液晶角落Bubble原因分析与改善

李澎轩，侯德智，王文宇

（京东方 南京中电熊猫平板显示科技有限公司，江苏 南京 210046）

0 引言

在TFT-LCD制造工艺内，角落Bubble（气泡）不良普遍存在，具体体现为成盒后Panel内部四角位置出现微小的液晶扩散气泡。笔者在生产过程中遇到一款23.8 Inch产品的角落Bubble异常，并成立了改善小组进行不良改善。最终将角落Bubble Inline发生率由50%降低至0%。本文对角落Bubble的形成原因和影响因素进行分析，并对验证过程进行阐述。

1 原理

显微镜下对气泡区域进行按压，气泡可以移动，热风枪加热不良位置，气泡增大，测试结果如图2所示。实验结果表明该气泡为显示屏内部气体产生气泡[1]。盒内液晶扩散不均导致了角落Bubble，此现象可以在Panel成盒后对Panel出现Bubble位置进行按压确认，经过Panel面板表面的按压，可以观察到液晶从Panel中心位置向角落Bubble位置进行扩散，可以观察到液晶的流动。故角落Bubble的根本原因是盒内液晶扩散不均问题：盒内液晶无法及时扩散到Panel的四角部位，该部位由于缺少液晶导致出现点状角落Bubble，此类Bubble大小一般为1~3mm，最大不超过5mm。

图2 角落Bubble静置前后对比

通常大尺寸ODF产品容易出现重力Mura和气泡不良;而小尺寸ODF产品虽然没有重力Mura，但更容易出现漏液晶（LC Leak）和低温气泡（Cold Bubble）。一般而言, 液晶量多容易发生LC Leak，液晶量少则容易发生Cold Bubble[2]。业内目前主流的液晶注入面板方式分为Drop（滴下）式和喷墨式，笔者所在工厂使用Drop式液晶滴下，即在面板贴合之前，在CF或者TFT基板上适用高精度针头，采用滴下方式，将液晶引入面板内，并在滴下完成后将CF和TFT基板进行贴合。

液晶是介于液态和结晶态之间的软物质。液晶在-50℃的低温时呈现白色塑料状的晶体状态；随着温度的上升，逐渐变软，呈透明油脂状的黏性流体状态；常温时黏度变得更小，呈白糖水状态。温度到达熔点，液晶就会融化成液体；如果继续上升，液晶就变成了透明的液体。变成透明时的温度叫做液晶的清亮点。由于实际生产中无低温状态，所以不用讨论低温情况。现将液晶在平行板间的扩散分为常温和高温下的平行板间扩散。常温状态为液晶在对盒设备内的扩散过程。

笔者通过业内调查发现，采用喷墨式液晶注入设备的工厂，均无角落Bubble不良，原因为喷墨式设备将液晶均匀的喷涂在面板上，即液晶从接触面板开始即处于扩散完成的状态，故喷墨式设备在液晶扩散Bubble上有着先天的优势，这是由设备原理决定的。故本文主要探讨采用Drop（滴下式）设备的角落Bubble影响因素和改善方法。

2 实验验证

2.1 成盒后到面板点灯时间影响

TFT-LCD工艺常见的Bubble有空气Bubble和真空Bubble，空气Bubble内充满气体, 产生原因较多, 一般可以概括为以下几类：

（1）真空对盒时，V/A内真空度不够，V/A内残留空气被压入Cell内。（2）Sealant涂覆时发生断胶，空气从Sealant断裂处进入Cell内。（3）由于穿刺或Peel oあ造成空气进入Cell内。（4）Cutting切割时，刀轮可能对Sealant造成了损伤，气体沿着Seal损伤部分进入，形成Bubble。[3]

而本文中阐述的液晶扩散造成的角落Bubble根据产线生产经验，Inline检查机检出角落Bubble与面板成盒后时间有关。同一张出现角落Bubble的面板，放置一段时间后，Bubble会有一定程度的缩小，甚至某些微小的Bubble会直接消失。原理为液晶在盒内随着时间的增加自行扩散，当时间足够长时，液晶扩散完成，Bubble现象消失。

