液晶面板封框膠斷裂強(qiáng)度的預(yù)測模型和性能增強(qiáng)

程再軍，張 旭,，顏華生，李愿愿,，王建明，傘海生

(1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建廈門361024；2.廈門天馬微電子有限公司消費(fèi)品質(zhì)量部，福建廈門361101；3.廈門大學(xué)薩本棟微納米科學(xué)技術(shù)研究院，福建廈門361005)

膠接結(jié)構(gòu)因能提高連接效率而越來越多地應(yīng)用到各個領(lǐng)域的設(shè)計中[1-4].隨著技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的尺寸越來越小，封裝越來越輕薄.有研究[5-6]表明：當(dāng)產(chǎn)品受到外界高溫環(huán)境或者載荷時，經(jīng)常會發(fā)生界面剝離破壞.因此，膠接結(jié)構(gòu)的黏合強(qiáng)度研究在電子產(chǎn)品的質(zhì)量評價及產(chǎn)品設(shè)計中占有越來越重要的地位.

液晶面板作為電子產(chǎn)品的重要顯示結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的薄膜晶體管玻璃基板和彩色濾光片玻璃基板依靠封框膠進(jìn)行連接而形成膠接結(jié)構(gòu)，并防止液晶泄露，以及雜質(zhì)與液晶接觸而造成的液晶污染[7-8].因此，封框膠的斷裂強(qiáng)度在很大程度上決定著液晶面板的顯示質(zhì)量.經(jīng)分析，影響封框膠斷裂強(qiáng)度的因素主要有材料自身特性[9-11]、膠層厚度、界面端結(jié)合角等，其中，斷裂強(qiáng)度隨著封框膠膠層厚度的增大而減小[12-14].同時，在對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理總結(jié)時發(fā)現(xiàn)，針對封框膠斷裂強(qiáng)度測試位置及其材料力學(xué)特性的相關(guān)理論研究比較缺乏.所以，驗證測試位置及材料特性對封框膠斷裂強(qiáng)度的影響成為了可靠性評價工程中需要解決的重要問題之一.

為此，本文通過對封框膠及應(yīng)用于液晶面板的封框膠進(jìn)行拉伸實驗，得到封框膠的斷裂強(qiáng)度.基于臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子界面端應(yīng)力模型和回歸分析，計算出封框膠膠接結(jié)構(gòu)的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，分別推導(dǎo)了不考慮膠層缺陷和殘余應(yīng)變影響下的封框膠及液晶面板封框膠的斷裂強(qiáng)度預(yù)測模型.并對比預(yù)測模型計算結(jié)果和測試結(jié)果，驗證預(yù)測模型的可靠性；最后分析材料參數(shù)、界面端結(jié)合角、膠接表面處理與斷裂強(qiáng)度的關(guān)系，為工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo).

1 封框膠斷裂性能測試

實驗采用某公司已量產(chǎn)的液晶面板.由于液晶面板尺寸較小，無法直接施加載荷.因此設(shè)計一種黏結(jié)力大于封框膠的方型膠帶(簡稱方膠)，邊長為19 mm，厚度為3.8 mm，將其黏貼在液晶面板需測試的位置.實驗前，將液晶面板的表面用無塵布擦拭，去除表面雜質(zhì)，然后將方膠黏貼在樣品上并靜置48 h，保證方膠能夠完全牢固貼合，防止實驗脫落.實驗設(shè)備采用萬能材料實驗機(jī)(島津，AG-X plus 5 kN，1 N～4 800 N/980 N)，加載速率為10 mm/min.實驗中為確保數(shù)據(jù)有效性，每個實驗均測試20個樣品.

1.1 封框膠單軸拉伸實驗

1.1.1 實驗準(zhǔn)備

為保證封框膠拉伸實驗僅在封框膠的作用下進(jìn)行，實驗前排凈液晶面板內(nèi)部的液晶以消除液晶吸附力，僅測量玻璃基板拉開時所需要的斷裂拉力.為保證實驗準(zhǔn)確性，分別對液晶面板的直邊和直角兩個位置進(jìn)行測試，測試位置如圖1所示，插圖為方膠下對應(yīng)內(nèi)部封框膠的涂布情況.

圖1 封框膠單軸拉伸實驗測試點(diǎn)位圖Fig.1Test site of sealant in uniaxial tensile test

1.1.2 結(jié)果分析

圖2 封框膠單軸拉伸實驗的載荷位移曲線Fig.2Load-displacement curve of sealant in uniaxial tensile test

圖3 封框膠單軸拉伸實驗及結(jié)果Fig.3Uniaxial tensile test and results of sealant

圖2為單個樣品測試的載荷-位移曲線圖.曲線顯示拉力值均隨位移的增加近似呈線性增長，說明斷裂前的拉伸狀態(tài)可以理想化成一個線彈性體，其應(yīng)力與應(yīng)變也呈線性關(guān)系.到達(dá)曲線最高點(diǎn)時，封框膠斷裂失效，曲線開始下降.

