液晶角落Bubble原因分析與改善

李澎軒，侯德智，王文宇

（京東方 南京中電熊貓平板顯示科技有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

在TFT-LCD制造工藝內(nèi)，角落Bubble（氣泡）不良普遍存在，具體體現(xiàn)為成盒后Panel內(nèi)部四角位置出現(xiàn)微小的液晶擴(kuò)散氣泡。筆者在生產(chǎn)過程中遇到一款23.8 Inch產(chǎn)品的角落Bubble異常，并成立了改善小組進(jìn)行不良改善。最終將角落Bubble Inline發(fā)生率由50%降低至0%。本文對(duì)角落Bubble的形成原因和影響因素進(jìn)行分析，并對(duì)驗(yàn)證過程進(jìn)行闡述。

1 原理

顯微鏡下對(duì)氣泡區(qū)域進(jìn)行按壓，氣泡可以移動(dòng)，熱風(fēng)槍加熱不良位置，氣泡增大，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該氣泡為顯示屏內(nèi)部氣體產(chǎn)生氣泡[1]。盒內(nèi)液晶擴(kuò)散不均導(dǎo)致了角落Bubble，此現(xiàn)象可以在Panel成盒后對(duì)Panel出現(xiàn)Bubble位置進(jìn)行按壓確認(rèn)，經(jīng)過Panel面板表面的按壓，可以觀察到液晶從Panel中心位置向角落Bubble位置進(jìn)行擴(kuò)散，可以觀察到液晶的流動(dòng)。故角落Bubble的根本原因是盒內(nèi)液晶擴(kuò)散不均問題：盒內(nèi)液晶無法及時(shí)擴(kuò)散到Panel的四角部位，該部位由于缺少液晶導(dǎo)致出現(xiàn)點(diǎn)狀角落Bubble，此類Bubble大小一般為1~3mm，最大不超過5mm。

圖2 角落Bubble靜置前后對(duì)比

通常大尺寸ODF產(chǎn)品容易出現(xiàn)重力Mura和氣泡不良;而小尺寸ODF產(chǎn)品雖然沒有重力Mura，但更容易出現(xiàn)漏液晶（LC Leak）和低溫氣泡（Cold Bubble）。一般而言, 液晶量多容易發(fā)生LC Leak，液晶量少則容易發(fā)生Cold Bubble[2]。業(yè)內(nèi)目前主流的液晶注入面板方式分為Drop（滴下）式和噴墨式，筆者所在工廠使用Drop式液晶滴下，即在面板貼合之前，在CF或者TFT基板上適用高精度針頭，采用滴下方式，將液晶引入面板內(nèi)，并在滴下完成后將CF和TFT基板進(jìn)行貼合。

液晶是介于液態(tài)和結(jié)晶態(tài)之間的軟物質(zhì)。液晶在-50℃的低溫時(shí)呈現(xiàn)白色塑料狀的晶體狀態(tài)；隨著溫度的上升，逐漸變軟，呈透明油脂狀的黏性流體狀態(tài)；常溫時(shí)黏度變得更小，呈白糖水狀態(tài)。溫度到達(dá)熔點(diǎn)，液晶就會(huì)融化成液體；如果繼續(xù)上升，液晶就變成了透明的液體。變成透明時(shí)的溫度叫做液晶的清亮點(diǎn)。由于實(shí)際生產(chǎn)中無低溫狀態(tài)，所以不用討論低溫情況?，F(xiàn)將液晶在平行板間的擴(kuò)散分為常溫和高溫下的平行板間擴(kuò)散。常溫狀態(tài)為液晶在對(duì)盒設(shè)備內(nèi)的擴(kuò)散過程。

筆者通過業(yè)內(nèi)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采用噴墨式液晶注入設(shè)備的工廠，均無角落Bubble不良，原因?yàn)閲娔皆O(shè)備將液晶均勻的噴涂在面板上，即液晶從接觸面板開始即處于擴(kuò)散完成的狀態(tài)，故噴墨式設(shè)備在液晶擴(kuò)散Bubble上有著先天的優(yōu)勢(shì)，這是由設(shè)備原理決定的。故本文主要探討采用Drop（滴下式）設(shè)備的角落Bubble影響因素和改善方法。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 成盒后到面板點(diǎn)燈時(shí)間影響

