平板顯示真空貼合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

尚 書(shū)，王素強(qiáng)，劉亞欣

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

平板顯示真空貼合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

尚 書(shū)，王素強(qiáng)，劉亞欣

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

為提高平板顯示真空貼合設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量和效率，在分析傳統(tǒng)真空貼合方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種二次貼合系統(tǒng)，對(duì)其工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的探索。依據(jù)平面梁模型推導(dǎo)LCD在均勻真空壓力下的微變形，利用其微變形實(shí)現(xiàn)與TP的定位和預(yù)貼合，得出合理設(shè)計(jì)定位臺(tái)高度及跨度是預(yù)貼合的關(guān)鍵，同時(shí)設(shè)計(jì)并分析了主貼合系統(tǒng)中真空腔體的工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)。

真空貼合；真空腔體；平面梁模型；平板顯示

作為新興產(chǎn)業(yè)的平板顯示領(lǐng)域是電子信息行業(yè)的支柱，其發(fā)展不僅符合中國(guó)制造2025的趨勢(shì)，更是國(guó)家未來(lái)科技發(fā)展的要求，對(duì)促進(jìn)我國(guó)電子信息行業(yè)升級(jí)、推進(jìn)多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步具有十分重要的戰(zhàn)略意義。隨著近年來(lái)中國(guó)新型顯示器件制造業(yè)的快速發(fā)展和市場(chǎng)需求的持續(xù)擴(kuò)大，各類帶有觸控功能的新型觸控面板（智能電視、智能手機(jī)、平板電腦、車載顯示和可穿戴智能設(shè)備）得到了廣泛的運(yùn)用。

目前觸控面板的生產(chǎn)在向低成本、輕薄化和高透光性發(fā)展，全貼合技術(shù)的應(yīng)用滿足了這一系列的要求。全貼合技術(shù)是以光學(xué)膠OCA將觸控模塊TP和液晶顯示屏LCD以無(wú)縫隙的方式完全粘貼在一起的生產(chǎn)工藝。與非全貼技術(shù)（框貼）相比，各組件之間無(wú)縫貼合，提高了透光性和顯示效果；同時(shí)玻璃基板與觸摸層融合為觸控模塊，節(jié)約了材料成本，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品輕薄化。

根據(jù)貼合對(duì)象的不同，全貼合工藝可以分為軟-硬貼合和硬-硬貼合，其中光學(xué)膠OCA與觸控模塊TP的貼合為軟-硬貼合，觸控模塊TP與液晶顯示屏LCD的貼合為硬-硬貼合。軟-硬貼合方式主要采用輥輪-平臺(tái)貼合、網(wǎng)版貼合，硬-硬貼合主要采用真空環(huán)境下的直壓式貼合。一臺(tái)全貼合生產(chǎn)設(shè)備的主要工藝流程如圖1所示。

圖1 全貼合工藝流程

傳統(tǒng)硬-硬貼合常采用夾持治具對(duì)貼合材料進(jìn)行定位，圖2為TP夾持治具，圖3為L(zhǎng)CD夾持治具。

如圖2所示，TP夾持治具在x方向和y方向安裝有定位塊，定位塊上安裝有彈性立柱，立柱可以沿其軸線升降和旋轉(zhuǎn)。TP（圖中虛線框）通過(guò)彈性立柱定位并放置于定位塊上，二者邊緣接觸產(chǎn)生摩擦力限制TP的平面自由度。吸取TP時(shí)，上腔體下降壓緊彈性立柱后，上腔體與彈性立柱同時(shí)下降，下降至預(yù)設(shè)高度時(shí)，完成TP取料。

如圖3所示，LCD夾持治具在x方向和y方向安裝有定位塊，操作人員手動(dòng)將LCD放置平臺(tái)并通過(guò)定位塊確定基準(zhǔn)位置，吸附在真空平臺(tái)上。定位塊與彈性機(jī)構(gòu)相連接，定位塊高度比LCD高。貼合時(shí)，上腔體壓緊定位塊后，上腔體和定位塊同時(shí)下降，下降至預(yù)設(shè)高度時(shí)，TP與LCD貼合，貼合完畢定位塊自動(dòng)上升。

圖2 TP夾持治具

圖3 LCD夾持治具

傳統(tǒng)夾持治具通過(guò)彈性定位機(jī)構(gòu)與真空平臺(tái)結(jié)合，限制材料在x、y、z三個(gè)方向的自由度。但是這種定位方式有一定的局限性：

（1）定位塊與材料邊緣接觸產(chǎn)生摩擦力限制其運(yùn)動(dòng)自由度，因此連接定位塊的彈性元件剛度需要根據(jù)貼合材料的厚度及剛性、貼合壓力、壓頭下壓量的改變進(jìn)行調(diào)整，以提供可靠的定位壓力，防止定位壓力不足使材料產(chǎn)生偏移，或定位壓力過(guò)大使材料產(chǎn)生變形；

