儀表液晶顯示器的加固設計

周 旭，陳 晨

(1.南通大學杏林學院，江蘇 南通 226019；2.廈門大學信息學院,福建 廈門 361005)

0 引言

儀表液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)通常安裝在系統儀表板上，為操作者顯示相關參數和各種攝像圖像，例如各路信號的切換顯示、多路信號的疊加顯示等。其中，某些車載、機載、艦載、礦井、軍用、航天等儀表液晶顯示器，經常工作在各種嚴酷環境中，例如高溫、低溫、潮濕、淋雨、鹽霧、沙塵、振動沖擊、強烈陽光、低氣壓、真空、輻照以及電磁干擾等[1-3]。

針對上述環境，目前的儀表液晶顯示器很少能做到協同設計。例如，要達到好的屏蔽效果，就要犧牲亮度；要達到好的加熱效果，就必須增加功耗等[4]。為了實現儀表液晶顯示器低功耗、重量輕、體積小、環境適應性好、安全、可靠性高的設計目標，本文從結構與工藝兩個方面對儀表液晶顯示器進行多環境下的協同設計。

1 總體設計

某款儀表液晶顯示器結構如圖1所示。其零部件之間使用螺釘和結構膠進行連接。高度模塊化設計不但使其結構緊湊，而且具備良好的維修性。外殼材料采用鋁2A12，具有極好的強度和導熱性能，表面噴涂天津油漆廠燈塔牌聚氨脂清漆S01-3。

圖1 儀表液晶顯示器結構

1.1 三防設計

液晶顯示器在使用時受濕度影響較大。尤其是當器件的密封性被破壞時，空氣中的水汽和氧氣進入器件內部，使金屬電極發生氧化或使有機層發生水解等。研究表明：密封性破壞后，空氣中的水汽和氧氣可在數小時內降低，甚至直接破壞顯示器的發光性能[5]。

因此，在設計時優選密封性能好的陶瓷芯片，在個別塑封器件表面噴涂有機/無機雙層防潮膜。對印刷電路板組件(printed circuit board assembly,PCBA)涂敷三防漆。整機安裝時涂密封膠。

1.2 隔振緩沖設計

圖1中，液晶模塊及視頻控制板均采用四邊固定安裝。因此，其固有頻率的計算式為[6]：

(1)

式中：ST為模塊或控制板的剛性系數；P為單位面積的動量；L、B分別為長和寬。

由此可見：增大模塊或控制板的剛性，可以提升ST，從而提高其固有頻率F0。在設計產品時，考慮到安全裕度，F0的取值不小于環境振動頻率的2倍，從而避免諧振的發生。

1.2.1 印制電路板及元器件的加固

液晶顯示器的印制電路板(printed circuit board,PCB)主要包括電源板、主控板等。在對印制電路板進行加固時，可采用在印制電路板中間加導柱、增加固定點等方式，使印制電路板的固有頻率進一步提升，進而提高抗振動沖擊能力。同時，采用膠體材料對印制電路板上易損元器件作固定處理。通過整機加固，對振動、沖擊應力進行吸收、緩解，盡可能減小或吸收作用于各模塊的應力。

1.2.2 液晶顯示屏的隔振加固

液晶顯示屏的隔振加固是將顯示基板與前后鋼化玻璃綁定在一起[7]，極大地提高其剛性，從而遠離諧振頻率，避免共振損壞。液晶顯示屏的四周用金屬外框支撐固定，中間安裝硅橡膠條作為減震器，并填充柔性有機密封膠。

1.3 寬溫設計

1.3.1 低溫加熱

加熱玻璃通過綁定技術與液晶基板緊密貼合，位置在液晶屏內部，熱耗散減小，加熱效果明顯[8]。該設計的重點是縮短了加熱時間，減小了加熱功耗，從而提升了整機可靠性。

1.3.2 散熱設計

考慮到航空儀表液晶顯示器往往處于低氣壓環境，而航天器、空間站儀表顯示器則處于真空環境，不宜應用風冷散熱[9]，因此顯示器中的主要發熱元器件全部采用傳導散熱。在設計時，將液晶模塊和電氣模塊的主要熱源分別緊貼于金屬結構件，使金屬結構件連接成一個導熱良好的整體，最終通過金屬的熱容及輻射進行散熱。

1.4 電磁兼容性設計

顯示窗口安裝屏蔽玻璃。顯示器殼體全部采用鋁合金密封方式設計，接縫處全部搭接，涂抹導電密封膠并噴涂導電三防漆DJB-823。全封閉的金屬外殼能有效屏蔽和吸收顯示器內DC-DC電源模塊、高頻集成電路、晶振等產生的電磁干擾，同時也能很好地屏蔽外界電磁輻射對顯示器內部敏感器件和信號的干擾。

1.5 安全性設計

顯示器采用了防爆設計，在LCD最外面綁定一塊鍍有減反射膜的鋼化玻璃(相對普通玻璃強度可增加6～8倍)進行層疊加固。該設計能保證在特殊情況下即使玻璃和液晶屏破裂，減反射膜也能將液晶屏破裂后的碎片固定，不會造成碎片飛濺到空間中而危害操作員身體。

