氣囊在平板顯示貼附類設(shè)備中的應(yīng)用與研究

胡欽華，郭 鵬，楊成春，王素強(qiáng)

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024）

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氣囊在平板顯示貼附類設(shè)備中的應(yīng)用與研究

胡欽華，郭 鵬，楊成春，王素強(qiáng)

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024）

摘要：為了在平板顯示貼附類設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的硬對(duì)硬貼合的要求，設(shè)計(jì)了一種新型氣囊貼附機(jī)構(gòu)，并對(duì)氣囊貼附方式的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，依據(jù)坐標(biāo)變換法以及Hertz接觸理論推導(dǎo)氣囊施加在上基板工件上的壓力分布公式，并在此基礎(chǔ)上對(duì)氣囊貼合產(chǎn)生缺陷的原因進(jìn)行了深入的分析。在氣囊貼合產(chǎn)生缺陷的各種因素中，貼合接觸區(qū)的壓力控制不合理是導(dǎo)致眾多貼合缺陷的最為關(guān)鍵的因素。

關(guān)鍵詞：氣囊貼附；壓力分布；平板顯示；真空環(huán)境

平板顯示是信息產(chǎn)業(yè)重要的戰(zhàn)略性和基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。加快平板顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)提質(zhì)、增效、升級(jí)具有重要意義。為引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，2014年國家發(fā)改委和工信部聯(lián)合制定推出了《2014-2016年新型顯示產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》，表明了國家對(duì)顯示面板行業(yè)尤其是新型平板顯示行業(yè)的高度重視。隨著顯示技術(shù)特別是觸控技術(shù)的發(fā)展，帶有觸控功能的平板顯示器在各類電子終端產(chǎn)品中得到了日益廣泛的運(yùn)用。在平板顯示器的制造過程中會(huì)多次用到貼附技術(shù)，如偏光片與基板的貼附、保護(hù)膜與基板的貼附、OCA與玻璃基板的貼附、玻璃基板與蓋板的貼附以及觸控模組與液晶顯示模組的貼附。在以上各種貼附工藝中前三者屬于軟硬貼附，后兩者屬于硬硬貼附，硬硬貼附的難點(diǎn)是對(duì)貼附精度與貼附氣泡的控制。傳統(tǒng)的平臺(tái)輥輪式貼附、網(wǎng)版式貼附和直接壓合式貼附已不能滿足硬硬貼附的要求。近年來基于真空環(huán)境下的柔性氣囊貼附技術(shù)，以其優(yōu)異的性能得到了廣泛的應(yīng)用。該貼附技術(shù)采用柔性氣囊作為貼附工具，不僅可以實(shí)現(xiàn)軟硬貼附亦可實(shí)現(xiàn)硬硬貼附，并且具有貼合均勻、氣泡可控、對(duì)貼附材料損傷小等特點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣闊，值得我們深入研究。

1氣囊貼附系統(tǒng)的組成及工作原理

氣囊貼附系統(tǒng)一般由5部分組成：腔體貼附機(jī)構(gòu)、氣源、真空源、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)以及控制軟件。本文所述的氣囊貼附系統(tǒng)是指在平板顯示行業(yè)貼合制程中，玻璃基板與蓋板以及觸控模組與液晶顯示模組的貼合工藝所使用的氣囊貼附系統(tǒng)，該系統(tǒng)的方案如圖1所示。

圖1　氣囊貼附系統(tǒng)示意圖

在本系統(tǒng)中，采用工控機(jī)作為控制的主體，氣源和真空源的通斷由電磁閥控制，上腔體的運(yùn)動(dòng)由程序控制電機(jī)執(zhí)行。當(dāng)上、下腔體達(dá)到設(shè)定的真空值時(shí)，釋放上腔體真空并注入壓縮空氣，在空氣壓力作用下氣囊硅膠板向下膨脹變形，膨脹的氣囊再驅(qū)使上基板下壓以實(shí)現(xiàn)上、下基板由中間向四周的貼合，如圖2所示。在整個(gè)貼附過程中，腔體貼附機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量貼合的關(guān)鍵，也是本文的研究重點(diǎn)。

