鄧文廣， 許葉潞， 溫建輝， 黃碧欽， 金昌連

(廈門天馬微電子有限公司，福建 廈門 361220)

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)因其低功耗、低輻射和輕薄美觀等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于手機(jī)、電視、筆記本電腦、平板顯示器等各種顯示設(shè)備[1-3]。隨著人們對(duì)顯示品質(zhì)的要求越來(lái)越高，如高亮度、高對(duì)比度、快速響應(yīng)速度、廣視角、屏幕高刷新率、強(qiáng)信賴性能力等[4-7]，液晶顯示技術(shù)也在飛速發(fā)展，從早期的非晶硅(a-Si)、IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide)，到現(xiàn)在的低溫多晶硅(LTPS)[8],以及逐步發(fā)展的有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管(AM OLED)、(量子點(diǎn)發(fā)光二極管Quantum Dot Light Emitting Diod，QLED)、微發(fā)光二極管(Micro-LED)等[9-11]。

LCD信賴性測(cè)試有很多項(xiàng)目，而這其中“殘像”是極為重要的一項(xiàng)。殘像是指液晶屏幕長(zhǎng)時(shí)間在同一畫面點(diǎn)亮，當(dāng)切換到下一畫面時(shí)，上一畫面影像仍有殘留在顯示器上[12]。殘像的測(cè)試方法目前主要是模組狀態(tài)的成品在黑白棋盤格畫面長(zhǎng)時(shí)間顯示，然后切換至不同灰階確認(rèn)是否有棋盤格殘留。根據(jù)切換后的畫面成像，還會(huì)細(xì)分出線殘像與面殘像[13-14]。二者造成的原因有所區(qū)別，但共通的一個(gè)重要原因是盒內(nèi)存在雜質(zhì)離子，而雜質(zhì)離子的來(lái)源眾多，主要受盒內(nèi)材料配向膜、液晶、封框膠、生產(chǎn)線潔凈度等影響[15]。造成最大困擾的是雜質(zhì)離子暫無(wú)有效的監(jiān)控手段，導(dǎo)致面板生產(chǎn)中出現(xiàn)殘像問(wèn)題時(shí)都需要完成模塊狀態(tài)的成品來(lái)獲得驗(yàn)證結(jié)果，這其中勢(shì)必帶來(lái)了一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的反饋周期，對(duì)面板廠造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，LCD業(yè)內(nèi)有自制過(guò)mini-cell，測(cè)試電壓保持率(VHR)，以此來(lái)評(píng)價(jià)盒內(nèi)雜質(zhì)離子含量，但該類方法有明顯的局限性：使用灌晶工藝，不適用于LTPS-LCD技術(shù)；多用于新材料導(dǎo)入驗(yàn)證，適合材料供應(yīng)商開(kāi)發(fā)全新體系的盒內(nèi)材料，難作為L(zhǎng)TPS-LCD面板生產(chǎn)線常規(guī)監(jiān)控手段[16]。本文通過(guò)依托LTPS技術(shù)新設(shè)計(jì)一種測(cè)試盒，該測(cè)試盒操作簡(jiǎn)便，測(cè)試性能穩(wěn)定可靠，能夠克服工廠內(nèi)雜質(zhì)離子監(jiān)控短板，為安定生產(chǎn)提供重要參考依據(jù)。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，測(cè)試盒能大幅縮短表征周期，提前發(fā)現(xiàn)異常，避免重大經(jīng)濟(jì)損失。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 測(cè)試盒制作流程

