關(guān)于液晶常見(jiàn)失效原因分析可靠性研究

0 引言

液晶顯示器（Liquid Crystal Display, LCD）是以液晶（Liquid Crystal）為基本材料的顯示組件，它通過(guò)控制液晶分子兩端的電壓來(lái)控制液晶分子的轉動(dòng)方向，借以控制每個(gè)像素點(diǎn)偏振光透射度，達到顯示目的。液晶顯示模組（Liquid Crystal Display Module, LCD Module,LCM）是指將液晶顯示器（LCD）、控制驅動(dòng)芯片、PCB板、背光源、結構件及連接件等諸多部分裝配在一起的組件，LCM 與LCD 是“包含”關(guān)系，參見(jiàn)圖1。

圖1 液晶顯示模組

液晶分子被上下兩塊制作有透明電極（Electrode）的玻璃（Glass）及四周的環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)（在真空環(huán)境下，將液晶分子通過(guò)封接邊框上預留的注入口填充，然后使用樹(shù)脂膠將注入口封堵），并在上下玻璃外表面各貼上一塊偏振方向相互垂直的偏光膜（Polarizer），底部再配一塊反射板（Reflector），基本的液晶顯示器件結構便是如此。液晶盒中上下玻璃片之間的間隔，即盒厚，一般為幾個(gè)μm（人的準確性直徑為幾十μm）。上下玻璃片內側，對應顯示圖形部分，鍍有透明的氧化銦- 氧化錫（ITO）導電薄膜，即顯示電極。具體結構參考圖2 所示。

液晶實(shí)現顯示所用的液晶材料是一種存在液態(tài)和固體雙重性質(zhì)的有機物，該有機物呈棒狀結構在液晶盒內一般平行排列，但在電場(chǎng)作用下能改變其排列方向。液晶光電顯示材料利用液晶的電光效應把電信號轉換成字符、圖像等可見(jiàn)信號。液晶在正常情況下，其分子排列很有秩序，干凈通透，一但加上直流電場(chǎng)后，分子的排列被打亂，一部分液晶會(huì )改變光的傳播方向，液晶前后的偏光片會(huì )阻擋特定方向的光線(xiàn)，從而產(chǎn)生顏色深淺的差異，因而能顯示數字和圖形。

液晶顯示材料具有其特有的優(yōu)點(diǎn)，這里需要特別注意的是，液晶是一種被動(dòng)發(fā)生的顯示，它本身并不能發(fā)光，只能借助使用周?chē)h(huán)境的光。也正是因為這個(gè)特點(diǎn)液晶顯示圖案或字符只需很小的能量。其具有低功耗和小型化兩大特點(diǎn)使LCD 顯示方式被多數人選擇接受。而且驅動(dòng)電壓低、顯示可靠性高、同時(shí)兼顧顯示信息量、彩色顯示、相較于其他顯示方式無(wú)閃爍問(wèn)題、對人體無(wú)危害、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平高、成本低、規格和類(lèi)型變化適應性強，且便于攜帶。液晶顯示技術(shù)對顯示顯像產(chǎn)品結構產(chǎn)生了非常深刻影響，在社會(huì )生產(chǎn)生活中被大量使用，給人們帶來(lái)便利提高了生活品質(zhì)。

圖3

1 背景描述

液晶在環(huán)境家電產(chǎn)品中主要用于當前設備狀態(tài)參數和設定調節設備參數時(shí)起顯示作用，以空調為例，多用于空調便攜式遙控器和固定線(xiàn)控器的參數顯示。某空調公司產(chǎn)品上使用液晶在過(guò)程制造和客戶(hù)端分別出現多種類(lèi)型的液晶顯示故障，經(jīng)分析排查為液晶出現失效導致，通過(guò)對長(cháng)期下線(xiàn)數據整合和售后數據的篩選，發(fā)現液晶顯示問(wèn)題一直比較突出。液晶顯示問(wèn)題給消費者主體帶來(lái)的使用體驗感影響也非常直觀(guān)，嚴重程度不一的顯示問(wèn)題在消費者日常使用頻繁接觸中往往也會(huì )放大問(wèn)題，往往容易讓消費者對質(zhì)量失去信心，對品牌影響頗深。為降低液晶在使用和售后過(guò)程中的下線(xiàn)數據，同時(shí)提升遙控器及線(xiàn)控器的質(zhì)量可靠性水平，故需要對液晶進(jìn)行持續的失效分析和質(zhì)量改進(jìn)。

