陣列基板周邊設計對聚酰亞胺液擴散的影響

劉金貴，殷盛杰，顧可可，李光強，申 名，李 嘯，楊 妮，許亨藝，羅建勇

(重慶京東方光電科技有限公司，重慶 400700)

1 引 言

在薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)中，聚酰亞胺(PI)由于其優異的熱穩定性、力學性能和電性能，被涂布于TFT基板和CF基板上用作液晶分子配向膜，取向層性能的優劣直接影響到液晶分子的排列效果，進而影響到LCD的對比度、閾值電壓、響應時間等特性[1-3]。PI膜涂覆有滾筒涂布的感光樹脂轉印版(APR)轉印和噴墨打印兩種方式。隨著高世代線面板廠的投入生產，因為與噴墨打印產品切換快、對應產品種類多、產能高等特點，得到了越來越廣泛的應用[4-5]。但由于噴墨打印技術是依靠低粘度PI液滴在重力作用的自由擴散而固化形成PI膜層，但隨著無邊框、高分辨率產品的出現，低粘度PI液滴在陣列基板周邊段差較大區域難以均勻擴散而形成PI Mura類不良[6]。

針對面板周邊PI液擴散不均問題，前人通過研究得出以下幾個方面原因：王海成等人[7]通過研究得出面板周邊Vcom(公共電極)過孔較多，影響了PI液在該區域的均勻擴散，最終PI液在過孔周邊堆積產生不良。通過改變PI預固化條件、變更過孔尺寸和周期等方法可以改善周邊擴散不均問題。趙成明等人[8]研究發現，氮化硅鈍化層(PVX)過孔深度影響PI液的擴散，深度較大時，會對配向膜擴散起到阻礙作用，通過減小PVX膜厚可以降低過孔深度，進而改善該擴散不良現象。徐長健等人[9]測試發現周邊Mura區域PI膜厚是正常區域的2～3倍，認為周邊Mura是PI液擴散速度不一造成的：邊緣區域PI液受熱相對于中心區域更快、空氣接觸面積更大，邊緣溶劑蒸發速度快于中心區域，邊緣區域首先固化，相鄰未蒸發液體繼續往外邊緣流動固化，導致邊緣處PI膜偏厚。通過增大Mura區域PI膜涂覆范圍、減小PI膜膜厚等方法有效改善周邊PI Mura類不良。

本文著重介紹重慶京東方(G8.5代)使用噴墨打印設備生產筆記本電腦HADS(高透過率平面寬視角顯示技術)產品時遇到的面板周邊PI液擴散不均問題形成的周邊黑線不良現象，從變更產品設計、工藝參數等方面對該不良進行詳細解析。

2 實 驗

2.1 HADS面板制備

該周邊黑線類不良在3款全高清(FHD)HADS產品中都有發生，且在14.0 FHD HADS產品中現象最嚴重，所以本文分析討論所用屏幕以14.0 FHD HADS產品為主。周邊黑線現象如圖1所示。

圖1 屏幕周邊黑線不良現象

周邊黑線不良屏在模組階段檢出，灰階畫面下，面板周邊DP/DPO/GPL/GPR四邊均有黑線不良，其中DP側現象較嚴重，黑線和正常顯示區有明顯界限，黑線寬度約1 mm，發生率100%。

2.2 設備與測試

PI Inkjet Printer涂布機，型號：IP-G85-VH-T15-CB-1180L，石井表記(Ishiihyoki)公司；預固化(Precure)設備，型號：14-146-N101，Zeus公司；主固化(Maincure)設備，型號：CLBSB8-3H24，Hanwha公司；日立液晶成盒設備，型號：SPV-2500-SF,日立(HITACHI)公司；液晶分子，型號：BOE-F013，上海默克化工；偏光顯微鏡，型號：BX51，日本Olympus公司；掃描電子顯微鏡(SEM)，型號：SU8000，日立(HITACHI)公司。

3 結果與討論

3.1 周邊黑線不良分析

模組FI檢出不良面板在實驗室不加電旋偏光片情況下可見面板四邊有黑線Mura，拆屏后TFT膜面對應位置可見膜面異常，TFT側PI剝離液去除PI膜后不良不可見，CF側膜面無異常，該不良是TFT側PI膜面異常所致。