圖3為測試樣品及數(shù)據(jù)圖.如圖3(a)和(b)所示，液晶面板測試前為黏合狀態(tài)，測試后呈現(xiàn)“Y”字形，說明液晶面板被分離，封框膠斷裂.從圖3(c)和(d)可看出，直邊和直角的斷裂拉力分別為50和85 N.根據(jù)涂布封框膠時，監(jiān)控得到的封框膠斷面面積和液晶面板盒厚的工藝參數(shù)，計算出封框膠寬度，乘以涂布長度后得到封框膠與玻璃基板的接觸面積.直邊和直角位置的封框膠與玻璃基板接觸面積分別約為9.5和17 mm2.經(jīng)計算，斷裂強(qiáng)度分別約為5.26和5 MPa.對比兩種測試結(jié)果，同樣的涂布條件，直角位置的斷裂拉力大于直邊，但斷裂強(qiáng)度與直邊近似相等.結(jié)果說明，在材料及膜層厚度一定的情況下，測試位置會對斷裂拉力產(chǎn)生影響，但是與斷裂強(qiáng)度無關(guān).

1.2 液晶面板拉伸實驗

1.2.1 實驗準(zhǔn)備

液晶面板拉伸實驗是在封框膠與其他未知干擾因素共同存在的情況下，即對完整的液晶面板不做任何特殊處理，測量封框膠失效所需要的斷裂拉力.按如圖4所示的4個位置(直邊：D1，D2；直角：R1，R2)對液晶面板進(jìn)行拉伸測試.測試時，樣品通過輔助夾具固定在設(shè)備上，未固定的另一側(cè)下方放置一個泡棉用來支撐，防止樣品因重心偏移出現(xiàn)破裂.

1.2.2 實驗結(jié)果

圖5為樣品失效圖和測試結(jié)果圖.圖5(a)和(b)為直邊和直角樣品失效圖，當(dāng)達(dá)到液晶面板封框膠斷裂臨界值時，封框膠失效，玻璃基板分離.圖5(c)和(d)

圖4 液晶面板拉伸實驗測試點(diǎn)位Fig.4Test site of liquid crystal panel in uniaxial tensile test

為直邊和直角樣品測試結(jié)果.玻璃基板拉開瞬間，直邊和直角的斷裂拉力分別約為90和200 N，斷裂強(qiáng)度分別約為10和12 MPa.直角的斷裂拉力約為直邊樣品的兩倍，但斷裂強(qiáng)度近似相等.可以看出，與僅有封框膠的測試結(jié)果相比，存在其他干擾因素的液晶面板，斷裂強(qiáng)度增大了近一倍，且干擾因素對直角位置斷裂強(qiáng)度的影響略大于直邊.

圖5 液晶面板拉伸實驗及結(jié)果Fig.5Tensile test and results of liquid crystal panel

2 力學(xué)模型分析

2.1 液晶面板力學(xué)模型

圖6 液晶面板二維模型圖Fig.6Two-dimensional model of liquid crystal panel

根據(jù)界面端應(yīng)力分布規(guī)律，液晶面板受到拉力作用時，界面端會出現(xiàn)奇異應(yīng)力σy,無切應(yīng)力產(chǎn)生，即τxy=0.該應(yīng)力隨其距界面端點(diǎn)O的距離r而變化，關(guān)系式如下[15-16]：

(1)

其中，Kσ表示應(yīng)力強(qiáng)度因子，λ表示應(yīng)力或位移分布的主要特征，只與界面端附近幾何形狀和黏結(jié)材料的參數(shù)有關(guān)，稱為界面端特征值.

2.2 異種材料界面端理論模型

液晶面板的上下層玻璃依靠封框膠連接，存在異種材料界面端，其失效階段由界面端的奇異應(yīng)力導(dǎo)致.當(dāng)封框膠所受外力達(dá)到斷裂臨界值時，界面會出現(xiàn)裂紋，最終導(dǎo)致封框膠與玻璃基板的連接界面剝離破壞.異種材料界面端的一般模型如圖7所示[17]，圖中θ1、θ2分別為材料一和材料二的邊緣角.

