李愿愿，程再軍，顏華生，張 旭，王建明

（1. 廈門理工學院 光電與通信工程學院，福建 廈門 361000；2. 天馬微電子股份有限公司 消費品質量部，福建 廈門 361000）

1 引 言

隨著時代的進步和發(fā)展，液晶顯示屏應用于手機、平板電腦、電視等各種電子產品中，給人們的生活帶來了許多便利［1-3］。薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor-liquid Crystal Display，TFT-LCD）以其輕薄、功耗低、便攜等優(yōu)點擴大了其自身的應用領域，同時由于人們對液晶顯示屏的體驗需求逐年提高，因此各大面板廠致力于提高液晶顯示屏的品質性能來提升自身的競爭優(yōu)勢［4-5］。其中擠壓漏光對顯示質量有很大的影響，造成終端用戶體驗感受較差。

目前液晶顯示屏的產品均由彩色濾光片（Color Filter，CF）基板和TFT 陣列基板貼合而成。為保證液晶面板盒厚的穩(wěn)定性和均一性，需要在兩基板間制作柱狀隔墊物（Photo Spacer，PS）來支撐［6］。液晶面板中的PS 是一種具有一定彈性的樹脂材料，雙柱高設計，分為主隔墊物（Main Photo Spacer，MPS）和輔隔墊物（Sub Photo Spacer，SPS），兩者共同作用預防相關顯示不良［7］。其中液晶面板在受到擠壓發(fā)生形變時宏觀可見紅色斑點或者藍色斑點，顯微鏡下表現(xiàn)為漏光這一不良現(xiàn)象。液晶面板在制作過程中受到機臺不可控的外力作用、生產過程中產線工作人員不規(guī)范的操作以及終端用戶不恰當?shù)氖褂枚加锌赡茉斐梢壕姘迨艿綌D壓發(fā)生形變，進而影響液晶面板的正常顯示。為了保證液晶面板正常顯示，需要對液晶面板在極端的環(huán)境下進行可靠性實驗，快速激發(fā)暴露不良現(xiàn)象，驗證液晶面板設計的可行性。

本文通過設計液晶面板抗擠壓能力的可靠性試驗以及對擠壓漏光機理的分析，得出其影響因素可分為3 大類：PS 的設計、遮光區(qū)域的設計、平坦化層（Planarization Layer，PLN）的設計。采用部分因子實驗設計（Design of Experiment，DOE）的方法篩選出影響擠壓漏光的主要因子有PS 的尺寸、黑色矩陣（Black Matrix，BM）寬度、PS 站位以及PLN 厚度，并通過實驗進行驗證，為提升液晶面板抗擠壓能力提出改善措施。

2 液晶面板擠壓測試可靠性實驗及擠壓漏光機理分析

2.1 擠壓測試可靠性實驗

擠壓測試可靠性實驗使用萬能測試儀（島津，AG-X plus 5 kN/1 kN，1～4 800 N/980 N）。選擇壓桿Φ10 mm、壓頭Φ15 mm 球頭的橡膠壓頭并根據樣品大小選擇相應的PS專用治具。治具平臺要求平面載臺，中心圓形鏤空，直徑30 mm。先將治具固定在試驗機臺上保持平行且緊固，如圖1（a）所示。壓力計垂直正壓于液晶面板中心點。壓頭和治具安裝完后，如圖1（b）所示，將樣品放在載臺上，CF 側朝上，壓頭對準樣品中心點，程序設置實驗條件為初始力值從20 N 開始，壓桿下降速度為5 mm/min，當壓頭接觸到樣品中心點后停留時間為5 s。每次按壓之后都將樣品移出治具，在點亮的背光源下觀察有無紅斑或藍斑出現(xiàn)，若有則本次實驗結束，若無則依次遞增10 N 直至出現(xiàn)。

圖1 （a）PS 治具測試點位；（b）樣品固定方式。Fig.1 （a）PS fixture test point；（b）Sample fixation method.