本次實(shí)驗(yàn)使用第六代1 850 cm×1 500 cm的白玻璃，制作流程如圖1所示。

圖1 測(cè)試盒制作流程Fig.1 Test cell production process

白玻璃在經(jīng)過(guò)投料拆包后，分別經(jīng)過(guò)清水超聲、噴淋、風(fēng)刀吹干、高溫干燥和冷卻完成清洗程序；隨后在白玻璃上制作金屬膜、絕緣層，金屬氧化物透明電極，每道膜層都經(jīng)歷清洗、成膜、光阻涂布、曝光、顯影、刻蝕、光阻剝離，最終形成“TFT側(cè)”所需要的圖形。另一張白玻璃在上述膜層基礎(chǔ)上額外增加有機(jī)膜層代替PS柱作盒內(nèi)支撐，這樣就完成了非傳統(tǒng)意義的“CF側(cè)”(彩色濾光片)。在經(jīng)過(guò)清洗機(jī)清洗后，使用配向膜涂布機(jī)將配向膜溶液均勻涂覆在二者表面，分別經(jīng)加熱臺(tái)預(yù)固化、烘烤爐主固化后，完成配向膜成膜工序；再利用光配向制程對(duì)固化完全的配向膜進(jìn)行有序斷鏈取向，隨后使用烘烤爐對(duì)斷鏈后的小分子揮發(fā)處理，完成光配向工序。TFT與“CF側(cè)”在進(jìn)行對(duì)組貼合前，同樣需要清洗保證玻璃基板的潔凈度。隨后對(duì)TFT玻璃完成液晶滴下動(dòng)作，使整張玻璃均勻分布液晶，“CF側(cè)”玻璃涂覆封框膠，而后二者進(jìn)行對(duì)位、抽真空、對(duì)貼成盒，成盒后的玻璃先使用紫外(UV)光照進(jìn)行封框膠預(yù)固化，再進(jìn)入烘烤爐進(jìn)行封框膠主固化，完成ODF工序。對(duì)貼的玻璃經(jīng)過(guò)一次切割和二次切割形成單個(gè)的小液晶盒，完成測(cè)試樣品的準(zhǔn)備。

新制作的測(cè)試盒創(chuàng)新性地運(yùn)用了PLN有機(jī)膜代替PS柱作盒內(nèi)支撐，省略了LTPS工藝中彩膜特有的BM/R/G/B/PS膜層，大幅縮減了常規(guī)LTPS工藝流程，節(jié)約了樣品產(chǎn)出時(shí)間。測(cè)試盒結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)試盒結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Test cell structure diagram

2.2 計(jì)算方法

VHR是表征液晶材料信賴性特性的重要參數(shù)之一。當(dāng)盒內(nèi)雜質(zhì)離子增多時(shí)，液晶材料受到污染，因而可以借用VHR的變化來(lái)衡量盒內(nèi)雜質(zhì)含量。VHR常用的表示方法是電壓比值法和面積比值法，二者只是在計(jì)算方法上略有差異。

電壓比值法是液晶盒充電與放電一段時(shí)間后的電壓比值，即VHR=V2/V1×100%，如圖3所示。面積比值法是利用積分計(jì)算整個(gè)充放電過(guò)程中實(shí)際曲線面積與理想曲線的面積比值。式(1)為面積比值法的計(jì)算公式[17]。

圖3 VHR測(cè)試示意圖Fig.3 VHR measurement diagram

， (1)[17]

其中C為液晶盒電容(F)，R為液晶盒電阻(Ω)，t為幀周期(s)。

本文采用電壓比值法計(jì)算VHR。

2.3 測(cè)試條件

本次VHR測(cè)試使用TOYO公司LCM-3型測(cè)試儀,測(cè)試前需要對(duì)測(cè)試盒進(jìn)行前處理，在保證潔凈度后再包覆一層銅箔，以便與LCM-3型測(cè)試儀完成連接導(dǎo)電，測(cè)試鏈路如圖4所示。

圖4 LCM-3結(jié)構(gòu)圖Fig.4 LCM-3 structure diagram

雜質(zhì)離子受測(cè)試溫度影響，而從計(jì)算方法來(lái)看，VHR結(jié)果還受測(cè)試電壓、頻率的影響，為此實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同測(cè)試條件下測(cè)試盒VHR的結(jié)果。如圖5 (a)所示。首先在60 ℃高溫下，測(cè)試了不同電壓(1 V和5 V)、不同頻率(0.6 Hz/1 Hz/60 Hz)下測(cè)試盒的VHR，測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1可以發(fā)現(xiàn)：5 V&60 Hz條件下VHR波動(dòng)范圍最小約為1.6%(均值92.8%)，其余頻率下VHR波動(dòng)范圍大。在相同電壓&頻率下(5 V，60 Hz)，對(duì)比了VHR在4種測(cè)試溫度(25 ℃/60 ℃/70 ℃/85 ℃)下的變化，結(jié)果如表2所示。如圖5 (b)所示當(dāng)測(cè)試溫度在25 ℃時(shí)，VHR波動(dòng)范圍最小約為2.6%(均值92.2%)。綜上，我們?cè)O(shè)置測(cè)試盒的測(cè)試參數(shù)為電壓5 V、頻率60 Hz。

圖5 (a) 相同溫度不同電壓頻率的VHR結(jié)果;(b) 相同電壓頻率不同溫度的VHR結(jié)果。

表1 相同溫度不同電壓頻率的VHR結(jié)果Tab.1 VHR results of different voltage and frequency at the same temperature

表2 相同電壓頻率不同溫度的VHR結(jié)果Tab.2 VHR results at different temperatures under the same voltage and frequency