圖7 異種材料界面端模型Fig.7An interface edge model of different materials

根據(jù)液晶面板界面端應(yīng)力分布，采用復(fù)變應(yīng)力函數(shù)對界面附近的應(yīng)力或位移進(jìn)行分析.設(shè)模型中Goutsat復(fù)變應(yīng)力函數(shù)和極坐標(biāo)應(yīng)力函數(shù)如下式[18-19]：

(2)

(3)

式中：θ指r與x軸的夾角；z=reiθ；φj、ψj分別為材料j的復(fù)變應(yīng)力和極坐標(biāo)應(yīng)力的解析函數(shù)，式(3)中其一階和二階導(dǎo)僅對r求導(dǎo)；Aj、Bj、Cj、Dj分別為材料j的待定系數(shù)；G為剪切模量；κ為材料常數(shù)；ur、vθ分別為徑向和環(huán)向位移；τrθ為切應(yīng)力.

根據(jù)工程實際，已知液晶面板界面端的θ1=θ2=π/2,θ=0,可以得到界面連續(xù)條件和自由邊界條件：

ur1=ur2,vθ1=vθ2,σθ1=σθ2=0,τrθ1=τrθ2=0.

(4)

聯(lián)立式(2)～(4)，可以得到以下線性方程組：

(5)

其中，Γ為材料一和材料二的剪切模量之比，即Γ=G1/G2.將式(5)轉(zhuǎn)換成齊次方程組，對其進(jìn)行求解，得到該方程組的特征方程如下[17-18]：

(6)

其中,α、β為Dundurs材料復(fù)合系數(shù)[20]，也稱異材(雙材料)參數(shù).它描述了復(fù)合材料界面上兩種材料相互約束的關(guān)系，被廣泛地用來描述結(jié)合材料的彈性特性，根據(jù)其與剪切模量和泊松比ν的關(guān)系，可用于選擇合適的材料組合以增加結(jié)合材料的強(qiáng)度，表達(dá)式如下：

(7)

(8)

特征方程中，λ解的范圍為(0, 1)，當(dāng)α(α-2β)>0時，在外載荷作用下，界面端存在奇異應(yīng)力場σy.斷裂力學(xué)中，界面端的無量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子Fσ的表達(dá)式為[21]：

(9)

其中，Kσ為應(yīng)力強(qiáng)度因子，σy(r)為距離界面端點(diǎn)r處的應(yīng)力.由于界面端應(yīng)力存在奇異性，有限元數(shù)值模擬得到的應(yīng)力值σ′y會隨著網(wǎng)格尺寸的細(xì)化而改變，即σ′y≠σy(r).因此，F(xiàn)σ不能直接用σ′y來計算.

2.3 無量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子的計算

(10)

2.4 封框膠斷裂強(qiáng)度預(yù)測模型

由斷裂力學(xué)理論可知，臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kσ c、無量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子Fσ和斷裂強(qiáng)度σc存在如下關(guān)系[21-23]：

Kσ c=FσσcW1-λ.

(11)

將已知的材料參數(shù)帶入式(6)～ (8)，求出特征值λ,再將其帶入式(11)中，便可計算出膠接結(jié)構(gòu)的臨界強(qiáng)度因子Kσ c,而且不同膠層厚度膠接結(jié)構(gòu)的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子幾乎恒定不變.因此，可把已知厚度求得的Kσ c看成其他膠層厚度的Kσ c[21-23],進(jìn)而得到其他膜層厚度的斷裂強(qiáng)度.

根據(jù)上述方法，假設(shè)封框膠為不存在缺陷和殘余應(yīng)變的均勻材料，長寬比滿足L/W≥1,此時無量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子Fσ的數(shù)值大小僅與材料復(fù)合系數(shù)α和β有關(guān).將玻璃基板和封框膠的材料參數(shù)代入式(6)～(8)，可以求出具體材料屬性,如表1所示.

表1 材料屬性

(12)

2.5 液晶面板封框膠斷裂強(qiáng)度預(yù)測模型

應(yīng)用于液晶面板封框膠的斷裂強(qiáng)度除了封框膠的作用，還會受到其他干擾因素影響，例如液晶吸附力、破真空力等，同時理論和實驗存在一定誤差.把封框膠斷裂強(qiáng)度和液晶面板封框膠斷裂強(qiáng)度之間的關(guān)系看成一系列的數(shù)據(jù)對[(σc1,σp1),(σc2,σp2)…(σcm,σpm)]，即σc為封框膠的斷裂強(qiáng)度，σp為應(yīng)用于液晶面板封框膠的斷裂強(qiáng)度，令方程的初始表達(dá)式為

(13)

(14)

2.6 模型驗證

將式(14)中由預(yù)測模型得到的理論預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，誤差如圖8所示.