（2）定位壓力需要穩(wěn)定可靠輸出。定位塊的定位壓力需要平行作用于貼合材料，防止貼合材料受力不均產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)位移，在貼合過(guò)程中產(chǎn)生壓傷，因此對(duì)夾持機(jī)構(gòu)的加工及裝配精度要求很高；

（3）夾持治具只能適用于外形尺寸變化不大的材料，生產(chǎn)中若材料尺寸發(fā)生較大變化則需要更換治具；

（4）定位塊在貼合過(guò)程中與材料邊緣摩擦，對(duì)定位塊的耐磨性提出了較高的要求。

為滿足高質(zhì)量的貼附要求，針對(duì)上述彈性?shī)A持治具可靠性及通用性存在的不足，設(shè)計(jì)了一種預(yù)貼合機(jī)構(gòu)加主貼合機(jī)構(gòu)的貼附方式，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

1 預(yù)貼合系統(tǒng)的組成及工作原理

預(yù)貼合系統(tǒng)由5部分組成：TP中轉(zhuǎn)平臺(tái)、TP取料機(jī)械手、預(yù)貼真空平臺(tái)、真空源、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。

圖4 預(yù)貼合系統(tǒng)工作示意圖

在預(yù)貼合系統(tǒng)中，控制主體為工控機(jī)，電磁閥控制真空源的通斷，程序控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)TP取料機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)TP完成與OCA的貼合并撕膜后，轉(zhuǎn)移至中轉(zhuǎn)平臺(tái)。TP取料機(jī)械手吸取TP運(yùn)動(dòng)至預(yù)貼真空平臺(tái)上方，等待與LCD貼合。LCD經(jīng)過(guò)上料、清潔、撕膜后轉(zhuǎn)移至預(yù)貼真空平臺(tái)。TP與LCD分別經(jīng)過(guò)CCD對(duì)位后，兩者進(jìn)行貼合。其中，預(yù)貼真空平臺(tái)合理的設(shè)計(jì)是預(yù)貼合過(guò)程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 預(yù)貼真空平臺(tái)的設(shè)計(jì)與分析

當(dāng)預(yù)貼真空平臺(tái)與TP取料吸附平臺(tái)均為平面時(shí)，TP與LCD的貼合即為傳統(tǒng)硬-硬貼合方式。由于TP、OCA、LCD三者泊松比不同，在受壓情況下產(chǎn)生的橫向與縱向變形量也不相同，三者粘貼后易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響貼合質(zhì)量。

基于上述分析，在加工預(yù)貼真空平臺(tái)時(shí)，在平臺(tái)表面加工兩個(gè)高度為H，寬度為B的定位臺(tái)，兩定位臺(tái)之間有真空孔。LCD放置于預(yù)貼真空平臺(tái)上，左邊緣與左定位臺(tái)距離l1，兩定位臺(tái)之間距離l，右定位臺(tái)與LCD右邊緣距離l2，如圖5所示（實(shí)際H為微米級(jí)，B遠(yuǎn)小于LCD長(zhǎng)度，為方便研究放大顯示）。由于定位臺(tái)高度H為微米級(jí)，真空泄漏量可以忽略不計(jì)，認(rèn)為L(zhǎng)CD吸附牢固可靠。

圖5 預(yù)貼真空平臺(tái)示意圖

LCD在平臺(tái)上受到均勻分布的真空壓力產(chǎn)生變形，根據(jù)圣維南原理，LCD邊緣對(duì)其內(nèi)部影響可忽略不計(jì)，因此LCD在x方向中心截面可等效為外伸梁，力學(xué)模型如圖6所示。線段AD為外伸梁，AB段和CD段在支點(diǎn)外側(cè)，B端為固定鉸支座，C為可移動(dòng)支座，虛線表示梁變形后的狀態(tài)。

圖6 梁模型受力圖

圖6中，x、y為變形前的梁軸線；w為撓度，梁在平面內(nèi)橫坐標(biāo)為x的縱坐標(biāo)；θ為梁在平面內(nèi)橫坐標(biāo)為x轉(zhuǎn)過(guò)的弧度；ρ為梁軸線變形后的曲率半徑；O為曲率中心；q為載荷集度，為單位長(zhǎng)度內(nèi)的載荷。

根據(jù)材料力學(xué)理論可知，梁變形后的曲線為撓曲線ω=f(x)，撓曲線的近似微分方程為：

式中M(x)為梁的橫截面在橫坐標(biāo)x處的彎矩；E為材料彈性模量；I為橫截面對(duì)中性軸的慣性矩。

設(shè)AB段長(zhǎng)度為l1，BC段為l，CD段為l2，對(duì)梁進(jìn)行受力分析，求出梁的彎矩方程M(x)。根據(jù)靜力平衡方程可得B端和C端的支反力為：