TFT-LCD工藝常見的Bubble有空氣Bubble和真空Bubble，空氣Bubble內(nèi)充滿氣體, 產(chǎn)生原因較多, 一般可以概括為以下幾類：

（1）真空對(duì)盒時(shí)，V/A內(nèi)真空度不夠，V/A內(nèi)殘留空氣被壓入Cell內(nèi)。（2）Sealant涂覆時(shí)發(fā)生斷膠，空氣從Sealant斷裂處進(jìn)入Cell內(nèi)。（3）由于穿刺或Peel oあ造成空氣進(jìn)入Cell內(nèi)。（4）Cutting切割時(shí)，刀輪可能對(duì)Sealant造成了損傷，氣體沿著Seal損傷部分進(jìn)入，形成Bubble。[3]

而本文中闡述的液晶擴(kuò)散造成的角落Bubble根據(jù)產(chǎn)線生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，Inline檢查機(jī)檢出角落Bubble與面板成盒后時(shí)間有關(guān)。同一張出現(xiàn)角落Bubble的面板，放置一段時(shí)間后，Bubble會(huì)有一定程度的縮小，甚至某些微小的Bubble會(huì)直接消失。原理為液晶在盒內(nèi)隨著時(shí)間的增加自行擴(kuò)散，當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，液晶擴(kuò)散完成，Bubble現(xiàn)象消失。

面板通電點(diǎn)燈的檢出現(xiàn)象與Inline檢查機(jī)檢出的原理相同，成盒后的面板越晚點(diǎn)燈，液晶擴(kuò)散越充分，故發(fā)生角落Bubble不良的概率越小。

液晶在常溫下擴(kuò)散遵從流體流動(dòng)Washburn模型[4]：

其中：t為液晶在平行板間的流動(dòng)時(shí)間，σ為表面張力系數(shù)，x為t時(shí)刻的流體位置，φ為接觸角，μ為流體的黏滯系數(shù)，b為平行板間的距離。

換算之后可得到：

由Washburn模型可知，液晶分子的擴(kuò)散程度由液晶在平行板間的流體位置χ來表述，χ越大說明液晶在平行板間的擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)、擴(kuò)散程度越理想。而影響流體位置的因素有液晶在平行板間的流動(dòng)時(shí)間、表面張力系數(shù)、接觸角、流體的粘滯系數(shù)、板間距離等。其中，表面張力、接觸角和粘滯系數(shù)均為液晶材料本身因素，很難通過變更工藝條件來改善。平行板間距離b為產(chǎn)品設(shè)計(jì)值，影響到液晶的響應(yīng)時(shí)間和透過率等多種因素，不會(huì)輕易變更。流動(dòng)時(shí)間t為改善液晶擴(kuò)散的關(guān)鍵因素。

故而對(duì)面板成盒，到點(diǎn)燈檢查的時(shí)間t1設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，兩者的關(guān)系如下圖1：

圖1 角落Bubble發(fā)生率與點(diǎn)燈時(shí)間t1關(guān)系

可以發(fā)現(xiàn)，t1超過12h時(shí)，不良發(fā)生率已低于1%，超過24%，發(fā)生率已接近0%。故推薦選擇成盒后基板管控24h再進(jìn)行點(diǎn)燈作業(yè)。如部分產(chǎn)線產(chǎn)能要求較高，產(chǎn)出較快，也可適當(dāng)延長(zhǎng)成盒到點(diǎn)燈的Q-time，可以有效降低角落Bubble發(fā)生率。

2.2 液晶滴下距離的影響

選擇管控面板成盒到點(diǎn)燈時(shí)間，可以顯著減少角落Bubble的檢出。實(shí)質(zhì)上是讓液晶在盒內(nèi)擴(kuò)散完全。改善小組考慮是否可以在滴下過程中將液晶滴下距離角落更近，加速液晶的擴(kuò)散，達(dá)到減少角落氣泡的發(fā)生。

