液晶面板生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量分析閉環(huán)管控應(yīng)用

高馨，吳凡，張?zhí)那?/p>

（1. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2. 工業(yè)裝備質(zhì)量大數(shù)據(jù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610）

0 引言

隨著智能手機(jī)的發(fā)展，全面屏的尺寸比例由之前的16:9，發(fā)展為18:9，生產(chǎn)工藝愈發(fā)復(fù)雜。其關(guān)鍵顯示部件液晶面板的生產(chǎn)制造質(zhì)量，決定了手機(jī)顯示器的亮度、對(duì)比度和色彩等，是用戶衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。

液晶面板的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、層級(jí)眾多，其生產(chǎn)制程包含3個(gè)主制程[1]、20多個(gè)子制程，為了避免生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障而引起批次產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，需要開(kāi)展面向生產(chǎn)過(guò)程的失效模式及影響分析（PFMEA）；對(duì)于已發(fā)生的故障，需要故障報(bào)告、分析及糾正措施系統(tǒng)（FRACAS）形成閉環(huán)管理和故障數(shù)據(jù)庫(kù)，助力企業(yè)提升生產(chǎn)效率的同時(shí)沉淀知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，不斷地提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1 FMEA和FRACAS國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代初，美國(guó)首次將失效模式及影響分析（FMEA）的思想用于對(duì)螺旋槳飛機(jī)操作系統(tǒng)向液壓機(jī)構(gòu)的改進(jìn)過(guò)程的設(shè)計(jì)分析，作為一種可靠性分析的技術(shù)用來(lái)確定系統(tǒng)和裝備失效帶來(lái)的影響。60～90年代，以福特、通用為首的汽車行業(yè)大企業(yè)開(kāi)始應(yīng)用FMEA來(lái)控制其制造過(guò)程的可靠性和有效性；2002年FMEA成為ISO/TS 16949的認(rèn)證要求，F(xiàn)MEA逐步地在工程實(shí)踐中形成了一套科學(xué)而完整的分析方法[2]。

20世紀(jì)中葉，美國(guó)采用并制定了《故障報(bào)告、分析和糾正措施系統(tǒng)》準(zhǔn)則，1983年我國(guó)制定了《裝備研制與生產(chǎn)的可靠性通用大綱》，把FRACAS列為專門(mén)的工作項(xiàng)目，GJB 841-90FRACAS的頒布，標(biāo)志著我國(guó)在FRACAS的實(shí)施方面已經(jīng)走上正規(guī)化道路[3]。

近幾年國(guó)內(nèi)眾多行業(yè)的龍頭企業(yè)開(kāi)始重視FMEA和FRACAS的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)調(diào)研，梳理了當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，具體如下所述。

a） 大型制造業(yè)企業(yè)對(duì)兩種技術(shù)的認(rèn)知和理解較為系統(tǒng)，愿意投入人力物力開(kāi)展工作。但是部分三四級(jí)配套商或中小企業(yè)，并未從消除潛在失效、改進(jìn)產(chǎn)品根本的可靠性水平的角度來(lái)推進(jìn)相關(guān)工作，大部分仍然是用手工或者以EXCEL表的形式填寫(xiě)FMEA表。

b）液晶面板行業(yè)的產(chǎn)品產(chǎn)量大、批次多、精度要求高，企業(yè)有一定的質(zhì)量提升意識(shí)，愿意開(kāi)展PFMEA、FRACAS等質(zhì)量技術(shù)應(yīng)用。但是存在文件編制不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)分散和協(xié)同工作困難等問(wèn)題，缺乏數(shù)據(jù)更新反饋機(jī)制，往往導(dǎo)致故障分析管理成為一次性產(chǎn)物。

c） 受市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和國(guó)際業(yè)務(wù)的影響，企業(yè)希望以較低的成本逐步地推進(jìn)相關(guān)工作，包括專業(yè)的培訓(xùn)和軟件工具，或者是支持按功能模塊、按使用周期等靈活支付的使用方式，以縮減經(jīng)費(fèi)等成本的支出。

d）部分龍頭企業(yè)雖然具備信息化系統(tǒng)的支撐，但FMEA與FRACAS工作數(shù)據(jù)未實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，存在數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題，生產(chǎn)過(guò)程發(fā)生的故障，未能形成反饋，未能指導(dǎo)產(chǎn)線負(fù)責(zé)人提前開(kāi)展產(chǎn)線優(yōu)化工作，質(zhì)量協(xié)同管理工作開(kāi)展具有一定的難度。

