基于FMEA的車載顯示器貼合氣泡改善

劉 沫 陸志強

（同濟大學 機械與能源工程學院 上海 201804）

隨著汽車市場的持續深化發展，汽車零部件相關企業之間的競爭日趨激烈。保質保量交付是競爭的重要因素，如何運用先進的生產管理方式來管控產品生產過程，精益生產，降低企業運營成本，提升生產競爭力，是生產型企業生存擴張的必經之路[1-3]。

1 FMEA工具

FMEA是一種通過對潛在的失效模式進行分析，識別失效風險并提出降低風險的實用系統分析和風險評估工具，該方法被廣泛應用于生產型企業的產品設計和生產過程開發[4-5]。FMEA一般可分為三類：S-FMEA（體系 FMEA），D-FMEA（設計 FMEA ）及本文中應用的P-FMEA，即過程FMEA。

2 顯示器制造過程的現狀分析

車載液晶型顯示器，是目前主流顯示器的一個特殊應用分支，由于應用場景的特殊性，市場上常見的顯示器尺寸在6.1寸至12寸之間，具體的選型主要受所搭配車型的車體空間、車型及車體價格所限。車載液晶型顯示器，雖然是新興產業，但是生產鏈已經比較成熟，其工作原理及生產加工流程，與液晶電視等顯示器基本一致。功能及結構的主要差別，在于車載顯示器通常聯通一片觸摸板，實現觸控功能。另外，相對于消費電子領域的液晶顯示屏，車載顯示器由于需要使用于汽車車體內，車體空間相對狹小，車體運行過程中有較為劇烈的震動，其產品結構和使用環境相對于消費電子領域用顯示屏就復雜的多，如沙漠、海邊、戶外、高溫低溫等嚴苛的環境。

由于車載顯示屏產品使用環境復雜和選型受到車體空間等限制，導致車載顯示器結構要求高，并且對使用壽命、震動沖擊耐受性、高低溫耐候性等可靠性性能也要求更高。簡單來講，相對于消費電子領域的液晶顯示屏，車載顯示器需要更高的質量可靠性。

本文應用 FMEA工具方法對車載顯示器貼合氣泡進行研究，找出其影響因子，針對關鍵因子采取改善措施并進行過程控制，以達到提升產品質量的目的[6-7]。

2.1 車載顯示器結構組成

車載液晶型顯示器，依據結構，主要有四個關鍵元部件組成，如圖1所示。按照加工工藝難度高低進行介紹如下：

圖1 車載顯示器結構

首先，是有著精密 TFT 電路結構的顯示面板（Panel）。Panel是由分別鍍有TFT電路和CF彩色濾光片的上下兩層玻璃，中間利用 ODF技術進行液晶注入后成盒的產品，其本身不具備發光性能，但是可以控制具體像素的偏轉行為及其色彩顯示。Panel屬于產業鏈中的核心部件，此部件為自主開發及生產，擁有穩定的生產加工產線。

其次，是在整個產品背部為整個產品提供顯示用發光源的背光源（BLU）。BLU是由多層膜結構按一定的順序搭配堆疊而成，該產業鏈目前已經非常成熟，此部件采用外包的形式，由相關供應商進行設計及生產后直接交付整體組件。

第三，是為整個組件提供信號的驅動電路控制版（PCB）。PCB會與汽車上的控制主機進行數據通訊，控制具體的輸入輸出指令。

第四，是按偏振性垂直的關系分別貼附在Panel上下兩側的兩張偏光片。這兩張偏光片的結構通常是對側設計，必須搭配使用，才能配合其他三個部件一同形成完整的數據及色彩輸出功能。

其生產加工流程主要通過軟貼硬、硬貼硬等組裝工藝，將不同的關鍵元器件進行連結，經由功能測試、加溫加壓脫泡等工藝，得到結構性能穩定的產品。

2.2 改善前的績效水平

改善專案小組對相關不良信息進行追蹤統計，（見表1）并對2019年4月到2019年9月兩個季度的數據進行了深入分析，在這個生產統計周期內，產品整體不良率較高，整體不良率在0.3%～0.7% 之間波動，平均不良率為0.42%，單項不良項目波動差異較小。貼合氣泡不良穩居TOP1（見圖2），占總不良率34%，單項不良率為0.18%。