①電源采用了雙熔斷器加限流電阻的過流保護。該設計能保證在特殊情況下，一旦設備出現故障，熔斷器隨即將設備與一級電源斷開，不會影響其他儀器設備的正常工作。

②顯示器金屬外殼部分搭接構成良導體，不會造成靜電電荷累積。

③產品為(27±3)V供電，內部電路為降壓供電，所有操作按鍵均采用絕緣鍵帽。產品的表面以及操作員接觸到的部分均進行了拋光和陽極氧化處理，無棱角和毛刺。

④所使用的原材料均為無毒、阻燃材料。

2 關鍵模塊設計

2.1 液晶模塊設計

采用真空氣相沉積工藝，在2.3 mm鋼化玻璃的某一面覆蓋一層具有電磁屏蔽功能的氧化銦硒(indium-tin oxides，ITO)。該致密導電膜透過率高、無光學畸變。然后在玻璃四周鍍銀邊，形成屏蔽加固玻璃。石墨烯價格便宜，也具有同樣性能，但當暴露于紫外輻射下會發生降解。

傳統加固顯示器采用高亮屏實現強光下可讀，導致功耗很大。最佳方法是降低顯示模塊的反射率；在上述加固玻璃的另一面，采用溶膠-凝膠化學鍍膜法，形成8層結構的減反射膜，以達到既增透又防眩的效果。經測試，該方法的表面反射率小于0.5%，強光對比度達到6∶1(100 000 lx 照度)，有效提高了強光下的可視效果。

傳統的后天加固方式不改變內部結構，液晶基板單薄，各層膜之間僅靠擠壓固定，所以在嚴酷振動條件下，無法避免液晶屏內部基板的自身抖動與各層膜之間的移位、摩擦，極易導致破損、開路。為了提高液晶模塊的剛性，同時考慮到真空環境對液晶顯示器密封器件的影響，在10萬級防靜電潔凈室內，首先在玻璃上印刷一層300 μm的光學雙組份硅膠，然后壓合液晶屏并固化，從而形成一個單獨的綁定加固模塊，可防止在嚴酷環境中變形或破裂。用作副面板的金屬面框內側，四周用鍍銅導電硅橡膠條隔離減振。上述加固塊與驅動板、電源板、驅動線纜、驅動板屏蔽蓋一起安裝于金屬圍框內。后面以加固背框，在4個角上用柱頭螺釘進行固定。背框內表面用雙面膠帶3M-9731粘貼1 mm厚的導電橡膠板。

2.2 背光模塊設計

背光源選用白光LED[10-11]。其驅動電壓低，在低氣壓和真空下可正常工作，光源穩定。LED為非玻璃材料，可承受高強度的振動和沖擊，可靠性高，使用壽命長。白光LED體積小，采用側裝式可以減少整機的厚度，節省空間。透過擴散膜、增亮膜、棱鏡膜、色溫補償膜后，背光源的亮度為24 000 cd/m2。

3 關鍵裝配工藝設計

3.1 PCBA敷形涂覆

將調試合格后的各類PCBA的焊點、元器件及印刷電路板與外界的腐蝕因素隔離開，使之不受外界因素的腐蝕、侵蝕，從而提高單機產品的防潮、防霉和防鹽霧能力。這也能對元器件、焊點起加固作用，并對PCBA中可能殘存、但沒起破壞作用的微細多余物起固定作用。其操作步驟依次為：準備、清洗、保護、預烘、涂料配置、涂覆、烘干、清理、檢驗及轉序。

表面敷形涂覆材料選用道康寧DC1-2577。該有機硅樹脂三防漆有彈性，耐濕熱性能好，能耐高溫200 ℃、低溫-60 ℃。噴涂前，用3M-2214膠帶紙與鑷子配合，對電氣連接部位進行保護。選用噴嘴直徑為1～1.5 mm的噴槍，涂層厚度控制在20～30 μm。

3.2 液晶模塊裝配工藝

撕去液晶模塊金屬面框上雙面膠的透明保護膜，安裝至前面框(注意：液晶屏的有效顯示區必須處于前面板顯示窗口的居中位置，前面板各邊不得遮擋液晶屏的有效顯示區)。操作時，注意液晶屏的安裝方向；LED背光燈的安裝槽為液晶屏的上邊，安裝時與前面板的上邊在同一方向。

在液晶屏金屬側外框與前面框之間用703硅橡膠條密封,將液晶模塊與面框粘固起來，室溫固化時間約24 h。

3.3 視頻控制板安裝

將連接線纜按照設計要求焊接至視頻控制板。在PCB固定板的散熱塊上涂抹一層導熱硅脂，并清除機殼內的多余物，如膠渣、線頭，多余硅脂等，保證機殼內部的清潔。將焊接有線纜的視頻控制板安裝在PCB上，并用螺釘固定。

4 結論

隨著國家間的技術封鎖加劇，高環境適應性儀表顯示器的自主研發顯得十分重要。本加固顯示器集抗振動、抗沖擊、防潮濕、防霉菌、防鹽霧、防眩增透、低溫工作、超低氣壓工作、電磁屏蔽等多種功能于一體。整機試驗過程按照GJB 1032等一系列國標、軍標的要求進行。其結果驗證了顯示器設計及工藝方案的有效性：圖像清晰不抖動，輸出的圖像穩定，在低溫環境下加熱可靠、高效，高溫下不死機、不出現黃斑，強光下可視不炫目，低可見光夜視兼容。該設計達到了預期效果，可用于多種因素并存的極端嚴酷環境，例如野外、航空航天甚至空間站。