電容式觸摸屏點(diǎn)膠貼合技術(shù)與設(shè)備研究

段青鵬，劉永立，趙乃輝

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

目前在電容式觸控面板上主要采用了四種技術(shù)，包括 G+G、In-cell、On-cell、OGS。其中 G+G 是傳統(tǒng)TFT LCD加外掛式投射電容觸控面板(合計(jì)4片玻璃基板)；內(nèi)嵌投射電容觸控的TFT LCD(合計(jì)3片玻璃基板)；AMOLED加On-cell投射電容觸控面板及保護(hù)玻璃(合計(jì)3片玻璃基板)；TFT LCD加外掛式OGS投射電容觸控面板 (合計(jì)3片玻璃基板)。其中In-cell與OGS觸控技術(shù)因?yàn)榭梢宰鞯礁p薄，成為手機(jī)行業(yè)最受關(guān)注的兩大顯示技術(shù)。

無論采用何種技術(shù)，玻璃基板之間都需要進(jìn)行貼合工藝，它主要是以水膠或光學(xué)膠將顯示面板、觸摸屏、保護(hù)玻璃以無縫隙的方式完全粘貼在一起，是非常關(guān)鍵的工藝流程。電容式觸摸屏點(diǎn)膠貼合設(shè)備采用的是水膠貼合的方式，應(yīng)用在硬對(duì)硬貼合的材質(zhì)，它可以完成觸摸屏和保護(hù)蓋板之間的貼合，也可以完成觸摸屏和顯示屏TFT LCD之間的貼合。

1 兩種電容式觸摸屏貼合工藝比較

在觸摸屏貼合工藝中，主要有兩種貼合方式，一種是OCA膠帶，另一種是水膠工藝。OCA工藝，采用OCA（Optical clear Adhesive）光學(xué)透明膠帶或無基材光學(xué)膠帶進(jìn)行貼合，簡(jiǎn)單地說，就是采用高透光性的雙面膠帶進(jìn)行貼合。該膠帶材料的主要成分是以壓克力(Acrylic)為主，具有高黏性、高透光性(＞90%)、耐候性佳(抗UV)等優(yōu)點(diǎn)，最適合應(yīng)用于透明材質(zhì)的貼合。OCA工藝需要二次貼合,主要有網(wǎng)板和真空兩種貼合方法；水膠工藝，使用液態(tài)光學(xué)透明膠貼合透明光學(xué)元件，利用波長(zhǎng)250～400 nm的紫外線照射液態(tài)光學(xué)透明膠使其固化，進(jìn)行貼合。此種光學(xué)膠無色透明、透光率極高，通過可見光、UV、中高溫、潮氣等方式固化，具有粘接強(qiáng)度良好、固化收縮率小、耐黃變、硬度偏軟等特性。

在這兩種貼合工藝中，水膠貼合總體來說優(yōu)于OCA貼合。水膠貼合工藝難以有效地控制溢膠是其最大的缺點(diǎn)，而且不適用于軟對(duì)硬的貼合，但是水膠貼合具有高透光率和良品率，尤其對(duì)于中大尺寸和高靈敏度電容屏的貼合，其成本價(jià)格優(yōu)于OCA，使得硬對(duì)硬貼合中使用液態(tài)水膠已經(jīng)成為行業(yè)趨勢(shì)。另外液態(tài)光學(xué)水膠貼合取代固態(tài)OCA貼合的一個(gè)很重要的原因是它更能適應(yīng)高度差和表面不平整的問題，也就能更好地解決氣泡問題。本文所述是新近開發(fā)研究的采用水膠貼合的工藝設(shè)備。

2 點(diǎn)膠貼合設(shè)備的主要工作原理和工藝流程

點(diǎn)膠貼合設(shè)備采用人工手動(dòng)完成上下料，銷定位、真空吸附固定。通過將上基板涂布水膠，翻轉(zhuǎn)后下基板上升，在上升過程中擠壓水膠，由于液態(tài)水膠具有流動(dòng)性，使得上下基板之間的水膠均勻地?cái)U(kuò)散流平，當(dāng)整個(gè)擴(kuò)散流平完成后，對(duì)其進(jìn)行預(yù)固化完成貼合流程。對(duì)貼合位置精度要求高的場(chǎng)合，可以通過CCD圖像識(shí)別系統(tǒng)和精確的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將其矯正對(duì)位。工藝流程見圖1所示。

圖1 點(diǎn)膠貼合設(shè)備工藝流程圖

3 主要技術(shù)難點(diǎn)