表1 內部不良率統計表

圖2 產品表面外觀氣泡

為了進一步提高生產效益，保持領先優勢。依據調研結果及管理層要求，設定如下的改善目標：將貼合氣泡的缺陷率從目前的0.18%降低至0.05%。

3 貼合氣泡影響因子的分析

對于顯示器可靠性測試后貼合氣泡的問題，P-FMEA文件中識別了過程風險因素，主要包括：

（1） 人員（Man）；

（2） 材料特性（Material）；

（3） 設備制程參數（Process）；

（4） 作業環境（EQ）。

按上述四個方面進行了頭腦風暴，并運用魚骨圖進行了分類整理，如圖3所示。

圖3 可靠性貼合氣泡要因圖

對識別的因子進一步進行了分析，建立了如表2所示的因子矩陣。

表2 因子矩陣表

3.1 潛在因子的驗證

1）H-1

經過間隔2個班次的觀察（共計280個周轉單元產品）確認檢測人員嚴格地遵守了作業指導書的要求，不會對產品氣泡產生影響。

2）H-2

依據產品測試需求，對實驗室測試爐的實際溫濕度曲線與作業指導書中要求的曲線進行了調取和確認，排查了65/90 、85/85及TC 各3臺測試爐。對比確認結果顯示，可靠性測試箱體的實際溫濕度曲線基本保持一致，差異均在規格番位內，且滿足于作業指導書要求，故對此因子予以排除，認為可靠性爐溫設置正確。

3）H-3

PSA的關鍵參數主要包含物理特性和耐候性兩大類別，其中黏著力和內聚力分別表征了PSA對內外部材料的粘著聚合能力，是原物料在入料時需要進行抽檢監控的關鍵參數；高低溫、冷熱沖擊及高溫高濕等參數，是以模擬測試到的表征材料耐環境氣候變化的能力，在來料時無法通過測試數據進行確認，一般通過檢測供應商的ORT測試數據進行追蹤確認。本課題在研究時，調取了20個批次物料入料抽檢時的關鍵參數：粘著力和內聚力，進行這兩個關鍵參數分布的對比和評估，數據顯示，這 20批次物料的兩項關鍵參數分布均衡穩定，無異常批次，評估認為此因子均滿足規格，在正常波動范圍內，不是對車載顯示器產生貼合氣泡的關鍵因子，故排除此因子對可靠性后貼合氣泡產生的影響，保持目前品質監控方式，暫不進行深入研究。

4）H-4

經過沖切裁剪之后PSA的厚度均勻性，對于貼合氣泡也有顯著影響，如果PSA的厚度均勻性比較差，會導致在貼合的過程中，出現壓貼不均勻，再經脫泡爐加壓加溫脫泡后，可以短暫的保持粘結力。這個階段，不會出現氣泡等問題，但是由于厚度均勻性的差異，導致PSA與Panel之間有應力留存持續累積，經過長時間使用后，會出現反彈，表現在產品上就成為貼合氣泡。

5）H-5

如果Panel表面清潔問題發生在與OCR貼合的層面清潔度差的位置，在貼合及加壓工藝后，內部的氣泡會被排出，但是經過高溫高濕等可靠性測試后，會出現反彈，形成可靠性測試的氣泡，這種不良由于滯后發生，在工廠內部難以攔截，容易流入客戶端，影響客戶體驗。車載顯示器的生產組裝都是在無塵車間內完成，環境清潔等級已經非常高，在此基礎上繼續改善環境內的灰塵等異物的難度較高，也是業內持續改善的部分，短期內難以得到顯著提升。為了降低不良率，達成客戶質量目標，需要從設備清潔等其他方面著手研究和改進。

3.2 關鍵影響因子的確定

通過對H-1至H-5的潛在原因的分析和驗證得出，其中H-4（PSA厚度均一性）及H-5（顯示板表面清潔度）兩項為影響顯示器貼合氣泡的關鍵因素。

4 關鍵影響因子改善

4.1 PSA厚度均勻性改善

PSA的厚度均勻性，是影響貼合氣泡的因素之一。但由于物料為外購物料，不受廠內工藝制程影響，對策為增加 IQC監控，建議將此參數增加到PSA入料時的抽檢指標進行監控，并按AQL0.4的標準進行管控。

4.2 顯示板表面清潔度改善

基于對不良品的分析，貼合氣泡的產生主要發生OCR（光學透明膠）與Panel（顯示面板）貼合面，及Panel與偏光片的貼合面之間，故將這兩個貼合制程作為關鍵制程進行深入調研和改善。

在現行工藝流程中（如圖 4所示），OCR（光學透明膠）與Panel貼合面，及Panel與偏光片的貼合時，是在表面保護膜撕膜之后直接進行作業，沒有特別的清潔及防護。主要考量是有保護膜的覆蓋，Panel表面清潔度仍可保持來料時的狀態，理論上可以滿足潔凈度需求。但是，經深入該工藝流程段產線進行particle數量采集及對比后，發現這一段工藝流程中，Panel表面清潔度與項目評估的預期有差異，清潔程度下降。對異物進行采樣分析，發現主要成分為設備及環境中的落塵異物，是在撕膜之后經靜電吸附原理，吸附在產品表面，貼合過程中直接被粘合在關鍵界面之間。

