窄边框产品周边配向膜Mura分析及改善研究

北京京东方显示技术有限公司CELL PI部 王海成 申载官 刘 萌 史秋飞 封 宾 文 斌

1 引言

随着液晶显示器(LCD)的广泛应用，液晶面板的需求量越来越大，高世代线的生产规模也迅速扩大。在液晶屏中，配向膜(Polyim ide，PI)为液晶提供了预倾角，起着控制液晶分子排列方向的作用[1]，而配向膜喷墨打印方式(Inkjet Printing)凭借低膜材损耗、易于在不同产品间切换、高效率等优势，高世代线更倾向使用该方式对应生产[2-3]。

在各高世代线产能释放的同时，人们对LCD产品提出了更高的要求，窄边框潮流正在兴起。所谓边框，是指显示区(Active Area，AA)到屏(Panel)边缘的距离，该区域被业内称为涂胶区(Sealing Area)，边框的存在会降低相同尺寸下显示区域的可显示面积[4]。为了实现产品窄边框化，就需要减小Sealing Area。业内常见的主要方法有：

(1)提升切割及研磨精度，降低切割线到封框胶(Seal)距离；

(2)减小Seal宽度；

(3)压缩周边假像素区(Dummy Pixel)，周边布线空间压缩；

(4)降低PI边缘余量(Edge Margin，EM)；

(5)PI与Seal重叠。

提升切割精度及降低Seal宽度可通过切割设备及涂胶设备能力提升达成，目前各世代线也在同步设备导入，本文不做赘述。对配向膜喷墨打印方式来说，周边Dummy区及布线空间压缩会使布线区靠近AA区边界，金属线及过孔的高段差均会对PI扩散形成阻碍；而EM的降低同样会造成配向膜厚度变化的区域(Halo区)靠近AA区[5]，二者的叠加对周边PI涂覆均一性产生影响，从而决定了窄边框产品更易产生周边PI涂覆性不良。

本文基于8.5代线10.1寸(Inch，1Inch=2.54cm)窄边框产品生产中出现的周边Mura，通过分析发现靠近AA区边界的公共(Common，COM)电极上的过孔处PI液有明显堆积现象，此处的堆积对周边显示区PI膜扩散形成阻碍，这造成了AA区边界PI膜偏厚，导致了周边液晶取向异常，从而产生了周边配向膜Mura。通过对该处过孔大小及密度进行多组实验并结合预固化(Prebake)条件优化，找到了匹配窄边框产品的最优条件，为后续其他产品开发提供了数据支持。

2 实验

2.1 周边Mura不良现象确认

实验测试用的面板为10.1Inch高级超维场转换技术(High Advanced Super Dimensional Switch，HADS)产品，显示模式为常黑模式。在L127灰阶画面下不良点灯现象为靠近Panel边缘1～2mm处出现发黑现象，具体不良现象如图1所示。

图1 周边Mura现象示意图Fig.1 Schematic of Side Mura phenomenon

2.2 周边Mura不良原因分析

为了找到周边Mura发生的根本原因，研究人员对不良Panel进行实物分析。首先，为排查是否为盒厚(Gap)性周边Mura，利用盒厚测试仪对正常Panel及不良Panel进行了对比测试，沿垂直方向由液晶屏下边缘往中心区域前进(贯彻不良区域和正常区域)测试盒厚，不良Panel与正常Panel相同位置盒厚无明显差异，如图2所示，故而排除Gap性周边Mura[6-7]。

图2 正常屏与不良屏盒厚数据比较Fig.2 Comparison Of cell gap between normal and abnormal panel

对不良Panel进行拆屏，去除液晶后将不良样品置于钠灯下观察，彩膜基板对应位置未见异常，阵列基板不良位置可见颜色差异，对应不良位置PI膜层存在明显偏暗的现象，具体现象如图3所示。使用显微镜对不良位置进行观察，未发现明显异常，测量正常Panel与不良Panel Edge Margin，均在设计范围内，无异常，如表1所示。

表1 配向膜边界实测值Table1 PI edge margin test data

进一步使用台阶仪对不良位置进行配向膜的厚度测量，结果显示不良品的正常区与不良区的PI膜厚相差250Å左右，而正常品之间无明细差异，如表2所示。使用3D显微镜对不良位置进行观察，发现靠近Panel AA区边界的COM金属电极上的过孔(Via Hole)处有明显PI堆积现象，数据线(Data Line)侧及栅极线(Gate Line)侧均有堆积，堆积处PI膜厚较正常区高3000～4500Å左右，如图4-1，图4-2所示。使用PI剥离液对阵列(TFT)基板进行PI处理后，不良现象消失，根据以上分析结果判断不良为PI膜异常导致。

表2 配向膜厚度测试数据Table2 PI Thickness Test Data

图4-1 数据线侧公共电极上过孔处3D图Fig.4-1 Via hole of common electrode at data line side 3D phenomenon

通过对周边设计研究发现，周边COM金属电极上的过孔设计是为了导通最上层氧化铟锡(ITO)面电极与最下层的COM金属电极，起到与像素电极并联从而降低显示区电阻的作用。当显示屏信号出现波动时，由于显示区电阻降低，电路补偿可更快速完成，从而有效确保显示均一性。但此处的过孔数量及密度目前业内还无明确标准。对该过孔处分析发现，此处采用深孔、高密度、大过孔设计，孔深为10650Å，过孔密度为2个/Data Line，9个/Gate Line，过孔尺寸(Size)为Data侧9um*11um，Gate侧10um*20um。

