基于實驗設(shè)計對蓋板功能孔透過率測量系統(tǒng)的研究

馬海彭 陳文智 錢程 韓琛 李召明 周飛龍

（1.京東方（河北）移動顯示技術(shù)有限公司，河北廊坊 065000；2.群龍企業(yè)咨詢（上海）有限公司，上海 200335）

通常所說的全面屏手機指的是手機正面屏占比達到80%以上的手機，相比于其他智能手機，全面屏手機采用超窄的邊框設(shè)計，不僅具有超窄的左右邊框，還有更窄的頂部和底部區(qū)域[1-3]，位于邊框的功能孔也隨之演進變得更小、更精密。而功能孔作為手機屏的重要構(gòu)成部分，其光線透過率水平是衡量其是否能達到期望性能的重要指標。微型化的功能孔需要更精密的透過率測量設(shè)備和更規(guī)范的測量方法，而手機行業(yè)供應(yīng)鏈上下游的測量設(shè)備并不一致，也沒有定義統(tǒng)一的測量方法，所以因測量系統(tǒng)造成的觀測差異時常使產(chǎn)業(yè)鏈條上下游就產(chǎn)品是否為合格品產(chǎn)生分歧。

2020 年6 月，因透過率測量值不滿足客戶規(guī)格，我司兩批次共八萬片液晶顯示模組被客戶批退，嚴重影響客戶滿意度，帶來了至少一百萬的經(jīng)濟損失和不可估量的無形損失。為挽回這次損失并徹底防止問題再次發(fā)生，基于成本與時間的限制，我們應(yīng)用小樣本概念分析[4-5]，并采用變異源分析、回歸分析、機理分析等方法，找出了影響測量透過率的關(guān)鍵因子為產(chǎn)品的測量通道和產(chǎn)品形態(tài)，針對此關(guān)鍵因素進行管控，提升測量的精準度。最后得到了客戶認可，挽回了經(jīng)濟損失和客戶績效。并且與設(shè)備廠商共同檢討，起草行業(yè)規(guī)范一份。通過分析客戶的測量系統(tǒng)，給出專業(yè)改善建議，推動客戶完善測量系統(tǒng)。由此，建立了供應(yīng)鏈上下游均適用的標準規(guī)范，做到供應(yīng)鏈協(xié)同合作，避免了透過率問題的再次發(fā)生。

1 透過率測量機理研究

本文透過測量系統(tǒng)機理分析尋找影響因子，運用實驗設(shè)計（DOE）找出數(shù)學(xué)模型，進而定義了最優(yōu)參數(shù)組合。

1.1 功能孔分析

此章節(jié)介紹了手機功能孔的功能及其透過率值計算與規(guī)格。

1.1.1 功能孔的介紹

功能孔包含接近光孔、環(huán)境光孔和攝像孔（如圖1 所示），其中接近光孔的工作原理一般為手機內(nèi)部的紅外激光發(fā)射器經(jīng)由接近光孔傳出，受物體反射后又經(jīng)由接近光孔傳回到手機的距離傳感器，以此計算屏幕與物體的距離，當接打電話或放在口袋里時，距離小于閾值，手機屏幕會自動關(guān)閉并實現(xiàn)貼臉息屏和防誤觸等功能[6]；而環(huán)境光孔是手機內(nèi)部的傳感器通過判斷穿過環(huán)境光孔的外界光線強度來調(diào)節(jié)屏幕的亮度，實現(xiàn)屏幕亮度隨外界光照強弱變化而同步變化的功能，提高屏幕的觀感舒適度[7]。故手機能實現(xiàn)這些預(yù)期的功能依賴于接近光孔和環(huán)境光孔對光線的通過性，即透過率。

圖1 蓋板功能孔示意圖

1.1.2 透過率測量原理

在測量透過率時，透過率測量儀器會以特定直徑面積的光入射到被測功能孔內(nèi)，采用小于被測孔面積的接收器收集穿透部分的光，設(shè)放樣品前光接收器感應(yīng)的入射光為I0，放樣品后接收到的光為I1，求得透過率值T%=I1/I0×100%。以本文所討論產(chǎn)品為例，6.0 寸產(chǎn)品的接近光孔透過率規(guī)格為大于80%，如果透過率不合格，會導(dǎo)致距離感應(yīng)器無法接收到光線，貼臉息屏和防誤觸功能失效。