描述液晶滴下形狀主要分為以下3個(gè)參量：每?jī)膳乓壕У伍g的距離a、液晶滴到液晶屏短邊的距離b和液晶滴到液晶屏長(zhǎng)邊的距離c。液晶擴(kuò)散后，在平行板間呈橢圓形向四周擴(kuò)散。影響液晶在邊角處擴(kuò)散的主要因素是距離L。

圖3 液晶擴(kuò)散到基板四角距離

故改善團(tuán)隊(duì)在23.8 Inch該款產(chǎn)品，固定其它工藝參數(shù)不變，對(duì)角落滴下距離b、c進(jìn)行變更測(cè)試，測(cè)試條件和結(jié)果如表1：

表1 液晶到四角距離驗(yàn)證結(jié)果

角落滴下距離縮減5~10mm后，角落Bubble發(fā)生率無顯著降低，且改善團(tuán)隊(duì)在進(jìn)一步測(cè)試距四角滴下距離時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于液晶在框膠預(yù)固化之前過早接觸框膠，導(dǎo)致出現(xiàn)框膠穿刺現(xiàn)象。故在成盒工藝中，無法進(jìn)一步降低四角液晶滴下距離。

2.3 貼合設(shè)備真空保持時(shí)間的影響

液晶在基板表面的擴(kuò)散受時(shí)間影響，成盒工藝中，真空貼合設(shè)備內(nèi)是真空狀態(tài)，對(duì)液晶的擴(kuò)散更加有利。故改善團(tuán)隊(duì)提出讓貼合前基板在真空貼合裝置內(nèi)進(jìn)行真空保持：將液晶滴下在TFT基板上，在CF和TFT基板進(jìn)行貼合前進(jìn)行真空保持，使得液晶在TFT面板上進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散。設(shè)計(jì)真空保持時(shí)間t2實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 真空保持時(shí)間t2驗(yàn)證結(jié)果

可以發(fā)現(xiàn)，控制真空保持時(shí)間t2單變量進(jìn)行測(cè)試時(shí)，角落Bubble檢出率持續(xù)下降，當(dāng)真空保持時(shí)間加長(zhǎng)到120S時(shí)，角落Bubble發(fā)生率已經(jīng)降低到0.5%，但在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)真空保持時(shí)間超過90S時(shí)，基板出現(xiàn)周邊Mura不良，原理為在真空保持設(shè)備內(nèi)由于腔室內(nèi)持續(xù)抽真空，靠近分子泵排氣口位置的液晶分子持續(xù)被抽走，液晶內(nèi)分子含量降低，導(dǎo)致面板該區(qū)域產(chǎn)生周邊Mura。故

增加真空貼合設(shè)備的真空保持時(shí)間，對(duì)角落Bubble不良有所改善，但由于會(huì)產(chǎn)生其他不良，故無法直接采用。

2.4 液晶滴下單滴重量的影響

液晶單滴量和液晶滴下數(shù)的關(guān)系如下：

盒內(nèi)液晶量=液晶單滴量*X方向液晶滴下數(shù)*Y方向液晶滴下數(shù)

在保持盒內(nèi)液晶滴下量不變的前提下，對(duì)液晶滴下數(shù)進(jìn)行單變量測(cè)試，測(cè)試液晶單滴量對(duì)角落Bubble是否有影響。測(cè)試結(jié)果見表3：

表3 液晶單滴重量驗(yàn)證結(jié)果

經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，通過增加液晶滴下數(shù)，令液晶單滴量降低，對(duì)角落Bubble發(fā)生率有改善，但在工廠的實(shí)際生產(chǎn)中，受限于Drop 式液晶滴下設(shè)備的Tacttime，液晶滴數(shù)無法大幅下降，可以通過平衡Tact-time和角落Bubble發(fā)生率，綜合選取較優(yōu)條件。

另液晶單滴重量降低，對(duì)角落Bubble的影響雖然較為明顯，但無法達(dá)到發(fā)生率0%的最終目標(biāo)。

2.5 角落追加液晶滴下

角落Bubble的產(chǎn)生原因是由于液晶在角落擴(kuò)散較為困難，故考慮在角落追加額外的液晶滴下來對(duì)該異常進(jìn)行Cover。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已有的生產(chǎn)條件上進(jìn)行追加四角滴下測(cè)試（液晶滴數(shù)在四角各增加1滴），液晶單滴量略微降低約0.1mg，追加四角滴下后，角落Bubble發(fā)生率由此前的50%降低至0%，并未產(chǎn)生其他不良。

