平板顯示真空貼合機構的設計與研究

尚 書，王素強，劉亞欣

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

平板顯示真空貼合機構的設計與研究

尚 書，王素強，劉亞欣

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

為提高平板顯示真空貼合設備的生產質量和效率，在分析傳統真空貼合方式的基礎上，設計了一種二次貼合系統，對其工作原理和機械結構進行了一定的探索。依據平面梁模型推導LCD在均勻真空壓力下的微變形，利用其微變形實現與TP的定位和預貼合，得出合理設計定位臺高度及跨度是預貼合的關鍵，同時設計并分析了主貼合系統中真空腔體的工作原理和機械結構。

真空貼合；真空腔體；平面梁模型；平板顯示

作為新興產業的平板顯示領域是電子信息行業的支柱，其發展不僅符合中國制造2025的趨勢，更是國家未來科技發展的要求，對促進我國電子信息行業升級、推進多個領域的技術進步具有十分重要的戰略意義。隨著近年來中國新型顯示器件制造業的快速發展和市場需求的持續擴大，各類帶有觸控功能的新型觸控面板（智能電視、智能手機、平板電腦、車載顯示和可穿戴智能設備）得到了廣泛的運用。

目前觸控面板的生產在向低成本、輕薄化和高透光性發展，全貼合技術的應用滿足了這一系列的要求。全貼合技術是以光學膠OCA將觸控模塊TP和液晶顯示屏LCD以無縫隙的方式完全粘貼在一起的生產工藝。與非全貼技術（框貼）相比，各組件之間無縫貼合，提高了透光性和顯示效果；同時玻璃基板與觸摸層融合為觸控模塊，節約了材料成本，實現了產品輕薄化。

根據貼合對象的不同，全貼合工藝可以分為軟-硬貼合和硬-硬貼合，其中光學膠OCA與觸控模塊TP的貼合為軟-硬貼合，觸控模塊TP與液晶顯示屏LCD的貼合為硬-硬貼合。軟-硬貼合方式主要采用輥輪-平臺貼合、網版貼合，硬-硬貼合主要采用真空環境下的直壓式貼合。一臺全貼合生產設備的主要工藝流程如圖1所示。

圖1 全貼合工藝流程

傳統硬-硬貼合常采用夾持治具對貼合材料進行定位，圖2為TP夾持治具，圖3為LCD夾持治具。

如圖2所示，TP夾持治具在x方向和y方向安裝有定位塊，定位塊上安裝有彈性立柱，立柱可以沿其軸線升降和旋轉。TP（圖中虛線框）通過彈性立柱定位并放置于定位塊上，二者邊緣接觸產生摩擦力限制TP的平面自由度。吸取TP時，上腔體下降壓緊彈性立柱后，上腔體與彈性立柱同時下降，下降至預設高度時，完成TP取料。

如圖3所示，LCD夾持治具在x方向和y方向安裝有定位塊，操作人員手動將LCD放置平臺并通過定位塊確定基準位置，吸附在真空平臺上。定位塊與彈性機構相連接，定位塊高度比LCD高。貼合時，上腔體壓緊定位塊后，上腔體和定位塊同時下降，下降至預設高度時，TP與LCD貼合，貼合完畢定位塊自動上升。

圖2 TP夾持治具

圖3 LCD夾持治具

傳統夾持治具通過彈性定位機構與真空平臺結合，限制材料在x、y、z三個方向的自由度。但是這種定位方式有一定的局限性：

（1）定位塊與材料邊緣接觸產生摩擦力限制其運動自由度，因此連接定位塊的彈性元件剛度需要根據貼合材料的厚度及剛性、貼合壓力、壓頭下壓量的改變進行調整，以提供可靠的定位壓力，防止定位壓力不足使材料產生偏移，或定位壓力過大使材料產生變形；

（2）定位壓力需要穩定可靠輸出。定位塊的定位壓力需要平行作用于貼合材料，防止貼合材料受力不均產生扭轉位移，在貼合過程中產生壓傷，因此對夾持機構的加工及裝配精度要求很高；

