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TFT-LCD中周边显示不均改善研究

作者:骆官水1,2,莫达昌2,马岳2(1.北京大学微电子学与固体电子学,广东 深圳 518055;2.TCL华星光电技术有限公司,广东 深圳 518132)时间:2022-05-29来源:电子产品世界收藏
编者按:本文研究了周边显示不均发生机理,从生产工艺方面提出PI边缘大液滴、加速PI液蒸发、涂布后环境风速降低等PI边缘膜厚偏薄改善的有效对策,改善了周边显示不均的不良。


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202205/434593.htm

1   引言

(polyimide, PI) 在TFT-LCD 技术中主要起到控制液晶分子排列方向的作用[1]P71-75。TV 面板中PI的涂布设备多采用技术(Inkjet Printing) [1]P139-141,该技术相对旧式的转印方式(Roller Coater) 有PI用量精准,损耗小,效率高等优点,但因为该技术下PI 是靠液滴自然流平成膜,导致边缘出现PI 膜厚偏薄的状况,随着产品发展,PI 边缘到AA(Active Area) 区域距离不断压缩,面板周边显示问题越显突出,其中周边问题最为严重。

2   异常解析

2.1 不良现象

液晶面板在进行可靠性分析(Reliability analysis,RA) 的高温高湿动作测试(HPHHO) 时,低灰阶下面板四边边缘会出现现象,边缘较AA 区呈现发白分层,该区域宽度约1cm。

2.2 CTQ确认

2.2.1 从边缘向内贯穿测量,边缘发白区Cell gap 测量无差异,预倾角NG 区较OK 区偏小约0.2°;

2.2.2 CF 基板去除PI 膜前在钠光灯下可见,去除PI 后不可见;

2.2.3 CF PI 膜厚NG区域较OK区域偏薄100 Å (OK区域PI 膜厚1000 Å);

2.2.4 测量不同PI 膜厚下TFT-LCD 器件VT 特性,随着PI 膜厚偏薄,PI 膜厚左移;

2.2.5 结论:玻璃基板边缘PI 膜厚偏薄导致

2.3 失效机理分析

2.3.1 inkjet printing原理

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通过图1 可以建立PI 膜厚计算模型,只需要知道滴落在基板上的液滴间距DotX、DotY、平台移动次数N,PI 液固含量比例S、单滴PI 液质量md、PI 液密度ρ、预主固化膜缩比F 等参数便可计算PI 膜厚:

单位面积内PI 液滴数量C = 1/(DotX*DotY)   (1)

单位面积PI 液质量m = C*md   (2)

单位面积PI 液厚度t1 = m/(1*ρ)   (3)

烘烤后PI 膜厚度t2 = t1*S   (4)

烘烤后PI 膜厚度t3 = t2*F   (5)

滴落在基板上的液滴间距DotX、DotY 可以通过head 吐出针孔间距L、平台移动速度、液滴吐出频率确定,本实验中采用的head 分A、B 两列吐出,平台来回移动期间head 均吐出PI,因此

DotX = L/2/N   (6)

DotY = v/f   (7)

由(1)-(7) 得

PI 膜膜厚= 1/(L/2/N*v/f)* md/ρ*S*F (8)

2.3.2 PI湿膜蒸发速率

根据理论,液滴界面总的蒸发速率[2]

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其中Dv是蒸气在空气中的扩散系数, ρs和ρ是饱和蒸气的质量密度和体积,可知蒸发率与液滴半径成正比。液滴半径容易推得:

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由(9)、(10) 得,液滴界面蒸发速率:

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另外由于本论文研究的是CF 基板表面,为POA 技术,仅ITO 及BM 膜层,CF 粗糙表面的浸润方程可以用Wenzel 方程表示:

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式中θ为测量接触角, θ0为杨氏接触角; Rf为粗糙因子。一般地,光滑表面Rf=1 ,粗糙表面Rf>1,即表面浸润的界面,越粗糙则越浸润,接触角θ越小。根据(11)、(12) 可以得出结论:CF 基板表面粗糙度与速率成正比。

2.3.3 PI膜厚偏薄形成过程

PI 液滴被涂布在基板上扩散成膜,在预烘烤炉中PI 湿膜的前驱膜三相接触点被钉扎住(pinned),蒸发过程中,在表面张力梯度的作用下,在前驱膜三相接触线处PI 液组分向湿膜中央流动,而湿膜内部PI 液组分从AA 区往三相接触线流动,同时对于整个PI 湿膜而言,三相接触线处温度最高,蒸发通量最大,此处溶剂首先被蒸发干,溶质固化下来,在 对流持续影响下,湿膜AA区PI 液组分源源不断往三相接触线处流动、堆积,当PI 液湿膜固化成干膜时,便出现边缘PI 出现一个“山峰”,而往内至AA 区之间一段PI 膜厚偏薄的现象。