面板通电点灯的检出现象与Inline检查机检出的原理相同，成盒后的面板越晚点灯，液晶扩散越充分，故发生角落Bubble不良的概率越小。

液晶在常温下扩散遵从流体流动Washburn模型[4]：

其中：t为液晶在平行板间的流动时间，σ为表面张力系数，x为t时刻的流体位置，φ为接触角，μ为流体的黏滞系数，b为平行板间的距离。

换算之后可得到：

由Washburn模型可知，液晶分子的扩散程度由液晶在平行板间的流体位置χ来表述，χ越大说明液晶在平行板间的扩散距离越远、扩散程度越理想。而影响流体位置的因素有液晶在平行板间的流动时间、表面张力系数、接触角、流体的粘滞系数、板间距离等。其中，表面张力、接触角和粘滞系数均为液晶材料本身因素，很难通过变更工艺条件来改善。平行板间距离b为产品设计值，影响到液晶的响应时间和透过率等多种因素，不会轻易变更。流动时间t为改善液晶扩散的关键因素。

故而对面板成盒，到点灯检查的时间t1设计实验验证，两者的关系如下图1：

图1 角落Bubble发生率与点灯时间t1关系

可以发现，t1超过12h时，不良发生率已低于1%，超过24%，发生率已接近0%。故推荐选择成盒后基板管控24h再进行点灯作业。如部分产线产能要求较高，产出较快，也可适当延长成盒到点灯的Q-time，可以有效降低角落Bubble发生率。

2.2 液晶滴下距离的影响

选择管控面板成盒到点灯时间，可以显著减少角落Bubble的检出。实质上是让液晶在盒内扩散完全。改善小组考虑是否可以在滴下过程中将液晶滴下距离角落更近，加速液晶的扩散，达到减少角落气泡的发生。

描述液晶滴下形状主要分为以下3个参量：每两排液晶滴间的距离a、液晶滴到液晶屏短边的距离b和液晶滴到液晶屏长边的距离c。液晶扩散后，在平行板间呈椭圆形向四周扩散。影响液晶在边角处扩散的主要因素是距离L。

图3 液晶扩散到基板四角距离

故改善团队在23.8 Inch该款产品，固定其它工艺参数不变，对角落滴下距离b、c进行变更测试，测试条件和结果如表1：

表1 液晶到四角距离验证结果

角落滴下距离缩减5~10mm后，角落Bubble发生率无显著降低，且改善团队在进一步测试距四角滴下距离时，发现由于液晶在框胶预固化之前过早接触框胶，导致出现框胶穿刺现象。故在成盒工艺中，无法进一步降低四角液晶滴下距离。

2.3 贴合设备真空保持时间的影响

液晶在基板表面的扩散受时间影响，成盒工艺中，真空贴合设备内是真空状态，对液晶的扩散更加有利。故改善团队提出让贴合前基板在真空贴合装置内进行真空保持：将液晶滴下在TFT基板上，在CF和TFT基板进行贴合前进行真空保持，使得液晶在TFT面板上进行较长时间的扩散。设计真空保持时间t2实验结果如表2。

表2 真空保持时间t2验证结果

可以发现，控制真空保持时间t2单变量进行测试时，角落Bubble检出率持续下降，当真空保持时间加长到120S时，角落Bubble发生率已经降低到0.5%，但在测试过程中发现：当真空保持时间超过90S时，基板出现周边Mura不良，原理为在真空保持设备内由于腔室内持续抽真空，靠近分子泵排气口位置的液晶分子持续被抽走，液晶内分子含量降低，导致面板该区域产生周边Mura。故

