周 旭，陳 晨

(1.南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.廈門大學(xué)信息學(xué)院,福建 廈門 361005)

0 引言

儀表液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)通常安裝在系統(tǒng)儀表板上，為操作者顯示相關(guān)參數(shù)和各種攝像圖像，例如各路信號(hào)的切換顯示、多路信號(hào)的疊加顯示等。其中，某些車載、機(jī)載、艦載、礦井、軍用、航天等儀表液晶顯示器，經(jīng)常工作在各種嚴(yán)酷環(huán)境中，例如高溫、低溫、潮濕、淋雨、鹽霧、沙塵、振動(dòng)沖擊、強(qiáng)烈陽(yáng)光、低氣壓、真空、輻照以及電磁干擾等[1-3]。

針對(duì)上述環(huán)境，目前的儀表液晶顯示器很少能做到協(xié)同設(shè)計(jì)。例如，要達(dá)到好的屏蔽效果，就要犧牲亮度；要達(dá)到好的加熱效果，就必須增加功耗等[4]。為了實(shí)現(xiàn)儀表液晶顯示器低功耗、重量輕、體積小、環(huán)境適應(yīng)性好、安全、可靠性高的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文從結(jié)構(gòu)與工藝兩個(gè)方面對(duì)儀表液晶顯示器進(jìn)行多環(huán)境下的協(xié)同設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)

某款儀表液晶顯示器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其零部件之間使用螺釘和結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行連接。高度模塊化設(shè)計(jì)不但使其結(jié)構(gòu)緊湊，而且具備良好的維修性。外殼材料采用鋁2A12，具有極好的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能，表面噴涂天津油漆廠燈塔牌聚氨脂清漆S01-3。

圖1 儀表液晶顯示器結(jié)構(gòu)

1.1 三防設(shè)計(jì)

液晶顯示器在使用時(shí)受濕度影響較大。尤其是當(dāng)器件的密封性被破壞時(shí)，空氣中的水汽和氧氣進(jìn)入器件內(nèi)部，使金屬電極發(fā)生氧化或使有機(jī)層發(fā)生水解等。研究表明：密封性破壞后，空氣中的水汽和氧氣可在數(shù)小時(shí)內(nèi)降低，甚至直接破壞顯示器的發(fā)光性能[5]。

因此，在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)選密封性能好的陶瓷芯片，在個(gè)別塑封器件表面噴涂有機(jī)/無機(jī)雙層防潮膜。對(duì)印刷電路板組件(printed circuit board assembly,PCBA)涂敷三防漆。整機(jī)安裝時(shí)涂密封膠。

1.2 隔振緩沖設(shè)計(jì)

圖1中，液晶模塊及視頻控制板均采用四邊固定安裝。因此，其固有頻率的計(jì)算式為[6]：

(1)

式中：ST為模塊或控制板的剛性系數(shù)；P為單位面積的動(dòng)量；L、B分別為長(zhǎng)和寬。

由此可見：增大模塊或控制板的剛性，可以提升ST，從而提高其固有頻率F0。在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，考慮到安全裕度，F(xiàn)0的取值不小于環(huán)境振動(dòng)頻率的2倍，從而避免諧振的發(fā)生。

1.2.1 印制電路板及元器件的加固

液晶顯示器的印制電路板(printed circuit board,PCB)主要包括電源板、主控板等。在對(duì)印制電路板進(jìn)行加固時(shí)，可采用在印制電路板中間加導(dǎo)柱、增加固定點(diǎn)等方式，使印制電路板的固有頻率進(jìn)一步提升，進(jìn)而提高抗振動(dòng)沖擊能力。同時(shí)，采用膠體材料對(duì)印制電路板上易損元器件作固定處理。通過整機(jī)加固，對(duì)振動(dòng)、沖擊應(yīng)力進(jìn)行吸收、緩解，盡可能減小或吸收作用于各模塊的應(yīng)力。

1.2.2 液晶顯示屏的隔振加固

液晶顯示屏的隔振加固是將顯示基板與前后鋼化玻璃綁定在一起[7]，極大地提高其剛性，從而遠(yuǎn)離諧振頻率，避免共振損壞。液晶顯示屏的四周用金屬外框支撐固定，中間安裝硅橡膠條作為減震器，并填充柔性有機(jī)密封膠。

1.3 寬溫設(shè)計(jì)

1.3.1 低溫加熱

加熱玻璃通過綁定技術(shù)與液晶基板緊密貼合，位置在液晶屏內(nèi)部，熱耗散減小，加熱效果明顯[8]。該設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是縮短了加熱時(shí)間，減小了加熱功耗，從而提升了整機(jī)可靠性。