圖2為TFT側基板在顯微鏡下(X20)觀察的周邊(DP(Date pad)/GP(Gate pad))形貌圖,可以看到面板四邊走線密集和過孔較多處有明顯的PI液聚集，這些PI聚集區出現明暗不均暈狀現象。特別是在Vcom過孔周圍，PI液擴散不均現象加重。對比圖2異常屏和圖3正常屏周邊，可以看出Vcom過孔周邊PI液擴散不均現象大多出現在異常屏，而正常屏則沒有。出現擴散不良的Vcom過孔內部呈現白色，而正常屏Vcom過孔內部呈深灰色。

圖2 DP/DPO/GPL/GPR側PI膜面異常

圖3 正常顯示面板周邊形貌圖

圖4 不良面板和正常面板過孔斷面圖對比。(a)正常過孔;(b)異常過孔。

通過分析異常和正常屏Vcom過孔斷面掃描電鏡(SEM)圖(圖4)看出，正常屏周邊Vcom過孔內有PI液進入(圖4(a))而呈現深灰色，而異常屏周邊過孔內沒有PI液進入(圖4(b))而呈現柵極金屬反射光而發白。

結合圖2、圖3和圖4分析得出，圖2異常屏Vcom過孔發白，并且過孔周圍出現明暗不均暈狀現象，這是因為噴墨打印滴定的小液滴在重力作用下在Vcom過孔周圍擴散時，液滴沒能跨越過孔周圍能量位壘而進入過孔內，進而固化在過孔周邊形成PI Mura。因為PI液滴定在陣列基板表面時，液滴在氣-液-固三相系統中擴散前進，最終在三相綜合作用下達到平衡狀態完成擴散，任一相界面的變化都會導致PI液滴擴散的變化。當PI液滴在過孔周圍向過孔內擴散時(圖5)，液滴前進方向氣相接觸面積的增大使得液滴有凝聚現象，即前進方向接觸角有增大現象。同時，PI小液滴在向Vcom過孔表面擴散時，液滴前進方向由水平方向變為傾斜方向，液滴前進角由于前進表面粗糙形貌[10]而存在能壘障礙，也會導致前進接觸角增大。兩者綜合作用的結果是，當PI液滴從過孔周邊向過孔內擴散時，液滴前進方向存在能壘，該能壘使得液滴前進方向接觸角增大，隨著PI液滴積聚越來越多，前進接觸角越來越大，當液滴積聚量超過一定限度，液滴前進方向超越能壘而進入過孔內。高分子PI液滴的擴散是通過分子鏈段的協同作用發生分子內相對位移而緩慢移動，部分沒能進入過孔內的小液滴在過孔周邊集聚成膜形成PI Mura[11]。

圖5 PI液滴在Vcom過孔周圍擴散

圖6是面板周邊PI液不均勻擴散而形成的不良現象，該不良由以下幾部分組成：(1)PI液在面板周邊密集走線處(如com走線等)擴散不均造成，走線的高段差是影響擴散不良的主要原因；(2)PI液在周邊Vcom過孔處擴散不均造成的，過孔周圍的高能壘造成PI液滴無法跨越能壘進入過孔內，造成未進入過孔的PI液滴在過孔周圍持續積聚形成宏觀黑線不良現象。解決面板周邊PI擴散性不良從以下幾個方面著手：一是增加PI液滴在高段差密集走線附近的流動性，途徑如下：(1)減薄金屬走線，降低走線高度段差，利于PI液跨越走線增加流動均勻性；(2)變更PI涂布工藝參數，如減少PI滴下量，降低液滴在難擴散區域的積聚量；改變PI液滴進入Vcom過孔的難易程度：減小Vcom過孔對PI液滴擴散的影響，或將難擴散區域向遠離像素區方向移動，讓PI堆積盡量發生在像素區以外。以上改善措施可以通過變更PVX 掩膜版改變Vcom過孔的數量、尺寸和位置來解決。

圖6 面板周邊PI液擴散不均形成宏觀黑線不良

3.2 周邊黑線不良解決方案

3.2.1 PVX 掩膜版變更方案

由3.1節周邊黑線分析可知，該不良形成的部分原因是由于PI液滴難以跨越過孔能壘進入過孔內,進而在過孔周圍堆積而產生周邊黑線不良。通過變更PVX掩膜版設計降低過孔對PI均勻擴散的影響程度是解決該不良的有效途徑之一。

