窄邊框產品周邊配向膜Mura分析及改善研究

北京京東方顯示技術有限公司CELL PI部 王海成 申載官 劉 萌 史秋飛 封 賓 文 斌

1 引言

隨著液晶顯示器(LCD)的廣泛應用，液晶面板的需求量越來越大，高世代線的生產規模也迅速擴大。在液晶屏中，配向膜(Polyim ide，PI)為液晶提供了預傾角，起著控制液晶分子排列方向的作用[1]，而配向膜噴墨打印方式(Inkjet Printing)憑借低膜材損耗、易于在不同產品間切換、高效率等優勢，高世代線更傾向使用該方式對應生產[2-3]。

在各高世代線產能釋放的同時，人們對LCD產品提出了更高的要求，窄邊框潮流正在興起。所謂邊框，是指顯示區(Active Area，AA)到屏(Panel)邊緣的距離，該區域被業內稱為涂膠區(Sealing Area)，邊框的存在會降低相同尺寸下顯示區域的可顯示面積[4]。為了實現產品窄邊框化，就需要減小Sealing Area。業內常見的主要方法有：

(1)提升切割及研磨精度，降低切割線到封框膠(Seal)距離；

(2)減小Seal寬度；

(3)壓縮周邊假像素區(Dummy Pixel)，周邊布線空間壓縮；

(4)降低PI邊緣余量(Edge Margin，EM)；

(5)PI與Seal重疊。

提升切割精度及降低Seal寬度可通過切割設備及涂膠設備能力提升達成，目前各世代線也在同步設備導入，本文不做贅述。對配向膜噴墨打印方式來說，周邊Dummy區及布線空間壓縮會使布線區靠近AA區邊界，金屬線及過孔的高段差均會對PI擴散形成阻礙；而EM的降低同樣會造成配向膜厚度變化的區域(Halo區)靠近AA區[5]，二者的疊加對周邊PI涂覆均一性產生影響，從而決定了窄邊框產品更易產生周邊PI涂覆性不良。

本文基于8.5代線10.1寸(Inch，1Inch=2.54cm)窄邊框產品生產中出現的周邊Mura，通過分析發現靠近AA區邊界的公共(Common，COM)電極上的過孔處PI液有明顯堆積現象，此處的堆積對周邊顯示區PI膜擴散形成阻礙，這造成了AA區邊界PI膜偏厚，導致了周邊液晶取向異常，從而產生了周邊配向膜Mura。通過對該處過孔大小及密度進行多組實驗并結合預固化(Prebake)條件優化，找到了匹配窄邊框產品的最優條件，為后續其他產品開發提供了數據支持。

2 實驗

2.1 周邊Mura不良現象確認

實驗測試用的面板為10.1Inch高級超維場轉換技術(High Advanced Super Dimensional Switch，HADS)產品，顯示模式為常黑模式。在L127灰階畫面下不良點燈現象為靠近Panel邊緣1～2mm處出現發黑現象，具體不良現象如圖1所示。

圖1 周邊Mura現象示意圖Fig.1 Schematic of Side Mura phenomenon

2.2 周邊Mura不良原因分析

為了找到周邊Mura發生的根本原因，研究人員對不良Panel進行實物分析。首先，為排查是否為盒厚(Gap)性周邊Mura，利用盒厚測試儀對正常Panel及不良Panel進行了對比測試，沿垂直方向由液晶屏下邊緣往中心區域前進(貫徹不良區域和正常區域)測試盒厚，不良Panel與正常Panel相同位置盒厚無明顯差異，如圖2所示，故而排除Gap性周邊Mura[6-7]。

圖2 正常屏與不良屏盒厚數據比較Fig.2 Comparison Of cell gap between normal and abnormal panel

對不良Panel進行拆屏，去除液晶后將不良樣品置于鈉燈下觀察，彩膜基板對應位置未見異常，陣列基板不良位置可見顏色差異，對應不良位置PI膜層存在明顯偏暗的現象，具體現象如圖3所示。使用顯微鏡對不良位置進行觀察，未發現明顯異常，測量正常Panel與不良Panel Edge Margin，均在設計范圍內，無異常，如表1所示。

