气囊在平板显示贴附类设备中的应用与研究

胡钦华，郭 鹏，杨成春，王素强

（中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024）



气囊在平板显示贴附类设备中的应用与研究

胡钦华，郭 鹏，杨成春，王素强

（中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024）

摘要：为了在平板显示贴附类设备中实现高质量的硬对硬贴合的要求，设计了一种新型气囊贴附机构，并对气囊贴附方式的关键技术进行了详细的研究，依据坐标变换法以及Hertz接触理论推导气囊施加在上基板工件上的压力分布公式，并在此基础上对气囊贴合产生缺陷的原因进行了深入的分析。在气囊贴合产生缺陷的各种因素中，贴合接触区的压力控制不合理是导致众多贴合缺陷的最为关键的因素。

关键词：气囊贴附；压力分布；平板显示；真空环境

平板显示是信息产业重要的战略性和基础性产业。加快平板显示产业发展对促进产业结构优化调整，实施创新驱动发展战略，推动经济提质、增效、升级具有重要意义。为引导产业健康有序发展，2014年国家发改委和工信部联合制定推出了《2014-2016年新型显示产业创新发展行动计划》，表明了国家对显示面板行业尤其是新型平板显示行业的高度重视。随着显示技术特别是触控技术的发展，带有触控功能的平板显示器在各类电子终端产品中得到了日益广泛的运用。在平板显示器的制造过程中会多次用到贴附技术，如偏光片与基板的贴附、保护膜与基板的贴附、OCA与玻璃基板的贴附、玻璃基板与盖板的贴附以及触控模组与液晶显示模组的贴附。在以上各种贴附工艺中前三者属于软硬贴附，后两者属于硬硬贴附，硬硬贴附的难点是对贴附精度与贴附气泡的控制。传统的平台辊轮式贴附、网版式贴附和直接压合式贴附已不能满足硬硬贴附的要求。近年来基于真空环境下的柔性气囊贴附技术，以其优异的性能得到了广泛的应用。该贴附技术采用柔性气囊作为贴附工具，不仅可以实现软硬贴附亦可实现硬硬贴附，并且具有贴合均匀、气泡可控、对贴附材料损伤小等特点，应用前景非常广阔，值得我们深入研究。

1气囊贴附系统的组成及工作原理

气囊贴附系统一般由5部分组成：腔体贴附机构、气源、真空源、电机及其驱动、控制系统以及控制软件。本文所述的气囊贴附系统是指在平板显示行业贴合制程中，玻璃基板与盖板以及触控模组与液晶显示模组的贴合工艺所使用的气囊贴附系统，该系统的方案如图1所示。

图1　气囊贴附系统示意图

在本系统中，采用工控机作为控制的主体，气源和真空源的通断由电磁阀控制，上腔体的运动由程序控制电机执行。当上、下腔体达到设定的真空值时，释放上腔体真空并注入压缩空气，在空气压力作用下气囊硅胶板向下膨胀变形，膨胀的气囊再驱使上基板下压以实现上、下基板由中间向四周的贴合，如图2所示。在整个贴附过程中，腔体贴附机构是实现高质量贴合的关键，也是本文的研究重点。

图2　气囊贴附原理示意图

2　腔体贴附机构的设计与分析

2.1腔体贴附机构的机械结构

为了实现高质量的硬硬贴合，我们设计了一套腔体贴附机构。该机构分为上下两个腔体，上腔体可通负压或正压，通负压是为了让上、下腔体的压力保持平衡以防止气囊硅胶板膨胀变形；通正压是让气囊膨胀变形以驱动上、下基板的贴合；下腔体只通负压，为贴合提供真空环境；当上、下两个腔体合体时，通过密封圈进行密封，以气囊硅胶板为界形成两个相互独立的腔体。其机构如图3所示。