由于该处紧靠AA区边界，推测该种过孔设计对仅有1000Å膜厚的PI扩散有阻碍作用并容易在此处形成PI堆积，而PI堆积造成的高段差会不利于周边显示区的PI扩散，造成周边PI膜偏厚，进而使周边液晶取向异常，产生该不良。

2.3 周边配向膜Mura不良改善

根据上述分析结果，工程人员从工艺改善及产品设计两方面进行改善性验证。工艺方面，进行了PI预固化(Prebake)工艺调整，将Prebake的周边挡板(Shutter)及设备上顶板(Cover)由关闭状态改为常开状态；设计方面，为降低此处的阻碍，可以进行过孔深度、密度及Size调整验证，但如调整过孔深度，需对整个显示区各层厚度进行调整，这势必会影响整个Panel的电压保持率及其他电学特性，因此，本研究中只对过孔密度及Size进行调整验证过孔的影响。

2.3.1 工艺改善

由于该不良为周边PI扩散性不良，研究人员首先从PI固化工艺角度进行改善验证。

图5 Halo区示意图Fig.5 Schematic of Halo Area

表3 PI Prebake挡板及上顶板测试条件Table 3 PI Prebake shutter and cover test split item

通过对PI固化工艺调查发现,当基板进入Prebake设备后，Prebake周边Shutter关闭，PI在高温下完成预固化过程，在这个过程中，Panel AA区外侧受热面积较内部大，溶剂挥发速度较快，PI液浓度较高，从而在Panel周边形成PI膜厚较高的Halo区，如图5所示[5]。对于窄边框产品而言，由于EM压缩及周边布线的阻碍作用，因此Halo区距离AA区更近。考虑到喷墨型PI液具有较高的流动性，为使Halo区远离AA区，降低该部分对AA区周边膜厚的影响，可以从增加预固化前放置时间及降低Prebake温度双方面进行改善。但是由于增加放置时间及切换Prebake温度会对产线稼动产生影响，因此，上述改善措施较难实施。为实现上述目的，工程人员从Prebake设备角度出发，提出对其两侧Shutter及上层Cover进行Open操作，测试条件(Split)及结果如表3所示。从数据中可以看出，Open后周边配向膜Mura发生率有较大程度降低。

从原理分析，当prebake Open后，PI液实际固化温度较Close状态有所降低，并且PI液在固化前的扩散时间也相应得到延长，因此取得了部分改善效果。对不良Panel进行拆屏分析，发现，工艺条件调整后周边过孔处的扩散效果有所好转，但阻碍作用未完全消除，如图6-1，6-2所示，因此仍需从设计角度进行改善验证。

图6-1 数据线侧公共电极上过孔处3D图Fig.6-1 Via hole of common electrode at data line side 3D phenomenon

图6-2 栅极线侧公共电极上过孔处3D图Fig.6-2 Via hole of common electrode at gate line side 3D phenomenon

2.3.2 过孔密度及Size设计调整改善

在Prebake工艺调整的基础上，设计人员进行了周边COM金属电极上的过孔密度及Size调整验证，测试结果如表4所示，结果表明，随着过孔密度降低，不良发生率显著下降，小过孔及大过孔不良下降趋势相同；小过孔改善效果较大过孔好，当Data侧及Gate侧的过孔Size采用5*5um，过孔密度采用1/6，1/2时，周边配向膜Mura发生率最低。对该条件过孔处进行3D观察，证实了小过孔、低密度对PI扩散的阻碍作用最低，如图7所示。考虑到此处过孔变更可能对均一性及信赖性产生影响，研究中还进行了相应品质评价，结果显示变更后条件与量产条件差距不大，满足量产要求。

表4 不同过孔密度及尺寸下周边配向膜不良发生率Table 4 Via hole density and size with side polyimide mura

图7 公共电极上过孔处3D图Fig.7 Via hole of common electrode 3D phenomenon

3 结论

本文主要研究了窄边框产品中易发的周边配向膜Mura不良，通过分析发现显示区边缘用于导通公共电级的过孔处有明显PI堆积现象，此处的堆积对周边显示区PI膜扩散形成阻碍，导致显示区PI偏厚，影响了周边液晶分子排布状态，从而产生不良。

为了改善PI液周边扩散效果，本文从PI预固化工艺方面及周边COM金属线上的过孔设计方面进行了测试并得到如下结果：PI预固化设备Shutter及Cover Open条件对周边PI扩散更有利；AA区边界用于导通COM金属的过孔设计对周边PI扩散影响较大；Data侧及Gate侧过孔密度采用1/6，1/2时效果较优；过孔Size采用5*5um小过孔时扩散更有利。

综上，针对周边过孔设计对PI扩散的影响，本文进行了实际过孔Mask修改验证测试，这在业内尚属首次，通过对比实验得到如下结论：将周边COM金属线上过孔密度降低、Size减小并结合Prebake优化后的条件可以有效改善窄边框产品周边配向膜Mura不良。

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