2 手機(jī)液晶面板生產(chǎn)現(xiàn)狀及生產(chǎn)過(guò)程 分析

2.1 國(guó)內(nèi)手機(jī)液晶面板生產(chǎn)現(xiàn)狀

2007年，初代iPhone問(wèn)世，取消了實(shí)體鍵盤(pán)，讓屏幕成為了用戶和手機(jī)直接交互的工具。如何在有限大小的手機(jī)上實(shí)現(xiàn)四面窄轔框，提升手機(jī)正面面積的利用率，進(jìn)而推出高屏占比的產(chǎn)品，成為當(dāng)下各大廠商競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。2013年夏普發(fā)布全球第一款窄邊框全面屏手機(jī)，屏幕比例為17:9[4]。2017年LG和三星發(fā)布了18:9比例的全面屏手機(jī)，屏占比達(dá)84.15%。

珠海某液晶面板生產(chǎn)企業(yè)，及時(shí)地根據(jù)市場(chǎng)需求來(lái)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，針對(duì)全面屏導(dǎo)入異形切割、窄邊框本壓、涂膠和全合貼等重要工序，通過(guò)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）與自動(dòng)化激光切割設(shè)備、自動(dòng)化滲透刀輪切割設(shè)備、全自動(dòng)化COG/FOG設(shè)備和全自動(dòng)涂膠設(shè)備的各段交互數(shù)據(jù)集成。

手機(jī)屏幕生產(chǎn)成本占總成本比例的20%左右， 與處理器的成本占比相當(dāng)，而大屏手機(jī)如Galaxy Note系列，屏幕占總成本比例則更高接近25%。但是先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備卻未能有效地提升企業(yè)利潤(rùn)，主要原因在于傳統(tǒng)的基于表格的PFMEA、FRACAS工作依賴人工經(jīng)驗(yàn)，存在數(shù)據(jù)一致性差、協(xié)同工作難和技術(shù)門(mén)檻高等問(wèn)題，同時(shí)質(zhì)量把控未能充分地利用設(shè)備故障數(shù)據(jù)，與生產(chǎn)流程結(jié)合不緊密，導(dǎo)致產(chǎn)品易出現(xiàn)批次故障，降低產(chǎn)品銷售額度。企業(yè)為維持一定的利潤(rùn)空間，不得不通過(guò)降低原材料成本、刪減部分制造環(huán)節(jié)來(lái)降低產(chǎn)品成本，直接的后果就是產(chǎn)品品質(zhì)惡化，顧客滿意度下降，形成惡性循環(huán)。

2.2 液晶面板生產(chǎn)過(guò)程分析

液晶面板通常由液晶屏、背光源和外部驅(qū)動(dòng)電路等部分構(gòu)成，液晶屏又由兩片夾有液晶層的玻璃構(gòu)成的液晶盒及位于液晶盒兩側(cè)的偏振片構(gòu)成。在構(gòu)成液晶盒的兩片玻璃上，通常在一片玻璃上制作用于彩色顯示的濾光膜，在另一片玻璃上做有源驅(qū)動(dòng)的薄膜晶體管陣列。液晶盒由TFT陣列基板和彩色濾光膜基板構(gòu)成，在陣列基板上有TFT陣列，TFT陣列對(duì)應(yīng)于每個(gè)像素點(diǎn)的TFT單元。兩個(gè)基板中間用幾個(gè)微米的隔墊物墊起，形成均勻的幾個(gè)微米間隙，在間隙中沖入液晶材料，詳細(xì)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

圖1 液晶面板結(jié)構(gòu)示意圖

液晶面板的生產(chǎn)制程有：電晶體矩形陣列（Array）、顯示單元體（Cell）和模組（Module）3個(gè)主要流程。

a）Array制程

其主要工藝包括：玻璃清洗、鍍膜、上光阻、曝光、投影、蝕刻去光阻和檢測(cè)后良品流入下個(gè)制程，以及維修或報(bào)廢缺陷產(chǎn)品。

b）Cell制程

其主要工藝包括：抽真空、液晶注入、封口、清洗與切割、貼背光板、壓泡、檢測(cè)和檢測(cè)后良品流入下個(gè)制程，以及維修或報(bào)廢缺陷產(chǎn)品。

c）Module制程

其主要工藝包括：外檢、壓著區(qū)域清潔、COF壓著、印刷電路板壓合、自動(dòng)涂膠、組裝、老化、檢驗(yàn)、包裝入庫(kù)和檢查后將良品打包裝箱，以及對(duì)不良品進(jìn)行維修或重工。