2.2 擠壓漏光不良現(xiàn)象

本文所述擠壓漏光不良現(xiàn)象的宏觀和微觀圖片如圖2所示。由圖2（b）可以看到，紅色亮點出現(xiàn)的位置均在主隔墊物旁，說明在擠壓過程中，MPS周圍的液晶分子無法正常偏轉從而出現(xiàn)漏光。

圖2 紅斑不良的宏觀圖片（a）和微觀圖片（b）Fig.2 Macro picture（a）and micro picture（b）of red spot

2.3 擠壓漏光不良機理分析

PS 對液晶面板起支撐作用，應用于液晶面板中很大程度控制著液晶面板的盒厚，進一步控制面板的顯示品質，其中PS 的壓縮率和彈性回復率是液晶面板保持一定盒厚的關鍵因素［8］。圖3 所示為柱狀PS 的俯視和側視示意圖，由俯視圖可見其上底直徑小于下底直徑，其側視圖為梯形。

圖3 PS 的俯視和側視示意圖Fig.3 Top view and side view of PS

當面板受到外力作用發(fā)生彎曲時，PS 被壓縮，如果在其彈性回復限度內撤掉外力，面板就會恢復原狀正常顯示。如果超出其彈性回復限度，就會導致MPS 變形移位而劃傷TFT 基板上的聚酰亞胺（Polyimide，PI）配向膜，無法正常控制液晶分子的排列，從而導致漏光［9-10］。如圖4 所示，當擠壓面板時，若PS 的尺寸過小，其與配向膜的接觸面積小且周邊空間沒有能夠阻擋PS 滑動的阻擋物，在擠壓過程中更容易劃傷配向膜。此外，PS 站位設計同樣存在擠壓漏光問題，例如，PS 設計若整體偏離居中，在擠壓過程中會加大其相對于下基板的偏移距離，相對于居中站位設計可能會更易劃傷配向膜。并且，由于目前人們對高分辨率產品的要求，BM 寬度較小，無法遮擋PS 在配向膜上劃傷的位置，致使漏光不良更易發(fā)生［11］。最后，PLN 平坦化層在面板受到擠壓時，若其對上下基板間電場相互干擾的防護作用受到破壞，會對基板上的像素電容造成影響（像素電容的作用即為驅動液晶分子的旋轉），進而影響像素周邊的液晶分子正常偏轉，也會導致漏光。由于MPS 設計在紅藍像素上，故宏觀上呈現(xiàn)出紅斑或者藍斑現(xiàn)象。

圖4 液晶面板擠壓示意圖Fig.4 Schematic diagram of liquid crystal panel pressing

3 不良影響因子的研究

3.1 擠壓漏光影響因子實驗方案設計

根據上述液晶面板擠壓漏光的機理分析，對盒內PS 相關設計、遮光BM 寬度設計以及下基板PLN 的設計進行優(yōu)化是改善的總體方向。本文通過DOE［12］篩選出影響擠壓漏光的主要因子，主要探討PS 的尺寸、BM 寬度、PS 站位以及PLN 厚度對擠壓漏光不良的影響?；趯嶋H生產過程中的情況，以上相關因子的設置都有各自的范圍，因此本次實驗的主要參數(shù)設置如表1 所示。

表1 DOE 部分因子實驗設置參數(shù)Tab.1 DOE part factor experiment set parameters

以上實驗因子共計4 個，采用24*1/2 部分因子實驗設計，共進行8 組實驗。部分因子實驗實施應按照DOE 的基本原則進行，即隨機性、重復性和區(qū)組化。實驗的隨機性是為了防止實驗時主觀和客觀因素對實驗結果造成誤差，以此來提高實驗的可信度。根據以上實驗方案設計進行驗證，具體實驗實施方案及實驗結果如表2 所示。

表2 部分因子實驗設計及實驗輸出Tab.2 Partial factor experiment design and experimental output

3.2 擠壓漏光的部分因子DOE 數(shù)據分析

根據表2 實驗輸出結果，利用Minitab 軟件制作如圖5 所示的擠壓漏光影響因子的標準化效應Pareto 圖。圖中的豎虛線為95%的置信度水平顯著性判斷參考線，橫向矩形條為各因子的效應絕對值。若矩形條超出判斷參考線，表示因子對實驗輸出結果的影響顯著，且超出部分與顯著性成正相關。由圖5 可見，PS 尺寸、BM 寬度、PS 站位以及PLN 厚度均超過參考線，即可判斷以上均為顯著影響因子，并且各因子對面板擠壓漏光最大臨界值影響大小的排名為PS 站位＞PS 尺寸＞BM 寬度＞PLN 厚度。