1.3.2 散熱設(shè)計(jì)

考慮到航空儀表液晶顯示器往往處于低氣壓環(huán)境，而航天器、空間站儀表顯示器則處于真空環(huán)境，不宜應(yīng)用風(fēng)冷散熱[9]，因此顯示器中的主要發(fā)熱元器件全部采用傳導(dǎo)散熱。在設(shè)計(jì)時(shí)，將液晶模塊和電氣模塊的主要熱源分別緊貼于金屬結(jié)構(gòu)件，使金屬結(jié)構(gòu)件連接成一個(gè)導(dǎo)熱良好的整體，最終通過金屬的熱容及輻射進(jìn)行散熱。

1.4 電磁兼容性設(shè)計(jì)

顯示窗口安裝屏蔽玻璃。顯示器殼體全部采用鋁合金密封方式設(shè)計(jì)，接縫處全部搭接，涂抹導(dǎo)電密封膠并噴涂導(dǎo)電三防漆DJB-823。全封閉的金屬外殼能有效屏蔽和吸收顯示器內(nèi)DC-DC電源模塊、高頻集成電路、晶振等產(chǎn)生的電磁干擾，同時(shí)也能很好地屏蔽外界電磁輻射對(duì)顯示器內(nèi)部敏感器件和信號(hào)的干擾。

1.5 安全性設(shè)計(jì)

顯示器采用了防爆設(shè)計(jì)，在LCD最外面綁定一塊鍍有減反射膜的鋼化玻璃(相對(duì)普通玻璃強(qiáng)度可增加6～8倍)進(jìn)行層疊加固。該設(shè)計(jì)能保證在特殊情況下即使玻璃和液晶屏破裂，減反射膜也能將液晶屏破裂后的碎片固定，不會(huì)造成碎片飛濺到空間中而危害操作員身體。

①電源采用了雙熔斷器加限流電阻的過流保護(hù)。該設(shè)計(jì)能保證在特殊情況下，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，熔斷器隨即將設(shè)備與一級(jí)電源斷開，不會(huì)影響其他儀器設(shè)備的正常工作。

②顯示器金屬外殼部分搭接構(gòu)成良導(dǎo)體，不會(huì)造成靜電電荷累積。

③產(chǎn)品為(27±3)V供電，內(nèi)部電路為降壓供電，所有操作按鍵均采用絕緣鍵帽。產(chǎn)品的表面以及操作員接觸到的部分均進(jìn)行了拋光和陽(yáng)極氧化處理，無棱角和毛刺。

④所使用的原材料均為無毒、阻燃材料。

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 液晶模塊設(shè)計(jì)

采用真空氣相沉積工藝，在2.3 mm鋼化玻璃的某一面覆蓋一層具有電磁屏蔽功能的氧化銦硒(indium-tin oxides，ITO)。該致密導(dǎo)電膜透過率高、無光學(xué)畸變。然后在玻璃四周鍍銀邊，形成屏蔽加固玻璃。石墨烯價(jià)格便宜，也具有同樣性能，但當(dāng)暴露于紫外輻射下會(huì)發(fā)生降解。

傳統(tǒng)加固顯示器采用高亮屏實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光下可讀，導(dǎo)致功耗很大。最佳方法是降低顯示模塊的反射率；在上述加固玻璃的另一面，采用溶膠-凝膠化學(xué)鍍膜法，形成8層結(jié)構(gòu)的減反射膜，以達(dá)到既增透又防眩的效果。經(jīng)測(cè)試，該方法的表面反射率小于0.5%，強(qiáng)光對(duì)比度達(dá)到6∶1(100 000 lx 照度)，有效提高了強(qiáng)光下的可視效果。

傳統(tǒng)的后天加固方式不改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，液晶基板單薄，各層膜之間僅靠擠壓固定，所以在嚴(yán)酷振動(dòng)條件下，無法避免液晶屏內(nèi)部基板的自身抖動(dòng)與各層膜之間的移位、摩擦，極易導(dǎo)致破損、開路。為了提高液晶模塊的剛性，同時(shí)考慮到真空環(huán)境對(duì)液晶顯示器密封器件的影響，在10萬級(jí)防靜電潔凈室內(nèi)，首先在玻璃上印刷一層300 μm的光學(xué)雙組份硅膠，然后壓合液晶屏并固化，從而形成一個(gè)單獨(dú)的綁定加固模塊，可防止在嚴(yán)酷環(huán)境中變形或破裂。用作副面板的金屬面框內(nèi)側(cè)，四周用鍍銅導(dǎo)電硅橡膠條隔離減振。上述加固塊與驅(qū)動(dòng)板、電源板、驅(qū)動(dòng)線纜、驅(qū)動(dòng)板屏蔽蓋一起安裝于金屬圍框內(nèi)。后面以加固背框，在4個(gè)角上用柱頭螺釘進(jìn)行固定。背框內(nèi)表面用雙面膠帶3M-9731粘貼1 mm厚的導(dǎo)電橡膠板。