梁的AB段及CD段為自由端，彎矩為零，在BC段的彎矩為：

將式(3)代入式(1)：

在式(4)兩端乘以dx，積分得轉(zhuǎn)角方程：

在式(5)兩端乘以dx，積分得撓曲線方程：

根據(jù)梁邊界條件，鉸支座處撓度為零：

梁上的外力和邊界條件對(duì)跨度中點(diǎn)對(duì)稱，在中點(diǎn)處轉(zhuǎn)角θ為零：

將式(7)代入式(6)，式(8)代入式(5)：

求得梁的轉(zhuǎn)角方程和撓度方程：

梁在B端和C端的轉(zhuǎn)角數(shù)值相等，方向相反，且絕對(duì)值最大。在式(10)中分別令x=0，x=l得：

由于梁在A端和D端為自由端，因此θA=θB，θC=θD，根據(jù)幾何關(guān)系可求得梁在A端和D端的撓度：

綜上可知，LCD兩邊緣在定位臺(tái)的支撐作用下產(chǎn)生變形，TP下降與LCD貼合時(shí)，兩者首先會(huì)在邊緣接觸并粘合，實(shí)現(xiàn)了TP與LCD的定位，有效避免真空腔體在抽氣時(shí)發(fā)生漂移。在不考慮其他因素對(duì)變形影響的情況下，變形量與LCD外伸量、真空吸附壓力、支撐跨距成正比，所以合理設(shè)計(jì)定位臺(tái)高度及跨度是預(yù)貼合的關(guān)鍵，需做進(jìn)一步的分析。

3 主貼合系統(tǒng)的組成及工作原理

主貼合系統(tǒng)在功能實(shí)現(xiàn)上與傳統(tǒng)的硬-硬貼合相同，主要由4部分組成：真空腔體機(jī)構(gòu)（包括上腔體和下腔體）、氣源、真空泵、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其中真空腔體是主貼合系統(tǒng)中的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。

真空腔體機(jī)構(gòu)分為上下兩個(gè)腔體，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。上腔體是內(nèi)層附有一層硅膠的平板，并可以輸入壓縮空氣。下腔體主要由真空貼合平臺(tái)、升降機(jī)構(gòu)、壓塊、密封材料組成，并可以分別輸入壓縮空氣及真空源。

真空腔體工作時(shí)，上腔體內(nèi)層的硅膠材料與下腔體的密封材料壓緊，確保整個(gè)真空系統(tǒng)封閉可靠。下腔體通過(guò)升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以將其分隔為正壓和真空兩個(gè)相互獨(dú)立的密閉空間。當(dāng)上腔體壓緊下腔體后，下腔體輸入壓縮空氣驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)上升壓緊擋板，真空貼合平臺(tái)區(qū)域被分隔開(kāi)來(lái)，接著通過(guò)下方連接的真空源快速抽離空氣，產(chǎn)品在真空環(huán)境中完成最終貼合。當(dāng)真空環(huán)境保持一段預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后，上腔體通入壓縮空氣，破壞真空環(huán)境，上下腔體分離。

圖7 真空腔體結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)硬-硬貼合方式為一次性直壓式貼合，為保證貼合質(zhì)量，減少貼合氣泡，需要高功率的真空泵產(chǎn)生足夠高的真空值，并且維持較長(zhǎng)的時(shí)間。但真空值越高，產(chǎn)品更容易在快速抽氣時(shí)發(fā)生漂移，因此偏位的概率也越大。因此在生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)精度方面往往不能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

本文針對(duì)傳統(tǒng)真空貼合方式存在的不足，設(shè)計(jì)并研究了預(yù)貼合加主貼合系統(tǒng)。在預(yù)貼合環(huán)節(jié)可以定位TP和LCD，有效減少產(chǎn)品貼合偏位，保證貼合的穩(wěn)定可靠。由于進(jìn)行了二次貼合，主貼合系統(tǒng)配備較低功率的真空泵即可滿足貼合要求。主貼合加預(yù)貼合方式相較傳統(tǒng)貼合方式雖然增加了一次貼合流程，但在預(yù)貼合完成后，主貼合所需時(shí)間會(huì)減少，且可在主貼合系統(tǒng)中設(shè)置雙工位，總體而言仍有效提高了生產(chǎn)效率。

[1] 王平，項(xiàng)志偉，胡進(jìn)，喬非.我國(guó)平板顯示行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].改革與開(kāi)放，2016，21：16-18.

[2] 盛洪奇.LCD真空貼合基板吸附和剝離關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2014.

[3] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

The Design and Research of a Vacuum Laminating Mechanism in Flat Panel Display Field

SHANG Shu，WANG Suqiang，LIU Yaxin
(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)

In order to improve the production quality and productivity of the vacuum laminating machine in flat panel display field,an improved double laminating system was designed,and its working principle and mechanical structure were studied.The small deformation of LCD under uniform vacuum pressure distribution was deduced based on plane beam model,and the small deformation was used to finish positioning and pre-laminating between TP and LCD.The indication was that the appropriate design of the height and span length of the positioning table were the key factors.Moreover，the working principle and mechanical structure of vacuum chamber in main laminating system were designed and analyzed.

Vacuum lamination；Vacuum chamber；Plane beam model；Flat panel display

TN605

B

1004-4507(2017)02-0066-05

尚書(shū)（1988-），男，山西太原人，工學(xué)碩士，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，助理工程師，主要從事電子專用設(shè)備的研發(fā)工作。

2017-03-17