（3）夾持治具只能適用于外形尺寸變化不大的材料，生產中若材料尺寸發生較大變化則需要更換治具；

（4）定位塊在貼合過程中與材料邊緣摩擦，對定位塊的耐磨性提出了較高的要求。

為滿足高質量的貼附要求，針對上述彈性夾持治具可靠性及通用性存在的不足，設計了一種預貼合機構加主貼合機構的貼附方式，并對其關鍵技術進行了詳細的研究。

1 預貼合系統的組成及工作原理

預貼合系統由5部分組成：TP中轉平臺、TP取料機械手、預貼真空平臺、真空源、電機及其驅動控制系統，該系統的工作原理如圖4所示。

圖4 預貼合系統工作示意圖

在預貼合系統中，控制主體為工控機，電磁閥控制真空源的通斷，程序控制電機實現TP取料機械手的運動。當TP完成與OCA的貼合并撕膜后，轉移至中轉平臺。TP取料機械手吸取TP運動至預貼真空平臺上方，等待與LCD貼合。LCD經過上料、清潔、撕膜后轉移至預貼真空平臺。TP與LCD分別經過CCD對位后，兩者進行貼合。其中，預貼真空平臺合理的設計是預貼合過程的重點和難點。

2 預貼真空平臺的設計與分析

當預貼真空平臺與TP取料吸附平臺均為平面時，TP與LCD的貼合即為傳統硬-硬貼合方式。由于TP、OCA、LCD三者泊松比不同，在受壓情況下產生的橫向與縱向變形量也不相同，三者粘貼后易產生內應力，影響貼合質量。

基于上述分析，在加工預貼真空平臺時，在平臺表面加工兩個高度為H，寬度為B的定位臺，兩定位臺之間有真空孔。LCD放置于預貼真空平臺上，左邊緣與左定位臺距離l1，兩定位臺之間距離l，右定位臺與LCD右邊緣距離l2，如圖5所示（實際H為微米級，B遠小于LCD長度，為方便研究放大顯示）。由于定位臺高度H為微米級，真空泄漏量可以忽略不計，認為LCD吸附牢固可靠。

圖5 預貼真空平臺示意圖

LCD在平臺上受到均勻分布的真空壓力產生變形，根據圣維南原理，LCD邊緣對其內部影響可忽略不計，因此LCD在x方向中心截面可等效為外伸梁，力學模型如圖6所示。線段AD為外伸梁，AB段和CD段在支點外側，B端為固定鉸支座，C為可移動支座，虛線表示梁變形后的狀態。

圖6 梁模型受力圖

圖6中，x、y為變形前的梁軸線；w為撓度，梁在平面內橫坐標為x的縱坐標；θ為梁在平面內橫坐標為x轉過的弧度；ρ為梁軸線變形后的曲率半徑；O為曲率中心；q為載荷集度，為單位長度內的載荷。

根據材料力學理論可知，梁變形后的曲線為撓曲線ω=f(x)，撓曲線的近似微分方程為：

式中M(x)為梁的橫截面在橫坐標x處的彎矩；E為材料彈性模量；I為橫截面對中性軸的慣性矩。

設AB段長度為l1，BC段為l，CD段為l2，對梁進行受力分析，求出梁的彎矩方程M(x)。根據靜力平衡方程可得B端和C端的支反力為：

梁的AB段及CD段為自由端，彎矩為零，在BC段的彎矩為：

將式(3)代入式(1)：

在式(4)兩端乘以dx，積分得轉角方程：

在式(5)兩端乘以dx，積分得撓曲線方程：

根據梁邊界條件，鉸支座處撓度為零：

梁上的外力和邊界條件對跨度中點對稱，在中點處轉角θ為零：

將式(7)代入式(6)，式(8)代入式(5)：

求得梁的轉角方程和撓度方程：

梁在B端和C端的轉角數值相等，方向相反，且絕對值最大。在式(10)中分別令x=0，x=l得：

由于梁在A端和D端為自由端，因此θA=θB，θC=θD，根據幾何關系可求得梁在A端和D端的撓度：

綜上可知，LCD兩邊緣在定位臺的支撐作用下產生變形，TP下降與LCD貼合時，兩者首先會在邊緣接觸并粘合，實現了TP與LCD的定位，有效避免真空腔體在抽氣時發生漂移。在不考慮其他因素對變形影響的情況下，變形量與LCD外伸量、真空吸附壓力、支撐跨距成正比，所以合理設計定位臺高度及跨度是預貼合的關鍵，需做進一步的分析。