表1 配向膜邊界實測值Table1 PI edge margin test data

進一步使用臺階儀對不良位置進行配向膜的厚度測量，結果顯示不良品的正常區與不良區的PI膜厚相差250?左右，而正常品之間無明細差異，如表2所示。使用3D顯微鏡對不良位置進行觀察，發現靠近Panel AA區邊界的COM金屬電極上的過孔(Via Hole)處有明顯PI堆積現象，數據線(Data Line)側及柵極線(Gate Line)側均有堆積，堆積處PI膜厚較正常區高3000～4500?左右，如圖4-1，圖4-2所示。使用PI剝離液對陣列(TFT)基板進行PI處理后，不良現象消失，根據以上分析結果判斷不良為PI膜異常導致。

表2 配向膜厚度測試數據Table2 PI Thickness Test Data

圖4-1 數據線側公共電極上過孔處3D圖Fig.4-1 Via hole of common electrode at data line side 3D phenomenon

通過對周邊設計研究發現，周邊COM金屬電極上的過孔設計是為了導通最上層氧化銦錫(ITO)面電極與最下層的COM金屬電極，起到與像素電極并聯從而降低顯示區電阻的作用。當顯示屏信號出現波動時，由于顯示區電阻降低，電路補償可更快速完成，從而有效確保顯示均一性。但此處的過孔數量及密度目前業內還無明確標準。對該過孔處分析發現，此處采用深孔、高密度、大過孔設計，孔深為10650?，過孔密度為2個/Data Line，9個/Gate Line，過孔尺寸(Size)為Data側9um*11um，Gate側10um*20um。

由于該處緊靠AA區邊界，推測該種過孔設計對僅有1000?膜厚的PI擴散有阻礙作用并容易在此處形成PI堆積，而PI堆積造成的高段差會不利于周邊顯示區的PI擴散，造成周邊PI膜偏厚，進而使周邊液晶取向異常，產生該不良。

2.3 周邊配向膜Mura不良改善

根據上述分析結果，工程人員從工藝改善及產品設計兩方面進行改善性驗證。工藝方面，進行了PI預固化(Prebake)工藝調整，將Prebake的周邊擋板(Shutter)及設備上頂板(Cover)由關閉狀態改為常開狀態；設計方面，為降低此處的阻礙，可以進行過孔深度、密度及Size調整驗證，但如調整過孔深度，需對整個顯示區各層厚度進行調整，這勢必會影響整個Panel的電壓保持率及其他電學特性，因此，本研究中只對過孔密度及Size進行調整驗證過孔的影響。

2.3.1 工藝改善

由于該不良為周邊PI擴散性不良，研究人員首先從PI固化工藝角度進行改善驗證。

圖5 Halo區示意圖Fig.5 Schematic of Halo Area

表3 PI Prebake擋板及上頂板測試條件Table 3 PI Prebake shutter and cover test split item

通過對PI固化工藝調查發現,當基板進入Prebake設備后，Prebake周邊Shutter關閉，PI在高溫下完成預固化過程，在這個過程中，Panel AA區外側受熱面積較內部大，溶劑揮發速度較快，PI液濃度較高，從而在Panel周邊形成PI膜厚較高的Halo區，如圖5所示[5]。對于窄邊框產品而言，由于EM壓縮及周邊布線的阻礙作用，因此Halo區距離AA區更近?？紤]到噴墨型PI液具有較高的流動性，為使Halo區遠離AA區，降低該部分對AA區周邊膜厚的影響，可以從增加預固化前放置時間及降低Prebake溫度雙方面進行改善。但是由于增加放置時間及切換Prebake溫度會對產線稼動產生影響，因此，上述改善措施較難實施。為實現上述目的，工程人員從Prebake設備角度出發，提出對其兩側Shutter及上層Cover進行Open操作，測試條件(Split)及結果如表3所示。從數據中可以看出，Open后周邊配向膜Mura發生率有較大程度降低。