電容式觸摸屏點(diǎn)膠貼合，一種是觸摸屏和保護(hù)蓋板之間的貼合，一種是已經(jīng)貼合的觸摸屏和顯示面板模組（簡(jiǎn)稱LCM）之間的貼合。這兩種貼合都需要精確的點(diǎn)膠量控制，以及很高的位置精度和厚度精度要求，否則會(huì)對(duì)將來的觸控和顯示帶來影響，很多TP廠商都對(duì)貼合提出了嚴(yán)格的要求：

貼合位置精度要求：±0.05 mm。

貼合厚度精度要求：總厚度±10%。

另外，貼合過程中贓物、異物和溫度對(duì)產(chǎn)品的良率影響很大，對(duì)此類設(shè)備提出了較高的要求。

4 設(shè)備整體解決方案

針對(duì)這些工藝難點(diǎn)，通過與用戶的交流，以及對(duì)點(diǎn)膠貼合整個(gè)工藝過程的了解，經(jīng)過大量工藝實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，找到了造成電容式觸摸屏產(chǎn)品良率低下的原因，制定出設(shè)備需要提供的工藝環(huán)境工作流程，結(jié)合用戶現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)情況、人員操作情況、工作效率等多種因素，確定了設(shè)備的整體解決方案。本文所述設(shè)備包括點(diǎn)膠系統(tǒng)、上、下平臺(tái)貼合系統(tǒng)及測(cè)厚系統(tǒng)、CCD視覺對(duì)位系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)。為了滿足貼合工藝要求，減小贓物、異物等影響，需要將設(shè)備安裝在無塵室中，設(shè)備頂部安裝FFU凈化單元，可有效提高產(chǎn)品的良率。

4.1 點(diǎn)膠系統(tǒng)

點(diǎn)膠系統(tǒng)是完成整個(gè)水膠貼合工藝的前提，必須精確地控制點(diǎn)膠量。它主要由一套三軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和點(diǎn)膠裝置組成，三軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過伺服電機(jī)反饋控制實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)在上吸附平臺(tái)上，主要是對(duì)上吸附平臺(tái)上固定的玻璃基板表面進(jìn)行點(diǎn)膠。為了在貼合過程中不產(chǎn)生氣泡，點(diǎn)膠的圖形一般是雙“Y”或畫點(diǎn)型，并且盡量減小交點(diǎn)。

精確控制點(diǎn)膠量，一般靠時(shí)間-壓力點(diǎn)膠系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，此類點(diǎn)膠系統(tǒng)主要有針筒控制類型和壓力罐控制類型。針筒控制可以應(yīng)用在小批量生產(chǎn)過程中，容量在50～120 mL；壓力罐控制一般配合點(diǎn)膠閥使用，適用于大批量的點(diǎn)膠控制，不用經(jīng)常更換針筒，壓力罐一般在1～2 L。點(diǎn)膠壓力罐設(shè)計(jì)帶有真空抽氣，能去除水膠在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的氣泡。

4.2 上、下平臺(tái)貼合系統(tǒng)

上、下平臺(tái)分別固定待貼合的兩個(gè)玻璃基板，都帶有銷定位和真空吸附固定。其中上平臺(tái)可通過翻轉(zhuǎn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)180°翻轉(zhuǎn)，下吸附臺(tái)可通過伺服電機(jī)反饋精確控制升降運(yùn)動(dòng)，升降距離是根據(jù)測(cè)量玻璃的實(shí)際厚度后計(jì)算出來的數(shù)值，這樣保證了產(chǎn)品厚度一致性的要求，避免了玻璃的厚度誤差帶來的膠層厚度的不一致。圖2為上、下吸附平臺(tái)在點(diǎn)膠貼合過程中運(yùn)動(dòng)的4個(gè)步驟。

第一步將上、下兩個(gè)玻璃基板利用定位銷分別固定在上、下平臺(tái)上，真空吸附固定，點(diǎn)膠系統(tǒng)對(duì)位于上平臺(tái)上的玻璃基板進(jìn)行點(diǎn)膠；第二步通過翻轉(zhuǎn)電機(jī)上平臺(tái)翻轉(zhuǎn)180°；第三步對(duì)完成翻轉(zhuǎn)的上平臺(tái)機(jī)械固定；第四步上平臺(tái)緩慢上升，水膠逐漸壓縮擴(kuò)散至兩個(gè)玻璃基板完全貼合。在整個(gè)貼合過程中第四步是最為重要的，對(duì)上升的距離和貼合的速度都必須精確控制，整個(gè)過程要盡可能地減慢，可以分多個(gè)速度過程來完成，這樣才可能將氣泡完全排干凈，提高產(chǎn)品的良率。