3 結(jié)果與討論

3.1 測(cè)量體系分析

測(cè)量系統(tǒng)能力分析是5大質(zhì)量工具之一，是一種系統(tǒng)性方法來(lái)確定整個(gè)流程變化中有多少是由于測(cè)量體系造成的。一個(gè)有效的測(cè)量體系首先需要確保測(cè)量設(shè)備的可靠性，這樣它才能物盡其用，獲得有價(jià)值數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量目標(biāo)和管理目的。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)類型區(qū)分，測(cè)量系統(tǒng)可分為“計(jì)數(shù)型”及“計(jì)量型”兩類，分別對(duì)應(yīng)的是連續(xù)型數(shù)據(jù)與離散型數(shù)據(jù)。測(cè)量后的數(shù)值能夠呈現(xiàn)連續(xù)性的變化，為連續(xù)型數(shù)據(jù)；而離散型數(shù)據(jù)只能定性為可區(qū)分的。本文測(cè)試的VHR數(shù)據(jù)屬于連續(xù)型數(shù)據(jù)，依照“計(jì)量型”測(cè)量系統(tǒng)對(duì)量具的重復(fù)性和再現(xiàn)性(Gage Repeatability、Reproducibility，Gage R&R%)進(jìn)行研究。我們采用Minitab軟件計(jì)算量具重復(fù)性、再現(xiàn)性(Gage R&R%)和測(cè)量系統(tǒng)的變異與流程的公差(即 P/T值)來(lái)衡量測(cè)量系統(tǒng)。結(jié)果如下：Gage R&R%為10.77%，P/T為26.93%<30%，可區(qū)分?jǐn)?shù)為13>5，判定測(cè)量系統(tǒng)合格。具體如表3所示，根據(jù)該分析結(jié)果，考慮現(xiàn)有設(shè)備能力及成本，新設(shè)計(jì)的液晶盒測(cè)量的VHR數(shù)據(jù)是可接受的。

3.2 盒內(nèi)污染惡化分析

一個(gè)完善的測(cè)量系統(tǒng)不僅需要數(shù)值準(zhǔn)確、穩(wěn)定，還需要擁有較好的分辨能力。當(dāng)測(cè)試樣品屬于流程合理變異產(chǎn)生時(shí)，如果能被很好地識(shí)別出來(lái)，則說(shuō)明該測(cè)試系統(tǒng)是完整的。為了判斷現(xiàn)有測(cè)試盒對(duì)VHR波動(dòng)是否有分辨力，特別進(jìn)行了不同盒內(nèi)污染驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)條件是減少封框膠固化時(shí)間與光配向烘烤時(shí)間，由此會(huì)帶來(lái)封框膠固化不完全與光配向后小分子揮發(fā)不完全，這二者都會(huì)對(duì)盒內(nèi)造成污染。以現(xiàn)有測(cè)試盒工藝條件抽測(cè)了4個(gè)批次，如圖6(a)所示，VHR均值維持在93%～95%，且跟蹤確認(rèn)這期間產(chǎn)出的模組成品殘像表現(xiàn)，均是滿足客戶規(guī)格，說(shuō)明當(dāng)下產(chǎn)線處于穩(wěn)定狀態(tài)；但是減少封框膠固化時(shí)間的VHR只有88.23%，較對(duì)照組的偏低了約6%；而減少光配向烘烤時(shí)間的VHR只有82.03%，較對(duì)照組的偏低了約12%，如圖6(b)所示，而且這兩個(gè)惡化條件VHR波動(dòng)范圍(約12%～20%)都遠(yuǎn)超對(duì)照組(約4%)。這說(shuō)明當(dāng)盒內(nèi)受到污染時(shí)，VHR確實(shí)會(huì)隨之出現(xiàn)惡化，而引起的VHR差異能被測(cè)試盒準(zhǔn)確識(shí)別。

4 結(jié) 論

本文提出一種適合LTPS-LCD產(chǎn)業(yè)的面板測(cè)試盒結(jié)構(gòu)，通過(guò)引入電壓保持率(VHR)評(píng)價(jià)盒內(nèi)雜質(zhì)離子含量，并采用MSA方法對(duì)測(cè)量體系的可靠性進(jìn)行了分析，此外通過(guò)盒內(nèi)污染惡化條件對(duì)該體系的分辨能力進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該測(cè)試盒Gage R&R%為10.77%，P/T為26.93%<30%，可區(qū)分?jǐn)?shù)為13>5，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可接受，能有效識(shí)別盒內(nèi)雜質(zhì)離子惡化，為分析殘像和實(shí)際生產(chǎn)中監(jiān)控工廠雜質(zhì)離子提供了重要參考。