1.2 影響測量的因素探究

依據(jù)測量設(shè)備機理分析，找到兩個關(guān)鍵因子，分別為通道與產(chǎn)品型態(tài)。本文應(yīng)用圖形分析與實驗設(shè)計找到最優(yōu)參數(shù)組合，經(jīng)回歸分析驗證為有效。

1.2.1 透過率測量機理分析

2020 年6 月，我司一款6.0 寸產(chǎn)品在東莞客戶入料檢驗中抽檢接近光孔透過率不合格，同期客戶在我司實驗室測試結(jié)果也不合格，導(dǎo)致兩批產(chǎn)品接連被批退，對客戶滿意度影響極大。

批退發(fā)生后，首先根據(jù)設(shè)備廠商提供的設(shè)備規(guī)格書可知，通道的左右光路的發(fā)射光斑大小不同，左側(cè)光斑直徑為0.8 mm，右側(cè)為0.3 mm。并且接收裝置不同，左側(cè)接收器只能接收全部直射光和部分散射光，而右側(cè)接收器可接收全部直射光和全部散射光，左側(cè)更適用于固定角度范圍傳來的光束，設(shè)備左右通道的測量結(jié)構(gòu)和測量原理不同（如圖2 所示），故通道是影響測量結(jié)果的一個因子。

圖2 左右光路測量示意圖

測量儀發(fā)出的光并不是平行光，而是具有一定發(fā)散角度的錐形光，單體狀態(tài)下，光源可以順利通過產(chǎn)品抵達接收裝置中（如圖3 所示），模組狀態(tài)由于背光縱向的堆疊高度，會擋住部分光，接收器接收不到，導(dǎo)致測試值偏低。故產(chǎn)品形態(tài)為影響觀測值的另一個因子。

1.2.2 圖形分析法

通過機理分析，確定了2 個影響因子，通道和產(chǎn)品狀態(tài)。在固定一個通道的情況下，測量蓋板（Cove Glass，CG）單體，發(fā)現(xiàn)測試值與歷史水平相當。初步推測，產(chǎn)品特性未發(fā)生變異，此次問題是由測量系統(tǒng)造成的觀測誤差。于是，選取1 片蓋板標準片（透過率=91.250%），受限于時間與設(shè)備產(chǎn)能需求，分別用左右光路測量其透過率5 次，再將標準片加工成顯示模組（Module，MDL），再次分別用左右光路測量其透過率5 次，取得的觀測值記錄如表1 所示。

表1 透過率測試數(shù)據(jù)

為進一步分析誤差來源，使用圖形分析法和實驗設(shè)計法進行定量分析。將數(shù)據(jù)堆疊為Minitab R18 可讀取的形式輸入并進行分析。首先使用箱線圖分析數(shù)據(jù)是否存在極端異常值。

根據(jù)箱線圖顯示（如圖4 所示），觀測值中無超出上下虛觸線的游離點，判斷不存在異常值[8]；根據(jù)方塊的長度判斷，明顯左通道所測量的觀測值離散程度大于右側(cè)通道，且右通道的測量值大于左通道，蓋板狀態(tài)的測量值大于模組狀態(tài)。

圖3 模組狀態(tài)透過率測量光路示意圖

圖4 透過率觀測值箱線圖

圖5 透過率觀測值的多變異圖

本文使用多變異圖分析變量來源，由多變異圖（如圖5所示）可知，通道的選擇對測量結(jié)果影響較大，此結(jié)論與箱線圖結(jié)論一致；而在左通道下，蓋板和模組的差異比右通道明顯變大，推測通道和產(chǎn)品形態(tài)有交互作用。為證實此結(jié)論，進一步使用主效應(yīng)圖和交互作用圖分析，如圖6 所示。