上、下兩個(gè)平臺(tái)需要較好的平面度，且之間具有較高的平行度，如此才能保證貼合后產(chǎn)品的厚度精度和均勻性的要求。

圖2 上、下吸附平臺(tái)系統(tǒng)在點(diǎn)膠貼合過程中的四個(gè)步驟

4.3 貼合后位置精度的數(shù)據(jù)分析

在貼合完成后，上、下兩個(gè)玻璃基板之間是有位置誤差的，有的產(chǎn)品要求精度比較高，需要進(jìn)行CCD視覺系統(tǒng)進(jìn)行精確連續(xù)對(duì)位。圖3中，上玻璃為觸摸屏，下玻璃為保護(hù)玻璃，兩個(gè)玻璃的長(zhǎng)度和寬度方向的距離分別為31.00 mm和31.55 mm，利用本文所述的設(shè)備進(jìn)行水膠貼合作業(yè)10次，測(cè)得其長(zhǎng)度和寬度方向的距離公差為0.11 mm和0.19 mm。通過對(duì)大量TP工廠進(jìn)行測(cè)量的數(shù)據(jù)表明：在不進(jìn)行CCD視覺對(duì)位的情況下，本文所述設(shè)備的貼合位置精度為±0.2 mm。對(duì)于精度要求不高的產(chǎn)品，可以不采用CCD視覺對(duì)位。

利用CCD相機(jī)對(duì)上、下兩個(gè)玻璃基板的MARK點(diǎn)進(jìn)行拍照并計(jì)算，可以將貼合后的產(chǎn)品精確對(duì)位。圖4中，本文所述的設(shè)備進(jìn)行水膠貼合作業(yè)10次，對(duì)圖中上邊距和左邊距的①、②、③、④四個(gè)長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的誤差分別為0.035 mm、0.038 mm、0.037 mm、0.042 mm，通過對(duì)大量 TP工廠進(jìn)行測(cè)量的數(shù)據(jù)表明：在進(jìn)行CCD視覺對(duì)位的情況下，本文所述設(shè)備的貼合位置精度為±0.05 mm。對(duì)于精度要求高的產(chǎn)品，可以采用CCD視覺對(duì)位系統(tǒng)達(dá)到±0.05 mm的精度。

圖3 僅利用銷定位進(jìn)行貼合后位置精度

圖4 利用CCD視覺系統(tǒng)進(jìn)行貼合后位置精度

4.4 測(cè)厚系統(tǒng)

測(cè)厚系統(tǒng)主要是為了保證貼合產(chǎn)品厚度的精度要求，主要原理是在上平臺(tái)翻轉(zhuǎn)之前通過上、下平臺(tái)光學(xué)測(cè)厚儀，分別對(duì)上、下兩個(gè)玻璃基板進(jìn)行測(cè)厚，根據(jù)所需要的產(chǎn)品厚度或膠層厚度計(jì)算出下平臺(tái)所需要上升的距離，這樣在上下平臺(tái)有較好的平面度和平行度的情況下，極大程度上避免了上、下玻璃基板的誤差對(duì)整個(gè)貼合產(chǎn)品的影響。如圖5所示。

圖5 測(cè)厚系統(tǒng)示意圖

利用本文所述的設(shè)備對(duì)5個(gè)要求不同厚度的產(chǎn)品進(jìn)行水膠貼合作業(yè)9次，得到了厚度數(shù)據(jù)見表1。通過光學(xué)測(cè)厚儀（測(cè)量精度0.001 mm），最終完成貼合產(chǎn)品的貼合厚度精度要求可以滿足總厚度的±10%。

表1 五種要求不同厚度產(chǎn)品的實(shí)際厚度mm

5 結(jié)論

電容式觸摸屏是目前的主流觸摸屏技術(shù)，其在中小尺寸市場(chǎng)上尤其是智能手機(jī)等方面占有極大地優(yōu)勢(shì)地位。而水膠貼合又是其中非常關(guān)鍵的工藝流程，本文所述設(shè)備的研制開發(fā)解決了OCA貼合中帶來的種種弊端，滿足了水膠貼合工藝中對(duì)產(chǎn)品位置精度和厚度精度的要求，提高了產(chǎn)品的性能和良率，有效降低了成本，也會(huì)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

[1]孫紅飚，趙乃輝.從全貼合技術(shù)發(fā)展分析觸控面板市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2013(6)：45-49.

[2]劉靜瑜.專注中小尺寸成功躋身一流[J].國際光電與顯示，2014(4)：44-46.