液晶角落Bubble原因分析與改善

李澎軒，侯德智，王文宇

（京東方 南京中電熊貓平板顯示科技有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

在TFT-LCD制造工藝內，角落Bubble（氣泡）不良普遍存在，具體體現為成盒后Panel內部四角位置出現微小的液晶擴散氣泡。筆者在生產過程中遇到一款23.8 Inch產品的角落Bubble異常，并成立了改善小組進行不良改善。最終將角落Bubble Inline發生率由50%降低至0%。本文對角落Bubble的形成原因和影響因素進行分析，并對驗證過程進行闡述。

1 原理

顯微鏡下對氣泡區域進行按壓，氣泡可以移動，熱風槍加熱不良位置，氣泡增大，測試結果如圖2所示。實驗結果表明該氣泡為顯示屏內部氣體產生氣泡[1]。盒內液晶擴散不均導致了角落Bubble，此現象可以在Panel成盒后對Panel出現Bubble位置進行按壓確認，經過Panel面板表面的按壓，可以觀察到液晶從Panel中心位置向角落Bubble位置進行擴散，可以觀察到液晶的流動。故角落Bubble的根本原因是盒內液晶擴散不均問題：盒內液晶無法及時擴散到Panel的四角部位，該部位由于缺少液晶導致出現點狀角落Bubble，此類Bubble大小一般為1~3mm，最大不超過5mm。

圖2 角落Bubble靜置前后對比

通常大尺寸ODF產品容易出現重力Mura和氣泡不良;而小尺寸ODF產品雖然沒有重力Mura，但更容易出現漏液晶（LC Leak）和低溫氣泡（Cold Bubble）。一般而言, 液晶量多容易發生LC Leak，液晶量少則容易發生Cold Bubble[2]。業內目前主流的液晶注入面板方式分為Drop（滴下）式和噴墨式，筆者所在工廠使用Drop式液晶滴下，即在面板貼合之前，在CF或者TFT基板上適用高精度針頭，采用滴下方式，將液晶引入面板內，并在滴下完成后將CF和TFT基板進行貼合。

液晶是介于液態和結晶態之間的軟物質。液晶在-50℃的低溫時呈現白色塑料狀的晶體狀態；隨著溫度的上升，逐漸變軟，呈透明油脂狀的黏性流體狀態；常溫時黏度變得更小，呈白糖水狀態。溫度到達熔點，液晶就會融化成液體；如果繼續上升，液晶就變成了透明的液體。變成透明時的溫度叫做液晶的清亮點。由于實際生產中無低溫狀態，所以不用討論低溫情況。現將液晶在平行板間的擴散分為常溫和高溫下的平行板間擴散。常溫狀態為液晶在對盒設備內的擴散過程。

筆者通過業內調查發現，采用噴墨式液晶注入設備的工廠，均無角落Bubble不良，原因為噴墨式設備將液晶均勻的噴涂在面板上，即液晶從接觸面板開始即處于擴散完成的狀態，故噴墨式設備在液晶擴散Bubble上有著先天的優勢，這是由設備原理決定的。故本文主要探討采用Drop（滴下式）設備的角落Bubble影響因素和改善方法。

2 實驗驗證

2.1 成盒后到面板點燈時間影響

TFT-LCD工藝常見的Bubble有空氣Bubble和真空Bubble，空氣Bubble內充滿氣體, 產生原因較多, 一般可以概括為以下幾類：

（1）真空對盒時，V/A內真空度不夠，V/A內殘留空氣被壓入Cell內。（2）Sealant涂覆時發生斷膠，空氣從Sealant斷裂處進入Cell內。（3）由于穿刺或Peel oあ造成空氣進入Cell內。（4）Cutting切割時，刀輪可能對Sealant造成了損傷，氣體沿著Seal損傷部分進入，形成Bubble。[3]

而本文中闡述的液晶擴散造成的角落Bubble根據產線生產經驗，Inline檢查機檢出角落Bubble與面板成盒后時間有關。同一張出現角落Bubble的面板，放置一段時間后，Bubble會有一定程度的縮小，甚至某些微小的Bubble會直接消失。原理為液晶在盒內隨著時間的增加自行擴散，當時間足夠長時，液晶擴散完成，Bubble現象消失。

