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

(綿陽(yáng)京東方光電科技有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000)

1 引 言

OLED(Organic Light-Emitting Diode)具有輕薄、柔性、低能耗、高解析度、響應(yīng)速度快等優(yōu)異性能，隨著顯示技術(shù)的發(fā)展，成為了新一代顯示面板[1-4]。當(dāng)前，柔性O(shè)LED屏幕已全面向商業(yè)化的方向發(fā)展，屏占比更高的全面屏在未來幾年內(nèi)必將是高端手機(jī)的標(biāo)配[5]。將面板COF(Chip on Film)的連接區(qū)域向后彎折是提高屏占比的主要方式之一，COF連接區(qū)域附近相關(guān)結(jié)構(gòu)貼附偏移和路徑的變化導(dǎo)致在彎折過程中和可靠性(只考慮溫度影響)試驗(yàn)時(shí)易發(fā)生金屬層斷裂的問題，致使屏幕出現(xiàn)無顯、異顯現(xiàn)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(qū)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及偏移范圍管控，可在一定程度上降低金屬層產(chǎn)生斷裂的可能性，進(jìn)而提高良品率。

張博等人[6]利用有限元對(duì)金屬走線中裂紋的擴(kuò)展機(jī)理以及抑制裂紋擴(kuò)展的方法進(jìn)行了研究。鄧亮等人[7]對(duì)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(jìn)行了分析。Kim等人[8]通過對(duì)沉積在不同表面的金屬走線進(jìn)行了機(jī)械彎折實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)金屬走線沉積在有溝壕的PI表面比沉積在平面時(shí)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(duì)COF區(qū)彎折相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、貼附偏移誤差管控以及彎折路徑變化對(duì)柔性屏金屬層應(yīng)力影響的系統(tǒng)研究甚少。通過實(shí)驗(yàn)方法來優(yōu)化COF區(qū)彎折相關(guān)結(jié)構(gòu)與彎折路徑以及確定貼附偏移誤差管控范圍，其設(shè)計(jì)過程繁瑣，驗(yàn)證成本高昂，驗(yàn)證周期較長(zhǎng)，效率低下。本文通過數(shù)值模擬的方式，對(duì)彎折區(qū)相關(guān)堆疊結(jié)構(gòu)和貼附偏移對(duì)金屬層在彎折過程中應(yīng)力的影響進(jìn)行了研究，同時(shí)分析了嚴(yán)苛溫度下金屬層的可靠性，為彎折區(qū)相關(guān)堆疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和貼附偏移誤差管控范圍以及彎折路徑優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

2 彎折過程

2.1 幾何模型

COF區(qū)及彎折相關(guān)結(jié)構(gòu)的幾何模型示意圖如圖1所示。柔性O(shè)LED屏幕由多層結(jié)構(gòu)組成，主要為有機(jī)層、無機(jī)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(qū)保持成弧狀態(tài)。柔性屏另一側(cè)利用PSA與偏光片粘在一起。彎折區(qū)域通過金屬包覆層(MCL)進(jìn)行保護(hù)。

如圖1所示，在U型膜一端建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)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(biāo)系不隨U型膜移動(dòng)。L為彎折區(qū)域的寬度，受空間的限制和設(shè)計(jì)的要求，彎折區(qū)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(biāo)原點(diǎn)的初始距離。MCL的初始厚度為100 μm。

圖1 COF區(qū)及彎折相關(guān)結(jié)構(gòu)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(qū)彎折的過程中，OLED柔性屏帶泡棉的一側(cè)固定在平臺(tái)上，另一側(cè)進(jìn)行彎折，并與泡棉粘貼在一起，使彎折區(qū)保持弧形狀態(tài)。在彎折過程中，為了保證柔性屏上的彎折應(yīng)力在彎折區(qū)均勻分布，同時(shí)防止彎折過程中應(yīng)力在彎折區(qū)兩端(根部)，則在不同彎折角度均以彎折區(qū)中心軸為對(duì)稱軸進(jìn)行彎折，即任意角度時(shí)彎折區(qū)均處于對(duì)稱彎折狀態(tài)，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(qū)的幾何關(guān)系。AB為彎折區(qū)域，長(zhǎng)度為L(zhǎng)。BC為彎折吸附平臺(tái)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，C點(diǎn)的彎折軌跡為彎折路徑。