图3　腔体贴附机构简图

腔体贴附机构在平板显示贴附类设备中的贴合过程如下：

（1）人工或机械手先将下基板置于贴附平台上进行定位，定位完成后再将上基板置于弹性支柱上进行定位。

（2）上腔体在翻转电机的驱动下绕旋转轴逆时针翻转180°，翻转到位后再在z向电机的驱动下沿z轴向下运动，使上、下腔体紧密结合。

（3）上、下腔体同时抽真空，当两腔体真空度达到设定值时，停止抽真空。

（4）上腔体释放真空并注入压缩空气，使气囊膨胀变形，膨胀的气囊迫使上基板微变形，同时弹性支柱在上基板压力作用下向下收缩，随着注入的空气量的增加，上基板与下基板由中心点向四周逐渐贴合在一起。

（5）达到贴合设定的时间后，上腔体在z向电机的驱动下沿z轴向上运动，运动到位后再在翻转电机的驱动下绕旋转轴顺时针翻转180°。

（6）人工或机械手将贴合后的产品取走。

在整个贴附过程中，上、下腔体的真空平衡控制、气囊内部压力及贴合接触区的压力分布是影响贴附成败的关键因素。其中贴合接触区的压力分布是重点亦是难点，需做进一步的分析。

2.2气囊贴附接触区压力分布分析

气囊对贴合接触区的压力是气囊材料本身的弹性变形和气囊充气之后的压力综合作用的结果。充气后的气囊是线弹性系统，可用弹簧模型表达。在不同的内部压力下，气囊的弹性系数k是不同的，气囊在贴合的时候，弹性系数随着气囊内部气压的增加而增加，从而导致贴合接触区所承受的载荷增大。因此，施加在上基板上的力F可以用公式（1）来计算：

式中：k为弹性系数；H为在贴合接触区任意点的气囊压缩。

根据Hertz接触理论，可知接触区内平均压力可用公式（2）表示：

式中：a为椭圆形接触区长半轴的长度；

b为椭圆形接触区短半轴的长度。

由于气囊在膨胀状态下近似为球形，气囊贴合上基板中心截面的几何模型可以简化为图4所示。从图中可以看到，O1点是气囊的球心，O是贴合接触区的中心，O'是圆弧AO'B的中点，a为O1O'和上基板接触区法线夹角，图4中符号表示的含义如表1所示。

图4　气囊贴附几何模型简图

表1　图4中字母所表示的含义

在图4中，假设xyz是几何模型的整体坐标系，xuyuzu和xwywzw为局部坐标系，其中坐标系xuyuzu的坐标原点位于气囊的球心O1，坐标系xwywzw的坐标原点位于上基板和气囊形成的椭圆形接触区的中心O。若要推导气囊贴合接触区的压力分布公式，需在坐标系xuyuzu和坐标系xwywzw之间进行坐标变换，得到如公式（3）和（4）所示的表达式：

将（3）式代入（4）式化简得：

由于气囊与上基板贴合接触区为近似圆形的平面图形，因此：

求解方程组（7），可得上基板和气囊的接触区边界的取值范围：

由公式（8）可知，气囊和上基板的接触区可以视为圆形。

求解公式（5）得到的zw为两个值，分别用 zw1和zw2表示：

根据xwywzw坐标系的方向，所求得zw值应该为：

由于：

因此根据公式（1），气囊所受压力的表达式：

则：

由作用力与反作用力的关系可知，当使用气囊贴合上、下基板时，上基板在贴合接触区任意点所受气囊的压力表达式为：

由于接触区可以视为圆形的接触区，因此平均压力表达式为：

可以求得气囊与上基板贴合接触区内点平均压力分布的表达式：

当xw=0，yw=0时，求得中心点处最大平均压力取值表达式为：

由上面的推导可知：上、下基板贴合时，上基板在中心点处承受的气囊压力最大，在不考虑其他因素对基板贴合影响的情况下，基板中心点处是贴合应力最集中的地方。

3影响气囊贴附质量的因素分析

由气囊贴附系统的组成及在平板显示贴附类设备中的贴合过程可知，产生贴合缺陷的因素来自各个方面，既有机械、电气系统因素，也有软件控制系统因素，归纳起来主要有一下几点：