通過圖2和圖3分析可知，Vcom過孔的存在直接導致了PI液滴在該區域的正常擴散，PI液滴正常進入過孔的區域不會出現黑線不良，反之則會出現不良。通過變更Vcom過孔的周期和尺寸來降低過孔對擴散帶來的不利影響，在滿足信號轉接要求的情況下，過孔數量的減少直接大幅提高了擴散區域表面的平坦度，降低了該區域PI液滴擴散所跨越能壘的次數，如對于GPL/GPR側過孔周期變為原來1/8。另外過孔面積比原來減小了98%，極大改善了PI液滴在過孔周圍的擴散均勻性。同時也變更了DP/DPO側過孔的數量和尺寸，兩側過孔數量變為原來的1/9，過孔面積都比原來減小了99%。再者，將DP/DPO側過孔距離AA區間距增大，目的是DP側PI堆積發生在遠離像素區域，不影響像素區正常顯示。最終通過PVX掩膜版變更使得周邊黑線發生率從100%減小為6.6%。

3.2.2 噴墨打印涂布方案變更

解決周邊黑線一方面通過變更Vcom過孔數量和尺寸來降低過孔對PI液滴擴散的影響，另一方面通過變更Inkjet Printer涂布工藝來減小PI液滴積聚程度，即通過減小噴墨打印滴定液滴的重量(Drop mass)和增大液滴間距(Dot pitch)減少單位面積的液滴滴定量，膜厚的減薄減少了多余PI液在難擴散區域的堆積，周邊黑線不良發生率從6.6%減小至0.5%。但PI膜厚減小太多時，AA區顯示出現殘像，同時V-T曲線偏移需gamma重新校正。

單純地進行膜厚減薄會引入新的不良，在保證像素區膜厚不變的情況下，減薄面板邊緣的膜厚是最理想的狀態。因此，我們開發出噴墨打印邊緣(EM)補正功能，即保持像素區膜厚不變，面板邊緣EM區膜厚減半，如圖7所示。EM區域單位面積PI液滴定數量是AA區滴定量的一半，也就是EM區域膜厚是AA區的一半，EM區域PI液的減少降低了該區域PI液積聚的可能性，同時AA區不會出現因PI膜減薄而出現殘像等不良。

為徹底改善GPL/GPR側PI液擴散不均問題，陣列基板面板采用條形涂覆方式，即DP/DPO側存在PI EM(Bonding pad因素)，而GPL/GPR側PI液全涂覆，則GP側不再存在PI液擴散邊緣，解決了GP側PI液擴散不均的問題。同時，條形涂覆的面板信賴性評價(高溫高壓存儲和膜層剝離測試)通過測試。條形涂布方式如圖8所示。

圖7 噴墨打印的邊緣補正功能

圖8 噴墨打印涂布方式的變更。(a)傳統涂布方式；(b)條形涂布方式。

4 結 論

利用噴墨打印原理給陣列基板涂布PI取向膜，涂布噴頭噴出PI液滴在重力作用下自由擴散成PI配向膜。TFT基板周邊的走線和Vcom過孔阻礙PI液滴在其附近均勻擴散。Vcom過孔周邊的能壘阻礙附近PI液滴擴散進入過孔內，則多余的液滴在過孔附近大量集聚形成周邊黑線。我們通過變更PVX掩膜版解決Vcom過孔周邊PI液擴散不均問題，通過改變面板周邊過孔周期、尺寸以及過孔距像素區間距來減小過孔存在的影響，如GPL/GPR側過孔周期變為原來1/8，過孔面積比原來減小了98%，DP/DPO過孔數量變為原來的1/9，過孔面積比原來減小99%，同時DP/DPO側過孔與像素區間距增大，則DP側PI液堆積遠離像素區域，不影響像素區正常顯示，最終通過PVX掩膜版變更使得周邊黑線發生率從100%減小為6.6%。另外，通過變更噴墨打印機涂布工藝來減小面板周邊PI液滴積聚程度，我們開發出噴墨打印機邊緣補正功能，即保持AA區膜厚不變，面板邊緣EM(Edge margin)區膜厚減半，EM區域PI液的減少降低了該區域PI液積聚的可能性，邊緣補正功能使得周邊黑線發生率從6.6%降至0.5%。為徹底改善GPL/GPR側PI液擴散不均問題，陣列基板采用條形涂覆方式，即GPL/GPR側PI液全涂覆，周邊黑線不良發生率降至0.05%。