面板通電點燈的檢出現象與Inline檢查機檢出的原理相同，成盒后的面板越晚點燈，液晶擴散越充分，故發生角落Bubble不良的概率越小。

液晶在常溫下擴散遵從流體流動Washburn模型[4]：

其中：t為液晶在平行板間的流動時間，σ為表面張力系數，x為t時刻的流體位置，φ為接觸角，μ為流體的黏滯系數，b為平行板間的距離。

換算之后可得到：

由Washburn模型可知，液晶分子的擴散程度由液晶在平行板間的流體位置χ來表述，χ越大說明液晶在平行板間的擴散距離越遠、擴散程度越理想。而影響流體位置的因素有液晶在平行板間的流動時間、表面張力系數、接觸角、流體的粘滯系數、板間距離等。其中，表面張力、接觸角和粘滯系數均為液晶材料本身因素，很難通過變更工藝條件來改善。平行板間距離b為產品設計值，影響到液晶的響應時間和透過率等多種因素，不會輕易變更。流動時間t為改善液晶擴散的關鍵因素。

故而對面板成盒，到點燈檢查的時間t1設計實驗驗證，兩者的關系如下圖1：

圖1 角落Bubble發生率與點燈時間t1關系

可以發現，t1超過12h時，不良發生率已低于1%，超過24%，發生率已接近0%。故推薦選擇成盒后基板管控24h再進行點燈作業。如部分產線產能要求較高，產出較快，也可適當延長成盒到點燈的Q-time，可以有效降低角落Bubble發生率。

2.2 液晶滴下距離的影響

選擇管控面板成盒到點燈時間，可以顯著減少角落Bubble的檢出。實質上是讓液晶在盒內擴散完全。改善小組考慮是否可以在滴下過程中將液晶滴下距離角落更近，加速液晶的擴散，達到減少角落氣泡的發生。

描述液晶滴下形狀主要分為以下3個參量：每兩排液晶滴間的距離a、液晶滴到液晶屏短邊的距離b和液晶滴到液晶屏長邊的距離c。液晶擴散后，在平行板間呈橢圓形向四周擴散。影響液晶在邊角處擴散的主要因素是距離L。

圖3 液晶擴散到基板四角距離

故改善團隊在23.8 Inch該款產品，固定其它工藝參數不變，對角落滴下距離b、c進行變更測試，測試條件和結果如表1：

表1 液晶到四角距離驗證結果

角落滴下距離縮減5~10mm后，角落Bubble發生率無顯著降低，且改善團隊在進一步測試距四角滴下距離時，發現由于液晶在框膠預固化之前過早接觸框膠，導致出現框膠穿刺現象。故在成盒工藝中，無法進一步降低四角液晶滴下距離。

2.3 貼合設備真空保持時間的影響

液晶在基板表面的擴散受時間影響，成盒工藝中，真空貼合設備內是真空狀態，對液晶的擴散更加有利。故改善團隊提出讓貼合前基板在真空貼合裝置內進行真空保持：將液晶滴下在TFT基板上，在CF和TFT基板進行貼合前進行真空保持，使得液晶在TFT面板上進行較長時間的擴散。設計真空保持時間t2實驗結果如表2。

表2 真空保持時間t2驗證結果

可以發現，控制真空保持時間t2單變量進行測試時，角落Bubble檢出率持續下降，當真空保持時間加長到120S時，角落Bubble發生率已經降低到0.5%，但在測試過程中發現：當真空保持時間超過90S時，基板出現周邊Mura不良，原理為在真空保持設備內由于腔室內持續抽真空，靠近分子泵排氣口位置的液晶分子持續被抽走，液晶內分子含量降低，導致面板該區域產生周邊Mura。故