圖4 車載顯示器關鍵貼合工藝流程（改善前）

針對這一問題，改善小組首先要求現場對貼合設備進行每班開班前的定期清潔，并加入到開班點檢表中進行管控，確保實施到位。同時，對表面清潔的改善對策，進行了深入研討，認為必須要在制程中增加額外的清潔動作，來保證各關鍵貼合面的高度清潔。因設備空間的限制，如果增加水洗等清潔制程，會嚴重影響產線及設備的布局，且改善工期長所需費用較高，在現行生產線上不適用，需要評估其他清潔方式。

通過分析可以發現，目前需要清潔的界面材質及形態上有所不同，分別是硬質的玻璃材質 Panel表面及較軟的偏光片表面的有機膜層。這兩種材質表面都有保護膜貼附，在撕膜的過程中，會產生一定程度的靜電，吸附環境中的小微粒在材料表面。故需要尋找和評估同時適用于這兩種材質的清潔方式和設備，配合對撕膜過程中的靜電管控，來達到清潔的目的[8]。

經與設備廠商的反復檢討，認為等離子處理可以同時滿足兩種材料的清潔，通過參數調整降低不良影響（如圖5所示）。

圖5 等離子處理示意圖

依據工作原理及適用的場景，直接接觸式的Corona放電Plasma等離子處理，可以實現3mm內均勻的、全面的絕緣體，且不需額外提供Gas也能工作，且處理效果較好，適用于本案例。改善課題小組將對比方案提交給項目部，建議在關鍵貼合工藝制程段引入Corona 放電Plasma，此方案得到了公司領導的支持和審批通過，通過設備改造，增加到關鍵制程工藝中。

為進一步加強清潔效果，避免離子聚集影響產品品質，增加靜電消除器與等離子發生器配合使用。在選擇靜電消除器時，需要同時兼顧設備空間，設備能耗及消除靜電的效果。綜合調研市場上的各靜電消除器的性能，比較發現傳統靜電消除器如需發揮靜電消除性能必須要有大量的空氣流量。 SJ-E系列的靜電消除針由于采用了超微縮結構，可以以超小流量實現了超強靜電消除。

根據綜合評估后，公司決定引入基恩士的SJ-E系列靜電消除器，其示意圖及工作原理如圖6所示。

圖6 靜電消除器

專案改善課題小組與設備供應商、現場生產工程師一起進行改善方案檢討，最終對生產流程進行改進和優化，分別在偏光片貼附工序、OCR貼附工序及BLU貼附工序之前，增加貼合面的清潔動作：離子風機配合Plasma。改善后的生產工藝流程如圖7所示，灰色部分即為優化的工藝。

圖7 車載顯示器關鍵貼合工藝流程（改善后）

5 改善控制及結果

在2019年11月完成等離子處理設備的投入使用，對貼合工藝進行優化之后，貼合氣泡等問題得到解決，不良率控制在目標水平以內。貼合氣泡的不良率的趨勢圖如圖8所示。

圖8 趨勢圖-貼合氣泡不良

本課題對過程控制文件進行了更新，包括FMEA、過程流程圖、工程A表、控制計劃、作業指導書，以及設備作業程序設置，比較了先進企業在控制階段的做法，對過程控制進行了標準化。

對PSA的厚度均勻性建立了SPC的控制，由于PSA的厚度均勻性測試為破壞性試驗，本課題設定每2小時進行一件產品的測量，并運I-MR控制圖進行控制，如圖9所示。

圖9 控制圖-PSA的厚度均勻性

通過這系列的改善措施，對于貼合氣泡不良比率由改進之前的0.183%降低到0ppm，大大提高了客戶滿意度及公司在業界內的競爭地位；通過財務核算，本項改善累計產生了600多萬元的年度財務收益。

6 結語

本次改善雖然基本達到了預期的目標，滿足了客戶的要求，但是仍然還有很多不足的地方需要改善。今后，如何運用FEMA來設計一條穩健的制造流程，并進行推廣與持續改進是需要繼續研究和前進的方向[9]。通過此改善，對工業工程的工具和方法應用到實踐中有了更深刻的理解。相信利用這些掌握的經驗和知識，有助于推進企業持續改善質量，幫助企業減少成本，提升競爭力。