增加真空贴合设备的真空保持时间，对角落Bubble不良有所改善，但由于会产生其他不良，故无法直接采用。

2.4 液晶滴下单滴重量的影响

液晶单滴量和液晶滴下数的关系如下：

盒内液晶量=液晶单滴量*X方向液晶滴下数*Y方向液晶滴下数

在保持盒内液晶滴下量不变的前提下，对液晶滴下数进行单变量测试，测试液晶单滴量对角落Bubble是否有影响。测试结果见表3：

表3 液晶单滴重量验证结果

经过试验测试可以发现，通过增加液晶滴下数，令液晶单滴量降低，对角落Bubble发生率有改善，但在工厂的实际生产中，受限于Drop 式液晶滴下设备的Tacttime，液晶滴数无法大幅下降，可以通过平衡Tact-time和角落Bubble发生率，综合选取较优条件。

另液晶单滴重量降低，对角落Bubble的影响虽然较为明显，但无法达到发生率0%的最终目标。

2.5 角落追加液晶滴下

角落Bubble的产生原因是由于液晶在角落扩散较为困难，故考虑在角落追加额外的液晶滴下来对该异常进行Cover。

对现场已有的生产条件上进行追加四角滴下测试（液晶滴数在四角各增加1滴），液晶单滴量略微降低约0.1mg，追加四角滴下后，角落Bubble发生率由此前的50%降低至0%，并未产生其他不良。

图4 液晶四角滴下示意图

同时，液晶滴下设备的Tact-time 增加了30%。增加四角滴下是业内应对角落Bubble不良的最常见方法，但部分产品由于Tact-time限制，不适用四角滴下模式。

2.6 Cell Gap（盒厚）对角落Bubble的影响

经测试，发现在相同的生产工艺下，低盒厚的产品角落Bubble发生率更低，部分低盒厚产品角落Bubble发生率为0%。

表4 盒厚和角落Bubble检出率的关系

Cell Gap对角落Bubble的影响分析可能为：（1）盒厚较低的产品在真空贴合时由于液晶受CF和TFT基板挤压面积更大，故更加容易扩散到面板角落；（2）盒厚较低时，液晶因空间限制难以形成扩散气泡；（3）低盒厚产品由于盒内液晶量较低，液晶单滴重量也更低。

目前业内Monitor产品基本趋向快速响应时间，故设计盒厚会越来越低，在此基础上，也会使角落Bubble不良的降低，在产品设计面上可以参考。

3 结语

通过以上的实验测试，影响角落Bubble产生的因素共有以下几类：（1）面板成盒后到点灯的时间。时间越长，角落Bubble发生率越低，超过24h的发生率已经接近0%，故推荐在面板成盒后管控一定时间再进行点灯；（2）真空贴合设备真空保持时间，保持时间越长，角落Bubble发生率越低，超过120S的真空保持时间，角落Bubble发生率已达到0.5%，但由于真空贴合设备的排气位置对液晶有影响，测试中发生周边Mura不良；是否产生周边Mura不良与真空贴合设备结构相关，如果腔室内排气口位置距离液晶较远，影响会较为轻微。可以根据真空贴合设备的构造进行测试。并选取合适的真空保持时间；（3）液晶单滴重量。盒内液晶滴数越多，单滴重量越小，角落Bubble的发生率越低，但受限于设备Tact time和设备能力，Drop式的液晶滴下设备单滴量不能无限的降低。故无法通过单一的降低滴下量来改善角落Bubble，可以综合考虑以上因素，选取可以接受的较低的液晶单滴重量。这里也体现了喷墨式液晶涂覆设备不会产生角落Bubble的优势；（4）液晶四角滴下。在四角追加额外的液晶滴下，是改善角落Bubble的最佳方式，但对设备Tact time产生一定影响。设备Tact-time可接受的前提下，推荐使用此方式对角落Bubble不良进行改善；（5）盒厚的影响。盒厚越低，角落Bubble发生率越低，在已有的测试结果中，盒厚低于2.8μm时，即使不采用液晶四角滴下，也不会产生角落Bubble现象。但由于产品盒厚不可随意变更，改因素应当在产品设计时进行考虑。