從原理分析，當prebake Open后，PI液實際固化溫度較Close狀態有所降低，并且PI液在固化前的擴散時間也相應得到延長，因此取得了部分改善效果。對不良Panel進行拆屏分析，發現，工藝條件調整后周邊過孔處的擴散效果有所好轉，但阻礙作用未完全消除，如圖6-1，6-2所示，因此仍需從設計角度進行改善驗證。

圖6-1 數據線側公共電極上過孔處3D圖Fig.6-1 Via hole of common electrode at data line side 3D phenomenon

圖6-2 柵極線側公共電極上過孔處3D圖Fig.6-2 Via hole of common electrode at gate line side 3D phenomenon

2.3.2 過孔密度及Size設計調整改善

在Prebake工藝調整的基礎上，設計人員進行了周邊COM金屬電極上的過孔密度及Size調整驗證，測試結果如表4所示，結果表明，隨著過孔密度降低，不良發生率顯著下降，小過孔及大過孔不良下降趨勢相同；小過孔改善效果較大過孔好，當Data側及Gate側的過孔Size采用5*5um，過孔密度采用1/6，1/2時，周邊配向膜Mura發生率最低。對該條件過孔處進行3D觀察，證實了小過孔、低密度對PI擴散的阻礙作用最低，如圖7所示?？紤]到此處過孔變更可能對均一性及信賴性產生影響，研究中還進行了相應品質評價，結果顯示變更后條件與量產條件差距不大，滿足量產要求。

表4 不同過孔密度及尺寸下周邊配向膜不良發生率Table 4 Via hole density and size with side polyimide mura

圖7 公共電極上過孔處3D圖Fig.7 Via hole of common electrode 3D phenomenon

3 結論

本文主要研究了窄邊框產品中易發的周邊配向膜Mura不良，通過分析發現顯示區邊緣用于導通公共電級的過孔處有明顯PI堆積現象，此處的堆積對周邊顯示區PI膜擴散形成阻礙，導致顯示區PI偏厚，影響了周邊液晶分子排布狀態，從而產生不良。

為了改善PI液周邊擴散效果，本文從PI預固化工藝方面及周邊COM金屬線上的過孔設計方面進行了測試并得到如下結果：PI預固化設備Shutter及Cover Open條件對周邊PI擴散更有利；AA區邊界用于導通COM金屬的過孔設計對周邊PI擴散影響較大；Data側及Gate側過孔密度采用1/6，1/2時效果較優；過孔Size采用5*5um小過孔時擴散更有利。

綜上，針對周邊過孔設計對PI擴散的影響，本文進行了實際過孔Mask修改驗證測試，這在業內尚屬首次，通過對比實驗得到如下結論：將周邊COM金屬線上過孔密度降低、Size減小并結合Prebake優化后的條件可以有效改善窄邊框產品周邊配向膜Mura不良。

[1]馬群剛.TFT-LCD原理與設計[M].北京:電子工業出版社,2011:139-142.

[2]王丹,馬國靖,宋勇志,等.印刷型設備產生配向膜Mura研究[J].液晶與顯示,2014,29(6):881-885.

[3]王新久.液晶光學和液晶顯示[M].北京:科學出版社,2006:239-245.

[4]張軍,蘇子芳,關星,等.一種窄邊框的液晶顯示面板設計[J].液晶與顯示,2015,30(3):467-471.

[5]王海成,董天松,鄭英花,等.TFT-LCD制程中Zara點狀不良的產生與改善研究[J].液晶與顯示,2013,28(5):707-710.

[6]張晶思.在液晶滴下工藝中保持盒厚均一性的研究[D].上海:上海交通大學,2008.

[7]王志龍,鄭英花,馬亮,等.L0周邊Mura分析及其改善研究[J].液晶與顯示,2014,29(5):269-273.