3 主貼合系統的組成及工作原理

主貼合系統在功能實現上與傳統的硬-硬貼合相同，主要由4部分組成：真空腔體機構（包括上腔體和下腔體）、氣源、真空泵、電機及其驅動控制系統，其中真空腔體是主貼合系統中的關鍵機構。

真空腔體機構分為上下兩個腔體，其結構如圖7所示。上腔體是內層附有一層硅膠的平板，并可以輸入壓縮空氣。下腔體主要由真空貼合平臺、升降機構、壓塊、密封材料組成，并可以分別輸入壓縮空氣及真空源。

真空腔體工作時，上腔體內層的硅膠材料與下腔體的密封材料壓緊，確保整個真空系統封閉可靠。下腔體通過升降機構的運動可以將其分隔為正壓和真空兩個相互獨立的密閉空間。當上腔體壓緊下腔體后，下腔體輸入壓縮空氣驅動升降機構上升壓緊擋板，真空貼合平臺區域被分隔開來，接著通過下方連接的真空源快速抽離空氣，產品在真空環境中完成最終貼合。當真空環境保持一段預先設定的時間后，上腔體通入壓縮空氣，破壞真空環境，上下腔體分離。

圖7 真空腔體結構示意圖

4 結 論

傳統硬-硬貼合方式為一次性直壓式貼合，為保證貼合質量，減少貼合氣泡，需要高功率的真空泵產生足夠高的真空值，并且維持較長的時間。但真空值越高，產品更容易在快速抽氣時發生漂移，因此偏位的概率也越大。因此在生產成本、生產效率及生產精度方面往往不能滿足實際生產要求。

本文針對傳統真空貼合方式存在的不足，設計并研究了預貼合加主貼合系統。在預貼合環節可以定位TP和LCD，有效減少產品貼合偏位，保證貼合的穩定可靠。由于進行了二次貼合，主貼合系統配備較低功率的真空泵即可滿足貼合要求。主貼合加預貼合方式相較傳統貼合方式雖然增加了一次貼合流程，但在預貼合完成后，主貼合所需時間會減少，且可在主貼合系統中設置雙工位，總體而言仍有效提高了生產效率。

[1] 王平，項志偉，胡進，喬非.我國平板顯示行業發展現狀及發展趨勢分析[J].改革與開放，2016，21：16-18.

[2] 盛洪奇.LCD真空貼合基板吸附和剝離關鍵技術的研究[D].上海：上海交通大學，2014.

[3] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.

The Design and Research of a Vacuum Laminating Mechanism in Flat Panel Display Field

SHANG Shu，WANG Suqiang，LIU Yaxin
(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)

In order to improve the production quality and productivity of the vacuum laminating machine in flat panel display field,an improved double laminating system was designed,and its working principle and mechanical structure were studied.The small deformation of LCD under uniform vacuum pressure distribution was deduced based on plane beam model,and the small deformation was used to finish positioning and pre-laminating between TP and LCD.The indication was that the appropriate design of the height and span length of the positioning table were the key factors.Moreover，the working principle and mechanical structure of vacuum chamber in main laminating system were designed and analyzed.

Vacuum lamination；Vacuum chamber；Plane beam model；Flat panel display

TN605

B

1004-4507(2017)02-0066-05

尚書（1988-），男，山西太原人，工學碩士，畢業于北京科技大學，助理工程師，主要從事電子專用設備的研發工作。

2017-03-17