2.3.4 PI成膜相分离现象

PI 液中含有NMP、DAA、BC 等溶剂成分,同时PI 液蒸发过程中分成上下两层polymer,侧链密度有所不同,下层polymer 不溶于BC,由2.3.3 知三相接触线处温度最高,溶剂首先被蒸发,由于下层polymer 分子运动慢,BC 带动上层polymer 往前移动蒸发,下层polymer 再往前移动蒸发。这样移动速度及蒸发速度的差异导致水平方向上组分不一样,导致侧链浓度差异,侧链浓度差异直接导致对液晶的锚定差异,点灯时呈现显示分层现象。

3   改善实验及结果

根据以上分析,可以从涂布设备参数、基板表面浸润性、液滴烘烤条件、基板搬运条件、PI 溶剂成分配比(改变溶剂沸点、溶解度、表面张力等参数) 等方面抑制marangoni 对流、指进失稳现象,从而达到减轻AA区边缘PI 膜厚偏薄、相分离的现象。本文受限于生产条件,仅从涂布设备参数、预烘烤条件、环境条件调整进行实验改善。

3.1 PI边缘液滴加大

3.1.1 改善机理

当head 喷头孔径结构固定,吐出频率、平台移动速度、涂布次数固定时,PI 膜厚与单滴液滴质量成正比,通过调整喷印设备喷头压电陶瓷电压大小便可控制液滴大小。由于PI 是PI 液滴扩散成膜,可以通过调整喷头吐出的液滴大小,在AA 区内部涂布通常大小的液滴,在外围涂布一圈大液滴,从而有效解决边缘膜厚偏薄问题。

3.1.2 实验实施及实验结论

实验中,AA 区用48 ng 液滴涂布1 000 Å PI 膜厚,外围用58 ng 液滴涂布1200 Å PI 膜厚。实验结果如下图2,(a) 图为SEM 测量PI 膜厚片的位置示意图,从外围往AA 区,依次为区域1、区域2、中心区,本文其他实验条件膜厚切片与该模型一致,(b) 图表明周边显示不均的玻璃区域1 PI 膜厚858Å,中心区PI 膜厚1012Å,膜厚差异154Å,(c) 图表明PI 边缘液滴加大实验中,区域1 PI 膜厚958Å,中心区PI 膜厚1007Å,膜厚差异49Å,相对于周边显示不均玻璃膜厚差异已明显缩小。

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图2 (a) SEM切片位置,(b) 边缘1200 Å膜厚SEM切片结果,(c) PI边缘液滴加大实验HTHHO结果

3.2.2 实验实施及实验结论

实验中,预烘烤温度采用100 ℃,总的烘烤时间124 s 不变,在PIN1 烘烤时间从8 s 缩短至2s,在PIN2烘烤时间从116 s 增加至122 s。实验结果如下图3, (a)图表明周边显示不均的玻璃区域1 PI 膜厚858Å,中心区PI 膜厚1012Å,膜厚差异154Å,(b) 图表明PI 预烘烤在PIN1 的停留缩短后,区域1 PI 膜厚917Å,中心区PI 膜厚1021Å,膜厚差异104Å,相对于周边显示不均玻璃膜厚差异明显缩小,但较PI 边缘液滴加大效果差。

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图3 PI预烘烤参数调整PI膜厚SEM切片结果

3.3 PI涂布后FFU风量减小

3.3.1 改善机理

PI 液涂布在玻璃上扩散流平时,流平至一定程度后,PI 边缘三相接触点被钉扎住,但如受外力影响,如环境风速、搬送抖动等会导致钉扎平衡被打破,钉扎点外扩。

3.3.2 实验结论

实验中,我们将PI 涂布后的FFU 风量从800 m3/h下降到400 m3/h。实验结果如下图4,(a) 图表明周边显示不均的玻璃区域1 PI 膜厚858Å, 中心区PI 膜厚1012Å,膜厚差异154Å,(b) 图表明PI 预烘烤在PIN1的停留缩短后,区域1 PI 膜厚907Å,中心区PI 膜厚1028Å,膜厚差异121Å,相对于周边显示不均玻璃膜厚差异变小,但是影响效果较PI 边缘液滴加大及PI 预烘烤炉快速蒸发的差。

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图4 PI涂布后FFU风量降低对PI边缘膜厚影响

4   结论

本文介绍了PI 工艺中周边显示不均的改善方法。讨论了周边显示不均失效的机理,即面板边缘区域PI 膜厚偏薄导致PI 膜侧链偏少,导致预倾角偏低,最后引发周边显示不均不良,而边缘PI 膜厚偏薄是由于PI 液滴的扩散、浸润、蒸发特性导致。可以从涂布设备参数、基板表面浸润性、液滴烘烤条件、基板搬运条件、PI 溶剂成分配比等方面通过抑制 对流、指进失稳现象,从而达到减轻AA 区边缘PI 膜厚偏薄、相分离的现象。本文给出了三种有效对策:PI 边缘液滴加大、PI 液加速蒸发、PI 涂布后FFU 风量减小,其中PI 边缘液滴加大最为有效,且操作简单,可有效应用到所有产品设计中。

参考文献:

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(本文来源于《电子产品世界》杂志2022年5月期)



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