圖5 擠壓漏光影響因子的標準化效應圖Fig.5 Standardization effect of pressed leakage influence factor

為驗證以上分析是否合理需要進一步進行殘差分析，如圖6 所示為擠壓漏光影響因子的殘差圖。

由圖6（a）可進行正態(tài)性檢驗，圖中各點的分布在同一直線上下浮動，且P值（P值是用來判定假設檢驗結果的一個參數(shù)，通常被用來判斷原始假設是否正確）為0.376（＞0.05），由此可判定滿足正態(tài)分布；由圖6（b）觀察與擬合值散點圖可知，各點分布未出現(xiàn)“喇叭形”或者“漏斗形”，由此判斷殘差正常；由圖6（d）觀測值順序圖可觀察到各點隨機分布于水平軸的上下并無呈規(guī)則波動。以上3 個角度（直方圖用于顯示所有觀測值的殘差分布，其外觀取決于用來進行數(shù)據分組的區(qū)間數(shù)，但由于本文中樣本數(shù)量小，所以不具備可靠性）的分析表明，本文的DOE 數(shù)據分析基本準確，可確定PS 尺寸、BM 寬度、PS 站位以及PLN 厚度為影響面板擠壓漏光的主要因子。

圖6 擠壓漏光影響因子的殘差圖Fig.6 Residual diagram of pressed leakage influence factor

4 液晶面板擠壓漏光的改善

根據DOE 實驗分析結果，對以上顯著影響因子進行優(yōu)化并管控好其他因子，即可提高液晶面板擠壓漏光最大臨界值，有效改善擠壓漏光不良，進而提升面板抗擠壓能力。

4.1 增加PS 的尺寸

在確保滿足液晶面板光學特性的前提下，通過增加PS 的尺寸使之與配向膜接觸面積變大，進而使其周圍空間變小，在面板受到擠壓作用致使PS 發(fā)生滑動時能夠較早與周邊金屬線接觸，以達到阻擋PS 滑動的目的。為此，將柱狀PS 的上下底直徑各增加3 μm。為了驗證原設計與增加3 μm 設計的PS 彈性回復率的區(qū)別，本文使用精密的PS 柱彈性回復率測試儀器進行測試，利用儀器模擬在加壓情況下PS 的狀況。設置擠壓力值為50 mN，持續(xù)時間為30 s。設hmax為PS 發(fā)生的最大形變，hp為壓力撤銷后PS 恢復后的形變，由式（1）可以得到PS 的彈性回復率［13-14］。

不同尺寸設計的PS 彈性回復率如表3 所示。從表中可以看出，增加PS 的尺寸后，其彈性回復率較原設計平均提高了4.4%。

表3 不同產品PS 彈性回復率對比Tab.3 Comparison of different product PS elastic recovery rate

對比PS 的尺寸設計變更前后兩種產品在相同擠壓實驗中面板出現(xiàn)漏光的臨界值，如圖7 所示。由圖可知，PS 的設計變更后擠壓出現(xiàn)漏光的平均力值增大，面板所能承受的最大壓力平均增強32.69%。根據以上數(shù)據可以推測是因為PS 的尺寸增大，與配向膜接觸面積增大，相同負載下PS 受到的壓強變小，形變量減小，因此壓縮后產生的塑性形變減小，彈性回復率增加，擠壓出現(xiàn)漏光的平均臨界力值增大，能夠有效改善擠壓漏光不良。

圖7 不同PS 尺寸設計的面板抗擠壓能力Fig.7 Panel anti-pressing capability of different PS size design

4.2 增加BM 寬度

BM 的作用是避免鄰接RGB 三原色像素的散亂光及背光直接投射，增加色彩對比性，避免背景光由顯示幕反射造成對比度下降，遮蔽薄膜晶體管以防止光電流產生以及減少LCD 光點間因彼此干擾所產生的光害，獲得穩(wěn)定且清晰的影像品質，提升閱讀上的舒適度等。在保證其他因子不變的前提下，增加BM 的寬度，可以使面板在擠壓過后PS 滑動的距離小于BM 寬度從而能夠遮擋漏光。但基于液晶顯示屏高分辨率的要求，過度增大BM 寬度的設計會降低液晶面板的透過率，因此在設計過程中將BM 寬度在原來基礎上增加3 μm。