增加真空貼合設備的真空保持時間，對角落Bubble不良有所改善，但由于會產生其他不良，故無法直接采用。

2.4 液晶滴下單滴重量的影響

液晶單滴量和液晶滴下數的關系如下：

盒內液晶量=液晶單滴量*X方向液晶滴下數*Y方向液晶滴下數

在保持盒內液晶滴下量不變的前提下，對液晶滴下數進行單變量測試，測試液晶單滴量對角落Bubble是否有影響。測試結果見表3：

表3 液晶單滴重量驗證結果

經過試驗測試可以發現，通過增加液晶滴下數，令液晶單滴量降低，對角落Bubble發生率有改善，但在工廠的實際生產中，受限于Drop 式液晶滴下設備的Tacttime，液晶滴數無法大幅下降，可以通過平衡Tact-time和角落Bubble發生率，綜合選取較優條件。

另液晶單滴重量降低，對角落Bubble的影響雖然較為明顯，但無法達到發生率0%的最終目標。

2.5 角落追加液晶滴下

角落Bubble的產生原因是由于液晶在角落擴散較為困難，故考慮在角落追加額外的液晶滴下來對該異常進行Cover。

對現場已有的生產條件上進行追加四角滴下測試（液晶滴數在四角各增加1滴），液晶單滴量略微降低約0.1mg，追加四角滴下后，角落Bubble發生率由此前的50%降低至0%，并未產生其他不良。

圖4 液晶四角滴下示意圖

同時，液晶滴下設備的Tact-time 增加了30%。增加四角滴下是業內應對角落Bubble不良的最常見方法，但部分產品由于Tact-time限制，不適用四角滴下模式。

2.6 Cell Gap（盒厚）對角落Bubble的影響

經測試，發現在相同的生產工藝下，低盒厚的產品角落Bubble發生率更低，部分低盒厚產品角落Bubble發生率為0%。

表4 盒厚和角落Bubble檢出率的關系

Cell Gap對角落Bubble的影響分析可能為：（1）盒厚較低的產品在真空貼合時由于液晶受CF和TFT基板擠壓面積更大，故更加容易擴散到面板角落；（2）盒厚較低時，液晶因空間限制難以形成擴散氣泡；（3）低盒厚產品由于盒內液晶量較低，液晶單滴重量也更低。

目前業內Monitor產品基本趨向快速響應時間，故設計盒厚會越來越低，在此基礎上，也會使角落Bubble不良的降低，在產品設計面上可以參考。

3 結語

通過以上的實驗測試，影響角落Bubble產生的因素共有以下幾類：（1）面板成盒后到點燈的時間。時間越長，角落Bubble發生率越低，超過24h的發生率已經接近0%，故推薦在面板成盒后管控一定時間再進行點燈；（2）真空貼合設備真空保持時間，保持時間越長，角落Bubble發生率越低，超過120S的真空保持時間，角落Bubble發生率已達到0.5%，但由于真空貼合設備的排氣位置對液晶有影響，測試中發生周邊Mura不良；是否產生周邊Mura不良與真空貼合設備結構相關，如果腔室內排氣口位置距離液晶較遠，影響會較為輕微。可以根據真空貼合設備的構造進行測試。并選取合適的真空保持時間；（3）液晶單滴重量。盒內液晶滴數越多，單滴重量越小，角落Bubble的發生率越低，但受限于設備Tact time和設備能力，Drop式的液晶滴下設備單滴量不能無限的降低。故無法通過單一的降低滴下量來改善角落Bubble，可以綜合考慮以上因素，選取可以接受的較低的液晶單滴重量。這里也體現了噴墨式液晶涂覆設備不會產生角落Bubble的優勢；（4）液晶四角滴下。在四角追加額外的液晶滴下，是改善角落Bubble的最佳方式，但對設備Tact time產生一定影響。設備Tact-time可接受的前提下，推薦使用此方式對角落Bubble不良進行改善；（5）盒厚的影響。盒厚越低，角落Bubble發生率越低，在已有的測試結果中，盒厚低于2.8μm時，即使不采用液晶四角滴下，也不會產生角落Bubble現象。但由于產品盒厚不可隨意變更，改因素應當在產品設計時進行考慮。