（1）气囊材质。气囊的材质不同其膨胀系数就不同，在通入相同的空气量后，其膨胀的大小就不同。气囊膨胀的大小决定了贴合接触区的大小，贴合接触区不够大是产生四周贴合气泡的一个主要原因。

（2）上下腔体的真空平衡。在气囊贴附过程中，上下腔体要同时抽真空，两腔体的残留气压要时刻保持平衡，如若不平衡，气囊硅胶板在不同的压力作用下会上下波动，当波动幅度超出一定范围时会产生贴附位置偏差。所以上下腔体在抽真空的同时，需实时检测上下两腔体的残留气压，以确保两腔体的压力平衡。

（3）腔体的真空度。气囊贴合时，下腔体的真空度是产生贴合气泡的主要原因之一。腔体的真空度由真空源和腔体的密封性能决定，腔体的真空度代表的是残留空气的量，真空度越高残留气体越少，贴合气泡也就越少。

（4）气囊内部压力。气囊内部压力是影响贴附效率和贴合均匀性的重要因素。气囊内部压力即气囊内空气的气压，当气囊内部气压逐渐增大时，贴合接触区的压力也逐渐增大，但是当气压增大到一定程度时，随着内部气压的增大气囊在接触区上压力增加的不再显著。这是因为：充气压力增加使得气囊内部气压增大到逐渐接近气囊本身弹性极限的程度。

（5）气囊贴附接触区的压力分布。由公式（14）可知：上基板在中心点处承受的气囊压力最大，由中心点向四周逐渐减弱。基板中心点压力不足会产生贴合气泡、贴附不牢甚至无法贴合等缺陷；中心点压力过大又会产生胶体变形、贴合偏位甚至是基板破碎等缺陷。所以贴合接触区的压力分布是否合理，是影响气囊贴附质量最为关键的因素。

4结　论

本文给出了气囊贴附系统的一般组成，重点研究了腔体贴附机构，并对其贴附原理和贴合过程进行了分析，证明了运用该机构进行硬硬贴附的可行性；给出了气囊贴合接触区的压力分布表达式，并在此基础上对气囊贴合产生缺陷的原因进行了深入的分析；在气囊贴合产生缺陷的各种因素中，贴合接触区的压力控制不合理是导致贴合众多缺陷的最为关键的因素。

虽然本文只研究了气囊对平面工件的贴附，但是由于气囊充气后具有弹性，可以自动适应工件的曲面形状，因此同一气囊也可用于贴合曲率不同的曲面，如球面、非球面及自由曲面等。

参考文献：

［1］ 宋剑锋.曲面光学零件气囊抛光工艺参数优化及其相关技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.30-35.

［2］ 高波.气囊抛光实验样机的研制及其关键技术的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.

［3］ 刘妍.气囊式抛光原理分析及工艺实验研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2004.

［4］ K.L.Johnson.Contact mechanics［M］.北京：高等教育出版社，1992.

中图分类号：TN605

文献标识码：B

文章编号：1004-4507（2016）07-0024-05

作者简介：

胡钦华（1982-），男，河南商丘人，工学学士，工程师，主要从事电子专用设备的研发工作。

收稿日期：2016-05-27

The Research and Application of Bonnet in Attached Equipment of the Flat Panel Display

HU Qinhua，GUO Peng，YANG Chengchun，WANG Suqiang

（The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China）

Abstract：In order to achieve the requirement of high-quality hard-on-hard attaching on fitting attached equipment in the flat panel display，we designed a new type of gasbag attached agency and studyed the key technology of the ways the airbag attached in detail.The pressure-distribution formula of the pressurethatairbagexertedonsubstrateworkpiecewasdeducedaccordingtocoordinate transformation and Hertz contact theory，on the basis of that，the reasons of defects caused by airbag attaching are deeply analyzed.We can see that the unreasonable of pressure control in attaching contact area is the key factor in all sorts of reasons which causing defects.

Keywords：Bonnet attachment；Pressure-distribution；Flat panel display；Vacuum environment