圖2　氣囊貼附原理示意圖

2　腔體貼附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

2.1腔體貼附機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的硬硬貼合，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套腔體貼附機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)分為上下兩個(gè)腔體，上腔體可通負(fù)壓或正壓，通負(fù)壓是為了讓上、下腔體的壓力保持平衡以防止氣囊硅膠板膨脹變形；通正壓是讓氣囊膨脹變形以驅(qū)動(dòng)上、下基板的貼合；下腔體只通負(fù)壓，為貼合提供真空環(huán)境；當(dāng)上、下兩個(gè)腔體合體時(shí)，通過密封圈進(jìn)行密封，以氣囊硅膠板為界形成兩個(gè)相互獨(dú)立的腔體。其機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3　腔體貼附機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

腔體貼附機(jī)構(gòu)在平板顯示貼附類設(shè)備中的貼合過程如下：

（1）人工或機(jī)械手先將下基板置于貼附平臺(tái)上進(jìn)行定位，定位完成后再將上基板置于彈性支柱上進(jìn)行定位。

（2）上腔體在翻轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繞旋轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針翻轉(zhuǎn)180°，翻轉(zhuǎn)到位后再在z向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿z軸向下運(yùn)動(dòng)，使上、下腔體緊密結(jié)合。

（3）上、下腔體同時(shí)抽真空，當(dāng)兩腔體真空度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止抽真空。

（4）上腔體釋放真空并注入壓縮空氣，使氣囊膨脹變形，膨脹的氣囊迫使上基板微變形，同時(shí)彈性支柱在上基板壓力作用下向下收縮，隨著注入的空氣量的增加，上基板與下基板由中心點(diǎn)向四周逐漸貼合在一起。

（5）達(dá)到貼合設(shè)定的時(shí)間后，上腔體在z向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿z軸向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到位后再在翻轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繞旋轉(zhuǎn)軸順時(shí)針翻轉(zhuǎn)180°。

（6）人工或機(jī)械手將貼合后的產(chǎn)品取走。

在整個(gè)貼附過程中，上、下腔體的真空平衡控制、氣囊內(nèi)部壓力及貼合接觸區(qū)的壓力分布是影響貼附成敗的關(guān)鍵因素。其中貼合接觸區(qū)的壓力分布是重點(diǎn)亦是難點(diǎn)，需做進(jìn)一步的分析。

2.2氣囊貼附接觸區(qū)壓力分布分析

氣囊對(duì)貼合接觸區(qū)的壓力是氣囊材料本身的彈性變形和氣囊充氣之后的壓力綜合作用的結(jié)果。充氣后的氣囊是線彈性系統(tǒng)，可用彈簧模型表達(dá)。在不同的內(nèi)部壓力下，氣囊的彈性系數(shù)k是不同的，氣囊在貼合的時(shí)候，彈性系數(shù)隨著氣囊內(nèi)部氣壓的增加而增加，從而導(dǎo)致貼合接觸區(qū)所承受的載荷增大。因此，施加在上基板上的力F可以用公式（1）來計(jì)算：

式中：k為彈性系數(shù)；H為在貼合接觸區(qū)任意點(diǎn)的氣囊壓縮。

根據(jù)Hertz接觸理論，可知接觸區(qū)內(nèi)平均壓力可用公式（2）表示：

式中：a為橢圓形接觸區(qū)長(zhǎng)半軸的長(zhǎng)度；

b為橢圓形接觸區(qū)短半軸的長(zhǎng)度。

由于氣囊在膨脹狀態(tài)下近似為球形，氣囊貼合上基板中心截面的幾何模型可以簡(jiǎn)化為圖4所示。從圖中可以看到，O1點(diǎn)是氣囊的球心，O是貼合接觸區(qū)的中心，O'是圓弧AO'B的中點(diǎn)，a為O1O'和上基板接觸區(qū)法線夾角，圖4中符號(hào)表示的含義如表1所示。