圖3 彎折過程幾何關(guān)系Fig.3 Geometric relationship of bending process

(1)

(2)

C的軌跡為：

(3)

3 結(jié)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(qū)幾何模型簡(jiǎn)化為二維平面模型，主要分析COF彎折區(qū)二維平面的彎折過程和可靠性時(shí)金屬層的應(yīng)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(guān)部分模型。分析模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸為0.005 mm。圖4為 COF區(qū)及彎折相關(guān)結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型。金屬層彈性模量為330 GPa，熱膨脹系數(shù)為3×10-5C-1；MCL膠材可認(rèn)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(gòu)模型的多種形式[9]。整個(gè)彎折過程為單軸受力，且單軸拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Mooney-Rivlin模型嚙合結(jié)果較好，本文采用經(jīng)典的Mooney-Rivlin模型。

在有限元計(jì)算時(shí)，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(cè)端面在方向固定約束。以圖1中坐標(biāo)系為參考，將公式(3)中C點(diǎn)的軌跡作為彎折初始路徑，利用該路徑進(jìn)行彎折的有限元計(jì)算。彎折完成后，要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)苛溫度和濕度下的可靠性驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后才能進(jìn)行項(xiàng)目的量產(chǎn)，本文所述可靠性分析為僅考慮彎折后在85 ℃溫度下對(duì)金屬層應(yīng)力的影響。仿真結(jié)果中，每個(gè)影響因素下，均以其可靠性結(jié)果最大值為基準(zhǔn)，對(duì)金屬層應(yīng)力幅值結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。

3.2 U型膜對(duì)金屬層的影響

屏幕在彎折平臺(tái)固定后，U型膜在x軸方向的貼附偏差會(huì)對(duì)金屬層在彎折和可靠性時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)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(dòng)偏移間隔，沿x軸正向?yàn)檎?，反向?yàn)樨?fù)，其移動(dòng)后在彎折和可靠性下對(duì)金屬層應(yīng)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(dòng)對(duì)金屬層最大應(yīng)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(yīng)力隨著U型膜左右移動(dòng)而出現(xiàn)增大趨勢(shì)，均在100 μm時(shí)出現(xiàn)了突增，且幅值接近了可靠性結(jié)果；在溫度的影響下，U型膜向右移動(dòng)對(duì)金屬層受到的最大應(yīng)力趨于穩(wěn)定，向左移動(dòng)至50 μm后金屬層受到的最大應(yīng)力陡增?？梢?，U型膜左移后逐漸降低彎折過程中對(duì)金屬層的保護(hù)，使其應(yīng)力明顯增大，右移則減小了彎折區(qū)的彎折半徑，強(qiáng)行彎折后使U型膜變形導(dǎo)致金屬層受到的最大應(yīng)力顯著增大；同時(shí)，U型膜熱膨脹系數(shù)小于金屬層，左移50 μm后減小了對(duì)金屬層熱膨脹的約束力，使其受到的最大應(yīng)力明顯增大，右移覆蓋金屬層后其對(duì)金屬層熱膨脹的約束力已達(dá)穩(wěn)態(tài)值，從而右移對(duì)可靠性的結(jié)果幾乎無影響。因此，U型膜的貼附誤差管控應(yīng)綜合考慮彎折和可靠性結(jié)果，選擇彎折和可靠性結(jié)果中金屬層最大應(yīng)力突增前U型膜變化區(qū)間的重疊區(qū)域。

3.3 泡棉對(duì)金屬層的影響

泡棉處在U型膜上方，其貼附偏移后也會(huì)對(duì)金屬層在彎折和可靠性時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)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(dòng)偏移間隔，沿x軸正向?yàn)檎?，反向?yàn)樨?fù)，結(jié)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(dòng)對(duì)金屬層最大應(yīng)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(yīng)力隨著泡棉從左到右移動(dòng)而逐漸增大，但整體最大應(yīng)力值小于可靠性結(jié)果。泡棉向右移動(dòng)，可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力趨于穩(wěn)定，向左移動(dòng)則呈增大趨勢(shì)，左移150 μm時(shí)出現(xiàn)突增?？梢姡菝迯淖蟮接移剖筓型膜與泡棉間距變小、且厚度增加，導(dǎo)致U型膜剛度增大，減小了U型膜變形對(duì)彎折力的分擔(dān)，導(dǎo)致其受到的最大應(yīng)力逐漸增大；泡棉右移前對(duì)金屬層熱膨脹的約束力已達(dá)穩(wěn)態(tài)值，對(duì)可靠性的結(jié)果幾乎無影響，泡棉左移后對(duì)U型膜熱膨脹的約束降低，致使可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力增大。因此，通過可靠性結(jié)果中金屬層的最大應(yīng)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(duì)金屬層的影響