背光源（BLU）位于液晶顯示器背后，為液晶面板提供光源，是液晶顯示產(chǎn)品的核心組件之一，其生產(chǎn)制程位于Cell的“貼背光板”環(huán)節(jié)[6]。用于生產(chǎn)面板BLU的生產(chǎn)工藝流程并不復(fù)雜，但對(duì)流水線生產(chǎn)環(huán)節(jié)的要求極為嚴(yán)格，專業(yè)無(wú)塵環(huán)境高達(dá)百萬(wàn)級(jí)，要求具有恒定的溫度、濕度。該產(chǎn)品材質(zhì)質(zhì)地較軟，稍有觸碰就會(huì)出現(xiàn)白點(diǎn)、劃傷和黑線等異物問(wèn)題，導(dǎo)致畫(huà)面不良。通過(guò)故障分析，梳理得到常見(jiàn)的異物發(fā)生原因、故障現(xiàn)象及解決方案，具體如表1-2所示。

表1 背光源故障原因分析

表2 背光源故障現(xiàn)象分析

3 PFMEA和FRACAS在液晶膜組生產(chǎn)中的應(yīng)用

僅Cell制程中的背光源生產(chǎn)，就存在25種故障模式，對(duì)應(yīng)到故障原因及改進(jìn)措施上將會(huì)出現(xiàn)多層級(jí)的故障分析關(guān)系。此外，企業(yè)需要將已發(fā)生的故障情況進(jìn)行分析，對(duì)其故障原因和解決措施進(jìn)行歸類總結(jié)，形成報(bào)告和經(jīng)驗(yàn)，反向應(yīng)用到生產(chǎn)過(guò)程故障分析中。PFMEA和FRACAS關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

圖2 PFMEA與FRACAS關(guān)聯(lián)關(guān)系

針對(duì)企業(yè)需求，項(xiàng)目組提出基于故障閉環(huán)分析的手機(jī)液晶面板生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量管控解決方案，利用電子五所自主研發(fā)的AutoFMEA和FRACAS工具軟件，開(kāi)展基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的軟件應(yīng)用，幫助企業(yè)建立生產(chǎn)與運(yùn)維環(huán)節(jié)信息閉環(huán)的質(zhì)量分析能力。

3.1 確定關(guān)鍵制程及設(shè)備

結(jié)合企業(yè)開(kāi)展的生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化改造，梳理液晶面板關(guān)鍵制程設(shè)備和數(shù)據(jù)收集情況，通過(guò)接口規(guī)范文檔和相關(guān)協(xié)議，進(jìn)行了接口連通。確定需要開(kāi)展PFMEA的關(guān)鍵制程及設(shè)備如表3所示。

表3 液晶膜組的主要生產(chǎn)設(shè)備

3.2 基于七步法的PFMEA的應(yīng)用

本項(xiàng)目應(yīng)用賽寶質(zhì)云Auto-FMEA軟件，基于最新發(fā)布的AIAG-VDA FMEA標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展FMEA七步法失效分析工作，該標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)AIAG小組與德國(guó)VDA的OEM及一級(jí)供應(yīng)商成員聯(lián)合發(fā)布，作為汽車行業(yè)FMEA工作的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范OEM及各級(jí)供應(yīng)商的FMEA工作。

a）規(guī)劃與準(zhǔn)備

確定要開(kāi)展PFMEA的生產(chǎn)過(guò)程，定義項(xiàng)目為“3.5 inch LCM Project”，即產(chǎn)品模組生產(chǎn)過(guò)程，確定項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和時(shí)間周期，進(jìn)入立項(xiàng)環(huán)節(jié)。

b）結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)制程，形成可視化的主要制程流程圖，包括從“來(lái)料外觀檢測(cè)”到“貼背光板”，一直到最后“棧板包裝”共計(jì)25個(gè)主要制程。為每一個(gè)制程添加其特性，包括特性描述、特性符號(hào)和 類型等。最后，找出25個(gè)制程前后關(guān)系，以箭頭進(jìn)行鏈接，明確生產(chǎn)過(guò)程的前后順序。上文提到的貼背光板位于“貼背光板”環(huán)節(jié)，下面將以此制程為例進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

c）功能分析

根據(jù)建立的結(jié)構(gòu)圖，首先對(duì)每一個(gè)制程添加【過(guò)程要素】和【功能】，建立功能結(jié)構(gòu)圖并生成功能分析矩陣。根據(jù)上文分析，“貼背光板”過(guò)程要素分為人員、機(jī)臺(tái)和材料，如圖3所示。