主效應(yīng)圖對效應(yīng)篩選的結(jié)果顯示，設(shè)備通道的影響最大，其次是產(chǎn)品形態(tài)。交互作用圖顯示，產(chǎn)品形態(tài)和設(shè)備通道的效應(yīng)不平行，存在明顯的交互作用。綜上，主效應(yīng)圖和交互作用圖顯示的結(jié)論與多變異圖一致：通道對測量結(jié)果影響較大，通道和產(chǎn)品形態(tài)有交互作用。

1.2.3 實驗設(shè)計法

圖形分析得到的信息較直觀，本文使用實驗設(shè)計進一步對觀測數(shù)據(jù)分析?，F(xiàn)況有兩因子，每個因子都有兩水平設(shè)置，所以實驗設(shè)計分析工具為2K因子實驗設(shè)計[9]。

表2 因子的水平

圖6 透過率觀測值主效應(yīng)圖和交互作用圖

本文用Minitab R18 進行試驗設(shè)計，因子和因子的各水平信息如表2 所示，產(chǎn)品形態(tài)因子水平選定理由為目前廠內(nèi)的產(chǎn)品類型，通道因子水平選定理由為測量設(shè)備可選的光路。實驗所得數(shù)據(jù)仍然可用，參考表1 數(shù)據(jù)，測量5 次數(shù)據(jù)為實驗設(shè)計的輸出變數(shù)的數(shù)值，其仿行數(shù)為5，實驗設(shè)計分析結(jié)果如表3、表4、表5 所示。

假設(shè)顯著水平α ＝0.05[10]，從表3 中得知，主效應(yīng)因子產(chǎn)品形態(tài)與通道，交互作用因子產(chǎn)品形態(tài)×通道因子的P 值均為0.000。故產(chǎn)品形態(tài)和通道及兩者的交互作用均顯著。

表3 實驗設(shè)計方差分析表

表4 模型匯總報表

表5 已編碼系數(shù)

根據(jù)表4 和表5，R-sq=94.63%＞80%，回歸模型的離差平方和占總離差平方和的比率為94.63%，模型可解釋度較高；扣除了模型中所包含項數(shù)的相關(guān)系數(shù)得到R-sq（調(diào)整）=93.63%，R-sq（調(diào)整）比R-sq 小一些，且兩者之間差距很小，說明考量因子自由度的情況下模型擬合優(yōu)度也很好；R-sq（預(yù)測）=91.61%表示模型對新觀測值響應(yīng)的預(yù)測優(yōu)度較好，不存在過度擬合，模型可有效預(yù)測新觀測值。從表4、表5 可以得到回歸方程：

圖7 模型的殘差圖

殘差分析為回歸模型的前提假設(shè)要求，透過四合一殘差圖（如圖7 所示）中的正態(tài)概率圖，其Anderson-Darling 統(tǒng)計量的P值為0.436，統(tǒng)計上的意義是沒有充分的證據(jù)證明殘差為非正態(tài)分布。直方圖顯示模型殘差呈現(xiàn)鐘形分布；與擬合值圖顯示殘差在零兩側(cè)隨機分布，且不存在其他可識別的模式，說明方差恒定；與順序圖為所有殘差以收集數(shù)據(jù)的先后順序排列的圖，圖中不存在與時間相關(guān)的明顯效應(yīng)，證明殘差彼此不相關(guān)。綜上，殘差分析滿足統(tǒng)計模型的正態(tài)性、同質(zhì)性與獨立性的前提假設(shè)要求。

為進一步根據(jù)量化分析結(jié)果明確因子對Y 的影響程度，用柏拉圖對離差平方和[11]進行分析，離差平方和在實務(wù)上可視為輸入變量對輸出變數(shù)的影響，一般常用相對指標百分比方式，用以識別輸入變數(shù)對輸出指標的影響權(quán)重。

圖8 各因子離差平方和柏拉圖

根據(jù)柏拉圖（如圖8 所示）結(jié)果可知，僅控制通道這一單一因子，對響應(yīng)即透過率觀測值的影響可達到69.8%，意即控制通道的選擇，即可控制測量過程變異中的七成；增加控制產(chǎn)品形態(tài)這一因子，可以控制84.9%的變異；再增加控制產(chǎn)品形態(tài)×通道，可以控制94.6%的變異。在實際操作過程中，可依據(jù)具體情況的不同，綜合考測量精度要求、成本、測試難度等指標，根據(jù)離差平方和適當做取舍。