2.2 背光模塊設(shè)計(jì)

背光源選用白光LED[10-11]。其驅(qū)動(dòng)電壓低，在低氣壓和真空下可正常工作，光源穩(wěn)定。LED為非玻璃材料，可承受高強(qiáng)度的振動(dòng)和沖擊，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)。白光LED體積小，采用側(cè)裝式可以減少整機(jī)的厚度，節(jié)省空間。透過擴(kuò)散膜、增亮膜、棱鏡膜、色溫補(bǔ)償膜后，背光源的亮度為24 000 cd/m2。

3 關(guān)鍵裝配工藝設(shè)計(jì)

3.1 PCBA敷形涂覆

將調(diào)試合格后的各類PCBA的焊點(diǎn)、元器件及印刷電路板與外界的腐蝕因素隔離開，使之不受外界因素的腐蝕、侵蝕，從而提高單機(jī)產(chǎn)品的防潮、防霉和防鹽霧能力。這也能對(duì)元器件、焊點(diǎn)起加固作用，并對(duì)PCBA中可能殘存、但沒起破壞作用的微細(xì)多余物起固定作用。其操作步驟依次為：準(zhǔn)備、清洗、保護(hù)、預(yù)烘、涂料配置、涂覆、烘干、清理、檢驗(yàn)及轉(zhuǎn)序。

表面敷形涂覆材料選用道康寧DC1-2577。該有機(jī)硅樹脂三防漆有彈性，耐濕熱性能好，能耐高溫200 ℃、低溫-60 ℃。噴涂前，用3M-2214膠帶紙與鑷子配合，對(duì)電氣連接部位進(jìn)行保護(hù)。選用噴嘴直徑為1～1.5 mm的噴槍，涂層厚度控制在20～30 μm。

3.2 液晶模塊裝配工藝

撕去液晶模塊金屬面框上雙面膠的透明保護(hù)膜，安裝至前面框(注意：液晶屏的有效顯示區(qū)必須處于前面板顯示窗口的居中位置，前面板各邊不得遮擋液晶屏的有效顯示區(qū))。操作時(shí)，注意液晶屏的安裝方向；LED背光燈的安裝槽為液晶屏的上邊，安裝時(shí)與前面板的上邊在同一方向。

在液晶屏金屬側(cè)外框與前面框之間用703硅橡膠條密封,將液晶模塊與面框粘固起來，室溫固化時(shí)間約24 h。

3.3 視頻控制板安裝

將連接線纜按照設(shè)計(jì)要求焊接至視頻控制板。在PCB固定板的散熱塊上涂抹一層導(dǎo)熱硅脂，并清除機(jī)殼內(nèi)的多余物，如膠渣、線頭，多余硅脂等，保證機(jī)殼內(nèi)部的清潔。將焊接有線纜的視頻控制板安裝在PCB上，并用螺釘固定。

4 結(jié)論

隨著國(guó)家間的技術(shù)封鎖加劇，高環(huán)境適應(yīng)性儀表顯示器的自主研發(fā)顯得十分重要。本加固顯示器集抗振動(dòng)、抗沖擊、防潮濕、防霉菌、防鹽霧、防眩增透、低溫工作、超低氣壓工作、電磁屏蔽等多種功能于一體。整機(jī)試驗(yàn)過程按照GJB 1032等一系列國(guó)標(biāo)、軍標(biāo)的要求進(jìn)行。其結(jié)果驗(yàn)證了顯示器設(shè)計(jì)及工藝方案的有效性：圖像清晰不抖動(dòng)，輸出的圖像穩(wěn)定，在低溫環(huán)境下加熱可靠、高效，高溫下不死機(jī)、不出現(xiàn)黃斑，強(qiáng)光下可視不炫目，低可見光夜視兼容。該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果，可用于多種因素并存的極端嚴(yán)酷環(huán)境，例如野外、航空航天甚至空間站。