不宜與Sealant太近，否則容易出現(xiàn)漏液晶類不良并造成LC污染。（3）外圍邊框膠的影響。在基板成盒時(shí)，為防止盒內(nèi)外基板應(yīng)力差異影響盒厚均一性，往往在外圍設(shè)計(jì)輔助封框膠（Dummy Seal），而Dummy Seal的開閉方式、與基板內(nèi)主導(dǎo)封框膠（Main Seal）距離遠(yuǎn)近直接影響了周邊基板應(yīng)力，進(jìn)而影響周邊盒厚。但由于不同尺寸產(chǎn)品在基板上排布的數(shù)量與位置不同，所以需要綜合考慮Dummy Seal的設(shè)計(jì)。

5.3 Zara類不良

ODF工藝中產(chǎn)生的Zara類漏光包括：（1）對盒偏差導(dǎo)致的對位漏光（Zara Align）；（2）上下玻璃基板內(nèi)部互相摩擦而導(dǎo)致Panel內(nèi)部PI膜層輕微劃傷而導(dǎo)致的漏光現(xiàn)象，此類不良容易發(fā)生在大尺寸Panel的角落部分（Zara Domain(Corner)）（史秋飛,鄭英花,朱載榮,等.邊角Zara +Domain及其改善研究[J].液晶與顯示,2012,27(3):770-773）或PS對應(yīng)位置。

Zara Align主要表現(xiàn)為像素（Pixel）周邊明顯發(fā)亮。產(chǎn)生此不良的原因有很多，例如，對盒工藝中由于設(shè)備波動造成Array基板與CF基板對位出現(xiàn)偏差；Array或CF基板整體尺寸精度（Total Pitch，TP）沒有校準(zhǔn)好；Panel玻璃表面彎曲變形所導(dǎo)致的Pixel Align Shift等。此時(shí)需要加強(qiáng)對盒工藝和Array、CF TP管控，保證良好的對位精度。

Zara Domain主要是由于液晶盒經(jīng)過老化爐后，LC未得到充分?jǐn)U散，CF基板上的PS與Array基板上的PI摩擦導(dǎo)致取向膜損壞，影響了液晶取向，因而產(chǎn)生了此不良。此類不良在120℃，Oven 2小時(shí)（液晶重新排列取向）后會消失，可以通過變更不良發(fā)生位置的LC Pattern的方法預(yù)防（封賓,林鴻濤,王章濤,等.液晶面板Black-Gap不良的分析研究[C]//.2012中國平板顯示學(xué)術(shù)會議文集,深圳:北京京東方顯示技術(shù)有限公司,2012:247-250）。

6 結(jié)術(shù)語

我們已經(jīng)對成盒工藝中常見不良進(jìn)行了介紹與解析。對于一些尚待解決的不良還需要進(jìn)一步研討，本著客觀負(fù)責(zé)的原則和態(tài)度，本文中未進(jìn)行介紹。

我們相信，隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平與工藝能力的不斷進(jìn)步，LCD行業(yè)中出現(xiàn)的品質(zhì)不良均可以得到解決，為此我們將繼續(xù)努力。