圖4　氣囊貼附幾何模型簡(jiǎn)圖

表1　圖4中字母所表示的含義

在圖4中，假設(shè)xyz是幾何模型的整體坐標(biāo)系，xuyuzu和xwywzw為局部坐標(biāo)系，其中坐標(biāo)系xuyuzu的坐標(biāo)原點(diǎn)位于氣囊的球心O1，坐標(biāo)系xwywzw的坐標(biāo)原點(diǎn)位于上基板和氣囊形成的橢圓形接觸區(qū)的中心O。若要推導(dǎo)氣囊貼合接觸區(qū)的壓力分布公式，需在坐標(biāo)系xuyuzu和坐標(biāo)系xwywzw之間進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到如公式（3）和（4）所示的表達(dá)式：

將（3）式代入（4）式化簡(jiǎn)得：

由于氣囊與上基板貼合接觸區(qū)為近似圓形的平面圖形，因此：

求解方程組（7），可得上基板和氣囊的接觸區(qū)邊界的取值范圍：

由公式（8）可知，氣囊和上基板的接觸區(qū)可以視為圓形。

求解公式（5）得到的zw為兩個(gè)值，分別用 zw1和zw2表示：

根據(jù)xwywzw坐標(biāo)系的方向，所求得zw值應(yīng)該為：

由于：

因此根據(jù)公式（1），氣囊所受壓力的表達(dá)式：

則：

由作用力與反作用力的關(guān)系可知，當(dāng)使用氣囊貼合上、下基板時(shí)，上基板在貼合接觸區(qū)任意點(diǎn)所受氣囊的壓力表達(dá)式為：

由于接觸區(qū)可以視為圓形的接觸區(qū)，因此平均壓力表達(dá)式為：

可以求得氣囊與上基板貼合接觸區(qū)內(nèi)點(diǎn)平均壓力分布的表達(dá)式：

當(dāng)xw=0，yw=0時(shí)，求得中心點(diǎn)處最大平均壓力取值表達(dá)式為：

由上面的推導(dǎo)可知：上、下基板貼合時(shí)，上基板在中心點(diǎn)處承受的氣囊壓力最大，在不考慮其他因素對(duì)基板貼合影響的情況下，基板中心點(diǎn)處是貼合應(yīng)力最集中的地方。

3影響氣囊貼附質(zhì)量的因素分析

由氣囊貼附系統(tǒng)的組成及在平板顯示貼附類設(shè)備中的貼合過程可知，產(chǎn)生貼合缺陷的因素來自各個(gè)方面，既有機(jī)械、電氣系統(tǒng)因素，也有軟件控制系統(tǒng)因素，歸納起來主要有一下幾點(diǎn)：

（1）氣囊材質(zhì)。氣囊的材質(zhì)不同其膨脹系數(shù)就不同，在通入相同的空氣量后，其膨脹的大小就不同。氣囊膨脹的大小決定了貼合接觸區(qū)的大小，貼合接觸區(qū)不夠大是產(chǎn)生四周貼合氣泡的一個(gè)主要原因。

（2）上下腔體的真空平衡。在氣囊貼附過程中，上下腔體要同時(shí)抽真空，兩腔體的殘留氣壓要時(shí)刻保持平衡，如若不平衡，氣囊硅膠板在不同的壓力作用下會(huì)上下波動(dòng)，當(dāng)波動(dòng)幅度超出一定范圍時(shí)會(huì)產(chǎn)生貼附位置偏差。所以上下腔體在抽真空的同時(shí)，需實(shí)時(shí)檢測(cè)上下兩腔體的殘留氣壓，以確保兩腔體的壓力平衡。