圖3 步驟1-3軟件功能界面

1）其上層級(jí)最終功能要求：滿足客戶需求、成品功能滿足要求、生產(chǎn)工序穩(wěn)定可控；

2）其本身對(duì)應(yīng)的功能要求：偏光板貼附；

3）涉及到的過(guò)程要素：機(jī)臺(tái)、操作人員和材料；

4）生產(chǎn)要素涉及功能要求：機(jī)臺(tái)運(yùn)行、取放物料、按規(guī)范要求清潔機(jī)臺(tái)。

其功能網(wǎng)和功能矩陣圖，圖形化地展示了貼背光板與總功能需求（產(chǎn)品各個(gè)功能滿足要求、滿足客戶要求、生產(chǎn)工序穩(wěn)定可控），與下級(jí)過(guò)程要素（機(jī)臺(tái)、人員、材料）之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

d）失效分析

為每一個(gè)功能添加潛在失效模式，并對(duì)失效模式添加其原因和后果，建失效模式、失效影響、失效起因的邏輯關(guān)系（失效鏈）。對(duì)于底層的失效模式，僅需要添加失效后果。以【功能】機(jī)臺(tái)運(yùn)行為例，其潛在失效模式為“機(jī)臺(tái)異?！?，失效后果（高一層次影響）為“貼合氣泡”“貼合異物”和“貼附位移”。從失效網(wǎng)（失效鏈）中可以看出，機(jī)臺(tái)異常會(huì)導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品制程出現(xiàn)“產(chǎn)出不良品”“產(chǎn)品測(cè)試不合格”和“無(wú)法滿足客戶需求”等情況。

e）風(fēng)險(xiǎn)分析

針對(duì)每一個(gè)失效鏈，評(píng)估嚴(yán)酷度S、發(fā)生度O、探測(cè)度D，分析預(yù)防控制措施、分析檢測(cè)控制措施和評(píng)估行動(dòng)優(yōu)先級(jí)AP等，如圖4所示。

圖4 步驟4-5軟件功能界面

f）優(yōu)化

按照優(yōu)先降低故障原因發(fā)生度、其次增加故障模式檢測(cè)度的順序開(kāi)展優(yōu)化分析，并針對(duì)設(shè)計(jì)采取改進(jìn)措施，重新評(píng)估受影響的部件。具體的工作內(nèi)容有：確定完成優(yōu)化需開(kāi)展的改進(jìn)工作、針對(duì)各項(xiàng)工作分配責(zé)任人和預(yù)期完成日期、記錄已開(kāi)展的工作并確認(rèn)其有效性、重新進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

g）結(jié)果文件化

自動(dòng)生成并導(dǎo)出新標(biāo)準(zhǔn)下的PFMEA表格，如圖5所示。

圖5 導(dǎo)出的貼背光板PFMEA表格

3.3 流程驅(qū)動(dòng)的FRACAS 分析應(yīng)用

項(xiàng)目應(yīng)用賽寶質(zhì)云FRACAS軟件，提供完善的故障閉環(huán)工作流程。首先，以故障報(bào)告發(fā)起為起點(diǎn)，由設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)過(guò)程中相關(guān)崗位人員填寫(xiě)故障信息，確認(rèn)后質(zhì)量管理人員組織原因分析并制定處理措施，進(jìn)行故障處理；然后，開(kāi)展處理結(jié)果驗(yàn)證及其有效性評(píng)價(jià)；最后；關(guān)閉故障閉環(huán)流程，納入經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)，并且可實(shí)時(shí)、全面地對(duì)產(chǎn)品可靠性參數(shù)進(jìn)行評(píng)估和分析，比如可統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)的壽命、平均故障工作間隔時(shí)間（MTBF）等，從而全面地掌握不同的時(shí)間、應(yīng)用環(huán)境、批次和設(shè)備的故障情況和可靠性水平，以及產(chǎn)品可靠性參數(shù)評(píng)估與分析結(jié)果，有效地為企業(yè)處理故障問(wèn)題提供重要的技術(shù)和數(shù)據(jù)保障，同時(shí)，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作的開(kāi)展及決策提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可明顯地降低產(chǎn)品研制、風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本，F(xiàn)RACAS工作流程如圖6所示，具體的內(nèi)容如下所述。