圖4 液晶四角滴下示意圖

同時(shí)，液晶滴下設(shè)備的Tact-time 增加了30%。增加四角滴下是業(yè)內(nèi)應(yīng)對(duì)角落Bubble不良的最常見方法，但部分產(chǎn)品由于Tact-time限制，不適用四角滴下模式。

2.6 Cell Gap（盒厚）對(duì)角落Bubble的影響

經(jīng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在相同的生產(chǎn)工藝下，低盒厚的產(chǎn)品角落Bubble發(fā)生率更低，部分低盒厚產(chǎn)品角落Bubble發(fā)生率為0%。

表4 盒厚和角落Bubble檢出率的關(guān)系

Cell Gap對(duì)角落Bubble的影響分析可能為：（1）盒厚較低的產(chǎn)品在真空貼合時(shí)由于液晶受CF和TFT基板擠壓面積更大，故更加容易擴(kuò)散到面板角落；（2）盒厚較低時(shí)，液晶因空間限制難以形成擴(kuò)散氣泡；（3）低盒厚產(chǎn)品由于盒內(nèi)液晶量較低，液晶單滴重量也更低。

目前業(yè)內(nèi)Monitor產(chǎn)品基本趨向快速響應(yīng)時(shí)間，故設(shè)計(jì)盒厚會(huì)越來越低，在此基礎(chǔ)上，也會(huì)使角落Bubble不良的降低，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)面上可以參考。

3 結(jié)語

通過以上的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，影響角落Bubble產(chǎn)生的因素共有以下幾類：（1）面板成盒后到點(diǎn)燈的時(shí)間。時(shí)間越長(zhǎng)，角落Bubble發(fā)生率越低，超過24h的發(fā)生率已經(jīng)接近0%，故推薦在面板成盒后管控一定時(shí)間再進(jìn)行點(diǎn)燈；（2）真空貼合設(shè)備真空保持時(shí)間，保持時(shí)間越長(zhǎng)，角落Bubble發(fā)生率越低，超過120S的真空保持時(shí)間，角落Bubble發(fā)生率已達(dá)到0.5%，但由于真空貼合設(shè)備的排氣位置對(duì)液晶有影響，測(cè)試中發(fā)生周邊Mura不良；是否產(chǎn)生周邊Mura不良與真空貼合設(shè)備結(jié)構(gòu)相關(guān)，如果腔室內(nèi)排氣口位置距離液晶較遠(yuǎn)，影響會(huì)較為輕微?？梢愿鶕?jù)真空貼合設(shè)備的構(gòu)造進(jìn)行測(cè)試。并選取合適的真空保持時(shí)間；（3）液晶單滴重量。盒內(nèi)液晶滴數(shù)越多，單滴重量越小，角落Bubble的發(fā)生率越低，但受限于設(shè)備Tact time和設(shè)備能力，Drop式的液晶滴下設(shè)備單滴量不能無限的降低。故無法通過單一的降低滴下量來改善角落Bubble，可以綜合考慮以上因素，選取可以接受的較低的液晶單滴重量。這里也體現(xiàn)了噴墨式液晶涂覆設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生角落Bubble的優(yōu)勢(shì)；（4）液晶四角滴下。在四角追加額外的液晶滴下，是改善角落Bubble的最佳方式，但對(duì)設(shè)備Tact time產(chǎn)生一定影響。設(shè)備Tact-time可接受的前提下，推薦使用此方式對(duì)角落Bubble不良進(jìn)行改善；（5）盒厚的影響。盒厚越低，角落Bubble發(fā)生率越低，在已有的測(cè)試結(jié)果中，盒厚低于2.8μm時(shí)，即使不采用液晶四角滴下，也不會(huì)產(chǎn)生角落Bubble現(xiàn)象。但由于產(chǎn)品盒厚不可隨意變更，改因素應(yīng)當(dāng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行考慮。