（3）腔體的真空度。氣囊貼合時(shí)，下腔體的真空度是產(chǎn)生貼合氣泡的主要原因之一。腔體的真空度由真空源和腔體的密封性能決定，腔體的真空度代表的是殘留空氣的量，真空度越高殘留氣體越少，貼合氣泡也就越少。

（4）氣囊內(nèi)部壓力。氣囊內(nèi)部壓力是影響貼附效率和貼合均勻性的重要因素。氣囊內(nèi)部壓力即氣囊內(nèi)空氣的氣壓，當(dāng)氣囊內(nèi)部氣壓逐漸增大時(shí)，貼合接觸區(qū)的壓力也逐漸增大，但是當(dāng)氣壓增大到一定程度時(shí)，隨著內(nèi)部氣壓的增大氣囊在接觸區(qū)上壓力增加的不再顯著。這是因?yàn)椋撼錃鈮毫υ黾邮沟脷饽覂?nèi)部氣壓增大到逐漸接近氣囊本身彈性極限的程度。

（5）氣囊貼附接觸區(qū)的壓力分布。由公式（14）可知：上基板在中心點(diǎn)處承受的氣囊壓力最大，由中心點(diǎn)向四周逐漸減弱?；逯行狞c(diǎn)壓力不足會(huì)產(chǎn)生貼合氣泡、貼附不牢甚至無法貼合等缺陷；中心點(diǎn)壓力過大又會(huì)產(chǎn)生膠體變形、貼合偏位甚至是基板破碎等缺陷。所以貼合接觸區(qū)的壓力分布是否合理，是影響氣囊貼附質(zhì)量最為關(guān)鍵的因素。

4結(jié)　論

本文給出了氣囊貼附系統(tǒng)的一般組成，重點(diǎn)研究了腔體貼附機(jī)構(gòu)，并對(duì)其貼附原理和貼合過程進(jìn)行了分析，證明了運(yùn)用該機(jī)構(gòu)進(jìn)行硬硬貼附的可行性；給出了氣囊貼合接觸區(qū)的壓力分布表達(dá)式，并在此基礎(chǔ)上對(duì)氣囊貼合產(chǎn)生缺陷的原因進(jìn)行了深入的分析；在氣囊貼合產(chǎn)生缺陷的各種因素中，貼合接觸區(qū)的壓力控制不合理是導(dǎo)致貼合眾多缺陷的最為關(guān)鍵的因素。

雖然本文只研究了氣囊對(duì)平面工件的貼附，但是由于氣囊充氣后具有彈性，可以自動(dòng)適應(yīng)工件的曲面形狀，因此同一氣囊也可用于貼合曲率不同的曲面，如球面、非球面及自由曲面等。

參考文獻(xiàn)：

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［4］ K.L.Johnson.Contact mechanics［M］.北京：高等教育出版社，1992.

中圖分類號(hào)：TN605

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-4507（2016）07-0024-05

作者簡(jiǎn)介：

胡欽華（1982-），男，河南商丘人，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事電子專用設(shè)備的研發(fā)工作。

收稿日期：2016-05-27

The Research and Application of Bonnet in Attached Equipment of the Flat Panel Display

HU Qinhua，GUO Peng，YANG Chengchun，WANG Suqiang

（The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China）

Abstract：In order to achieve the requirement of high-quality hard-on-hard attaching on fitting attached equipment in the flat panel display，we designed a new type of gasbag attached agency and studyed the key technology of the ways the airbag attached in detail.The pressure-distribution formula of the pressurethatairbagexertedonsubstrateworkpiecewasdeducedaccordingtocoordinate transformation and Hertz contact theory，on the basis of that，the reasons of defects caused by airbag attaching are deeply analyzed.We can see that the unreasonable of pressure control in attaching contact area is the key factor in all sorts of reasons which causing defects.

Keywords：Bonnet attachment；Pressure-distribution；Flat panel display；Vacuum environment