使用響應(yīng)優(yōu)化器篩選最佳參數(shù)組合并分析復(fù)合合意性：響應(yīng)優(yōu)化器分析結(jié)果如圖9 所示，在產(chǎn)品形態(tài)為蓋板狀態(tài)，通道為右通道時，預(yù)測標準件的透過率測量值可以達到91.2020（真值=91.250%），復(fù)合合意性為99.724%，說明此模型的準確度與落地性高。

1.2.4 實驗效果驗證

為了驗證DOE 模型的有效性，再次抽取30 片已知透過率值均勻分布在60%～95%的蓋板標準件，使用右通道進行測量，將測量結(jié)果與真值進行回歸分析比較，觀察新的參數(shù)測量結(jié)果與真值的差異大小。

為了有效識別透過率的微小差異，本文將真值與觀測值均放大100 倍，經(jīng)由Minitab R18 軟件用回歸分析，可得：

圖9 響應(yīng)優(yōu)化器分析結(jié)果

圖10 觀測值和真值的擬合線圖

圖11 回歸模型殘差圖

從式（2）可知，斜率值為1.034，趨近于1；常數(shù)項為-0.4533，接近于0。表示真值與觀測值仍有微小差異。根據(jù)簡單線性回歸分析的擬合線圖（如圖10所示）知，R-sq和R-sq（調(diào)整）均為100%，觀測值可透過式（2）準確預(yù)測真值。在60%～95%的量程范圍內(nèi)，從上文中得到的DOE 模型的最優(yōu)參數(shù)組合可精確測量透過率；殘差圖（如圖11 所示）顯示，殘差分析的P 值為0.639，符合正態(tài)性要求，圖形亦可知，可滿足同質(zhì)性和獨立性的前提假設(shè)條件要求，模型是可靠的。

2 透過率測量系統(tǒng)規(guī)范

進一步與設(shè)備廠家探討，因終端產(chǎn)品的持續(xù)演化和整個供應(yīng)鏈的使用場景非常復(fù)雜，未針對具體測量過程進行規(guī)范說明。故與設(shè)備廠家共同針對手機蓋板測量使用場景起草一份使用規(guī)范，作為指南，截取部分如表6 所示。

3 結(jié)束語

經(jīng)過了一系列嚴謹?shù)慕y(tǒng)計分析，從設(shè)備的機理分析及少量資料分析找到了影響因子，分別為產(chǎn)品形態(tài)及通道，透過實驗設(shè)計分析找出最優(yōu)參數(shù)組合，避免了良品被誤判的問題，進而發(fā)現(xiàn)業(yè)界并無相關(guān)規(guī)范標準。通過上下游整合，筆者用科學(xué)的方法規(guī)范了合理的作業(yè)模式，經(jīng)過與客戶爭取，挽回了被批退的兩批合格產(chǎn)品，提升了出貨通過率從而提升了客戶端績效。

為避免后續(xù)再發(fā)生類似問題，筆者與設(shè)備廠商共同探討其他可能存在的影響因素后，共同起草了行業(yè)規(guī)范一份，提出了合理的測量模式，闡明光路對產(chǎn)品的適用性和操作過程的細節(jié)規(guī)范要求，并對客戶的測量系統(tǒng)進行了分析，指出問題點推動客戶完善測量系統(tǒng)。統(tǒng)一供應(yīng)鏈上下游的測量系統(tǒng)，確保透過率測試方法一致和測量結(jié)果的準確性，并推廣至國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

表6 設(shè)備使用規(guī)范

近年，隨著產(chǎn)品更新迭代加速，客戶規(guī)格愈發(fā)嚴格，產(chǎn)品的精密性不斷提升，市場對生產(chǎn)制造提出了更高的要求。我們不僅要了解自身的產(chǎn)品，也要對上下游工藝、產(chǎn)品、相關(guān)測量儀器有深入的認識，才能保障產(chǎn)品質(zhì)量和領(lǐng)先優(yōu)勢。