注：誤差=(實驗值-預(yù)測值)/實驗值×100%.圖8 預(yù)測誤差對比分析Fig.8 Comparison of predictive errors

圖8為不同測試位置對應(yīng)的模型預(yù)測誤差對比分析曲線.可以看出，D1和D2位置，預(yù)測值比測試值偏低；R1和R2位置，預(yù)測值比測試值偏高.總體誤差范圍均控制在±20%以內(nèi)，大部分誤差控制在15%以內(nèi)，最小誤差僅0.33%，說明預(yù)測模型具有較高的準(zhǔn)確性.而且，本文中的預(yù)測模型是基于不存在缺陷和殘余應(yīng)變的理想膠層.實際材料存在的缺陷、破壞機(jī)理及模型不同均可能會影響到預(yù)測精度.

3 封框膠斷裂強(qiáng)度的改善

現(xiàn)有產(chǎn)品的改善和新產(chǎn)品的研發(fā)過程中，質(zhì)量提升是整個顯示行業(yè)不斷努力的方向.根據(jù)上述斷裂強(qiáng)度預(yù)測模型，可以發(fā)現(xiàn)材料力學(xué)特性及界面端幾何形狀對斷裂強(qiáng)度提升發(fā)揮著重要的作用.因此，可以通過如下方法來提升液晶面板封框膠的斷裂強(qiáng)度.

圖9 特征值λ的影響因素分析Fig.9Analysis of influencing factors of λ

減小界面端應(yīng)力奇異性，即減小奇異性指數(shù)1-λ的值.已知解λ>0，隨著λ的增大，奇異性隨之減小.當(dāng)λ≥1時，意味著界面端不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，即能夠提高界面端的結(jié)合強(qiáng)度.又由式(4)～(8)可知，界面端的奇異性不僅與材料組合有關(guān)，還與界面端的幾何形狀有關(guān).合適的材料組合和界面端形狀，能夠降低界面端奇異性，提高結(jié)合材料的力學(xué)性能，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的.一般來說，界面端幾何形狀對奇異性的影響較為明顯.特征值λ與材料復(fù)合系數(shù)α、β關(guān)系如圖9(a)所示，改變封框膠材料來減小奇異性.若增大λ，則需要減小α或者增大β.圖9(b)為材料復(fù)合系數(shù)α與封框膠彈性模量E的關(guān)系圖，α的值隨著彈性模量E的增大而減小.圖9(c)為材料復(fù)合系數(shù)β與封框膠彈性模量E、泊松比ν的關(guān)系圖，若想增大β，且增大彈性模量E，則需要減小泊松比ν.改變界面端幾何形狀，即改變結(jié)合角.研究表明，若適當(dāng)減小結(jié)合角的角度，能夠增大特征值λ，進(jìn)而提高界面結(jié)合強(qiáng)度[25].

通過相關(guān)技術(shù)盡可能的減少膠層缺陷或者對膠接表面進(jìn)行特殊處理.工程中實際使用的材料表面會存在一定的缺陷或者空洞，又因界面兩側(cè)材料性質(zhì)不同，不可避免的會存在結(jié)合殘余應(yīng)力，其會對界面強(qiáng)度、結(jié)合材料的強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響.因此，對膠接表面進(jìn)行特殊處理增大界面間的結(jié)合力，從而提升界面強(qiáng)度.

4 結(jié) 論

本文針對薄膜晶體管液晶顯示器行業(yè)中液晶面板的封框膠斷裂強(qiáng)度預(yù)測模型進(jìn)行了理論研究.首先，采用單軸拉伸實驗，分別測試了封框膠和應(yīng)用于液晶面板封框膠的斷裂性能，得到了斷裂拉力和斷裂強(qiáng)度.然后，基于異種材料界面端應(yīng)力模型和回歸分析對封框膠進(jìn)行了理論建模，計算了封框膠膠接結(jié)構(gòu)的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，分別推導(dǎo)了不考慮膠層缺陷和殘余應(yīng)變影響下封框膠和應(yīng)用于液晶面板封框膠的斷裂強(qiáng)度預(yù)測模型.將模型預(yù)測結(jié)果與實驗對比，預(yù)測值的最大測試誤差僅在±20%以內(nèi)，驗證了斷裂預(yù)測模型的準(zhǔn)確性及可靠性.最后，提出了增大封框膠斷裂強(qiáng)度的改善意見：選擇彈性模量較小、泊松比較大的封框膠材料；適當(dāng)減小界面端結(jié)合角；對膠接表面進(jìn)行特殊工藝處理.該模型和改善方法為工藝改善和質(zhì)量提升提供理論參考，在工程應(yīng)用上具有較大實用價值.