圖6 FRACAS工作流程

a）制程拆解與細(xì)化

在軟件中新建“液晶模組全制程”分析項(xiàng)目，確定其項(xiàng)目名稱、編號(hào)、負(fù)責(zé)人和項(xiàng)目周期等。完成項(xiàng)目基本信息后，添加其待分析的制程，以及每個(gè)制程中待分析的子制程，包括其名稱、編碼、類別、層次、材料、梳理和功能位置等，如圖7所示。

圖7 制程拆解與細(xì)化

b）建立故障模式庫(kù)

該步驟主要完成故障模式庫(kù)的建立，以及對(duì)應(yīng)制程（或產(chǎn)品）的故障模式庫(kù)建立。所有的故障模式信息來(lái)源于企業(yè)積累的故障經(jīng)驗(yàn)和FMEA中形成的故障模式。根據(jù)前文分析，貼背光源屬于Cell制程中的偏貼環(huán)節(jié)，在軟件中錄入所有的相關(guān)故障現(xiàn)象，并關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)的偏貼環(huán)節(jié)，如圖8所示。

圖8 建立故障模式庫(kù)

c）發(fā)起閉環(huán)管理流程

選擇對(duì)應(yīng)的制程環(huán)節(jié)，填寫(xiě)故障件、故障發(fā)生時(shí)機(jī)、故障現(xiàn)象和故障模式等信息，發(fā)起故障閉環(huán)管理流程。整個(gè)流程為故障報(bào)告發(fā)起—故障核實(shí)—故障分析—糾正措施—經(jīng)驗(yàn)知識(shí)入庫(kù)。

d）故障核實(shí)

故障核實(shí)人員，對(duì)發(fā)起的流程進(jìn)行核實(shí)，包括故障發(fā)生時(shí)機(jī)、故障現(xiàn)象和故障模式等。

e）故障分析

技術(shù)分析人員對(duì)故障進(jìn)行分析，分析內(nèi)容包括：故障原因、故障類別（相關(guān)故障、責(zé)任故障、人為故障、非相關(guān)故障和非責(zé)任故障），以及糾正措施建議，形成故障分析報(bào)告。

f）故障糾正及經(jīng)驗(yàn)入庫(kù)

技術(shù)人員填寫(xiě)故障糾正信息，包括糾正措施、效果、遺留問(wèn)題、糾正人員和時(shí)間安排等。經(jīng)審核后納入經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，故障分析和故障糾正報(bào)告如圖9所示。

圖9 故障分析和故障糾正報(bào)告

4 實(shí)施效果

通過(guò)應(yīng)用軟件，將企業(yè)積累的FMEA工作知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信息，有效地改善經(jīng)驗(yàn)碎片化、紙質(zhì)化的問(wèn)題；聯(lián)通FMEA和FRACAS間的數(shù)據(jù)流，雙向進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以FMEA故障分析數(shù)據(jù)為FRACAS分析提供參考依據(jù)，以FRACAS分析數(shù)據(jù)提升FMEA工作的準(zhǔn)確性。目前已在PAAS后臺(tái)形成40多個(gè)工序，共計(jì)2 000多條經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)（如圖10所示），從而降低了產(chǎn)品不良品率，提高了生產(chǎn)效率，縮短了產(chǎn)品研制周期，降低了生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

FMEA和FRACAS作為常用的質(zhì)量管理方法，在國(guó)內(nèi)外的質(zhì)量和可靠性設(shè)計(jì)中普遍應(yīng)用。該企業(yè)通過(guò)使用軟件化的技術(shù)工具，解決了數(shù)據(jù)和信息不完整，失效模式種類多和相互之間并不完全獨(dú)立等痛點(diǎn)，并低成本、高效率地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，增強(qiáng)了產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。