對變更BM 寬度設計前后的液晶面板分別選擇相同數(shù)量的樣品進行相同的擠壓實驗，結果如圖8 所示。由圖8 可知，增大BM 寬度設計的液晶面板擠壓漏光平均臨界力值為64 N，對比改善前液晶面板擠壓漏光的平均臨界力值49 N 提升了30.61%，說明增大BM 寬度設計能夠改善擠壓漏光不良。

圖8 不同BM 寬度設計的面板抗擠壓能力Fig.8 Panel anti-pressing capability of different BM width design

4.3 不同PS 站位設計對擠壓漏光的影響

圖9 展示了PS 不同站位設計的液晶面板顯微鏡圖。在保證PS 尺寸大小以及BM 寬度不變的前提下，變更PS 站位設計，其中圖9（a）為變更前的PS 站位設計，整體偏右上設計；圖9（b）為變更后的PS 設計，整體居中設計。

圖9 PS 站位不同設計的顯微鏡圖Fig.9 Microscopic map of PS different station design

根據上述PS 站位設計的液晶面板，分別選擇相同數(shù)量的樣品進行相同的壓力實驗，結果如圖10 所示。由圖10 可知，PS 偏右上設計的液晶面板所能承受的臨界平均值為51 N，而PS 整體居中設計的面板所能承受的臨界平均值為68 N，相較之下提升了33.33%。由此可以推斷液晶面板內PS 站位調整為整體居中設計，擠壓后偏移距離小，不易出現(xiàn)擠壓漏光。

圖10 不同PS 站位設計的面板抗擠壓能力Fig.10 Panel anti-pressing capability of different PS stamp design

4.4 減小PLN 厚度設計

PLN 為有機膜層，主要起平坦化作用使配向更均勻，同時減小耦合電容，并對下基板的TFT電場進行屏蔽，避免影響同一基板上的像素電容，防止電場相互干擾。圖11 所示為不同PLN厚度的SEM 圖。

圖11 不同PLN 厚度的掃描電鏡圖Fig.11 Different PLN thickness SEM map

根據以上所述的PLN 有機膜層厚度的設計，在保證PS 尺寸，BM 寬度以及PS 站位相同的前提下，對不同PLN 厚度設計的產品進行相同條件下的擠壓實驗，結果如圖12 所示。由圖12可知PLN 厚度d=3.3 μm 的液晶面板擠壓漏光平均臨界值為48 N，而PLN 厚度為d=2.7 μm 的液晶面板出現(xiàn)擠壓漏光的平均臨界力值為61 N。相比之下，PLN 厚度減小卻使面板抗擠壓能力提升27.08%，因此減小PLN 厚度可有效改善擠壓漏光不良。

圖12 不同PLN 厚度設計的面板抗擠壓能力Fig. 12 Panel anti-pressing capability of different PLN thickness design

5 結 論

通過對液晶面板擠壓漏光機理的分析，利用實驗設計中部分因子DOE 方法，確定影響擠壓漏光不良的顯著因子為PS 的尺寸、BM 寬度、PS站位設計以及PLN 厚度。

針對各個影響因子設計運用于實際生產中液晶面板的不良改善措施，結果表明：柱狀PS 上下底直徑各增加3 μm 的設計使面板所能承受的最大壓力平均增強32.69%，并且其彈性回復率較原設計提升了4.4%；增大BM 寬度設計的液晶面板對比改善前擠壓漏光平均臨界力值提升了30.61%；PS 整體居中設計的液晶面板較PS偏右上設計的面板所能承受的臨界均值提升了33.33%；PLN 厚度為2.7 μm 的液晶面板比PLN厚度為3.3 μm 的面板抗擠壓能力提升了27.08%。本文所研究的內容以及實驗方法可有效提升產品的品質，提高企業(yè)的生產效益。