MCL處于柔性屏彎折區(qū)彎折后的外側(cè)，其主要影響柔性屏處應(yīng)力中性層位置，從而對(duì)柔性屏起到保護(hù)作用，因此研究MCL厚度對(duì)柔性屏金屬層應(yīng)力的影響是很有必要的。其結(jié)果如圖7所示，橫坐標(biāo)為MCL厚度，縱坐標(biāo)為金屬層受到的應(yīng)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(duì)金屬層最大應(yīng)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(dǎo)致金屬層遠(yuǎn)離中性層，彎折過程中金屬層受到的最大應(yīng)力隨之變大?？煽啃赃^程中，金屬層應(yīng)力主要為自身和MCL受熱膨脹產(chǎn)生。隨著MCL在初始厚度上增大，彎折后MCL帶動(dòng)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(dòng)金屬層反向彎折而導(dǎo)致應(yīng)力變大。當(dāng)彎折后金屬層產(chǎn)生的變形逐漸抵消熱膨脹產(chǎn)生的變形時(shí)，金屬層應(yīng)力又逐漸減小至初始厚度對(duì)應(yīng)應(yīng)力附近。所以，可靠性結(jié)果為先增大后減小。因此，MCL增厚會(huì)對(duì)彎折過程和可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力均有影響。

3.5 彎折路徑對(duì)金屬層的影響

以公式(3)對(duì)應(yīng)C點(diǎn)軌跡為初始彎折路徑。由于在彎折過程中，彎折平臺(tái)要在y方向進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)彎折路徑與設(shè)計(jì)相吻合，那么不可避免地會(huì)使彎折平臺(tái)在y方向出現(xiàn)誤差，探究該誤差對(duì)金屬層應(yīng)力的影響對(duì)生產(chǎn)指導(dǎo)是非常有必要的。為了便于對(duì)比，將初始路徑在y方向整體上、下移動(dòng)，其移動(dòng)后結(jié)果如圖8所示。圖中橫坐標(biāo)表示上下移動(dòng)的距離，向上移動(dòng)為正，反之為負(fù)；縱坐標(biāo)為金屬層受到的應(yīng)力。

圖8 彎折路徑對(duì)金屬層最大應(yīng)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(yīng)力隨著彎折路徑的上、下移動(dòng)而增大。在上、下移動(dòng)150 μm時(shí)，金屬層在彎折過程中受到的最大應(yīng)力均超過可靠性中的結(jié)果，且路徑上移影響更為明顯?？煽啃越Y(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力在彎折路徑的上、下移動(dòng)時(shí)基本保持不變?？梢?，彎折路徑的上、下移動(dòng)對(duì)金屬層在彎折過程中受到的最大應(yīng)力影響很大，對(duì)其在可靠性結(jié)果中受到的最大應(yīng)力幾乎沒有影響。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)柔性O(shè)LED屏幕COF連接區(qū)域在彎折過程和可靠性影響下金屬層的應(yīng)力進(jìn)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(dòng)等因素對(duì)柔性屏金屬層應(yīng)力的影響，得出以下結(jié)論：

(1)U型膜左移會(huì)使彎折過程和可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力明顯增大，其右移使得彎折過程中金屬層受到的最大應(yīng)力顯著增大，但可靠性結(jié)果趨于穩(wěn)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(yīng)力逐漸增大，泡棉左偏移使得可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力明顯增大。

(3)MCL增厚會(huì)對(duì)彎折過程和可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力均有影響。

(4)彎折路徑的上、下移動(dòng)對(duì)金屬層在彎折過程中受到的最大應(yīng)力影響很大，對(duì)其在可靠性結(jié)果中受到的最大應(yīng)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(dòng)均會(huì)對(duì)金屬層在彎折過程中受到的最大應(yīng)力幅值產(chǎn)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(huì)導(dǎo)致可靠性結(jié)果中金屬層受到的最大應(yīng)力增大。