2 失效原因分析

液晶的失效分析可以借鑒電子器件失效分析的方法和流程，先進(jìn)行必要的外觀(guān)檢查，未發(fā)現明顯問(wèn)題然后進(jìn)行電性能檢測，再進(jìn)一步做非破壞性分析，若仍未發(fā)現失效原因，則必須對樣品進(jìn)行破壞性分析，以求找到失效的根本原因。

2.1 失效模式一：缺劃

圖4

現象：往往伴隨著(zhù)電極破損，對應筆端不顯示，顯示缺劃，如圖4。分析原因大概有以下幾個(gè)方面。

1）液晶制作時(shí)，玻璃涂光刻膠前如果清洗不徹底，作業(yè)面有異物或者油污等附著(zhù)，會(huì )導致對應區域未能涂上光刻膠，經(jīng)蝕刻工序后引起走線(xiàn)斷路，具體過(guò)程如圖5。

圖5

2）隨著(zhù)現在越來(lái)越多附加IC 的液晶投入使用，當裝配過(guò)程中液晶中IC 受靜電影響，也同樣會(huì )導致ITO燒毀出現顯示缺劃問(wèn)題，如圖6。

圖6 ITO線(xiàn)路燒毀故障圖

3）客戶(hù)端使用過(guò)程中出現摔機或者受到嚴重擠壓，受過(guò)大外力影響導致液晶玻璃臺階處產(chǎn)生破損，造成液晶電極與導電膠鍵存在連接不穩定問(wèn)題，對于帶PFC（排線(xiàn)）結構的液晶PFC 連接質(zhì)量同樣需重點(diǎn)關(guān)注，安裝過(guò)程中電極異物等影響接觸可靠性的因素可一并納入考慮范疇，如圖7。

圖7

4）前制作工序中，如果沒(méi)有將ITO 上的臟污清理干凈，導致臟污殘留，亦或制程造成了電極損傷未及時(shí)發(fā)現剔除，內部電極處因存在異常物質(zhì)，都可能導致LCD 加電顯示一段時(shí)間后引起電化學(xué)腐蝕開(kāi)路。此異物引起的化學(xué)污染相較于器件外部異物的影響，區別在于該異物引起問(wèn)題是發(fā)生在內部，相較于異物引起的線(xiàn)路蝕刻失效，其失效往往需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才會(huì )出現，屬于使用中后期異常，如圖8。

圖8

2.2 失效模式二：多劃

現象：當液晶內部ITO 線(xiàn)路出現短路情況，本不該顯示的筆端導通顯示，這種情況就是多劃現象。

圖9

針對該問(wèn)題的產(chǎn)生原因分析如下。

1）ITO 形狀：如前圖液晶生產(chǎn)制程，在圖形制作時(shí)玻璃涂光刻膠后，需進(jìn)行前預烘處理，在預烘過(guò)程中受環(huán)境灰塵污染，臟污粘附在光刻膠上，玻璃曝光時(shí)受該臟污影響而導致光刻膠殘留，如圖10 顯示的刻蝕時(shí)相應走線(xiàn)的ITO 刻蝕不徹底，從而出現相鄰走線(xiàn)短路不良的情況。

圖10 短路圖片

2）廠(chǎng)家在生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中在對FPC（線(xiàn)路）進(jìn)行熱壓作業(yè)時(shí)，設備壓頭位置壓到FPC 保護層，導致ACF 金球聚集，形成微短路情況，此種情況也會(huì )在分顯時(shí)多劃，如圖11。

圖11 金球聚集形成的微短路

2.3 失效模式三：白屏

經(jīng)對故障品的失效分析總結，白屏故障原因大比例為，液晶芯片受靜電損傷，靜電損傷目前分析總結存在以下3 個(gè)方面：

1）廠(chǎng)家和加工使用端的生產(chǎn)過(guò)程中的靜電防護能力不足導致，液晶在過(guò)程受靜電擊穿芯片受損；

2）液晶本身器件或內部IC 抗靜電擊穿能力不足，在過(guò)程中容易損壞；

3）加裝過(guò)程中，本體產(chǎn)生了超過(guò)液晶芯片承受靜電擊穿能力的過(guò)大靜電場(chǎng)，對液晶內部芯片造成影響。

圖12 白屏顯示故障圖

圖13 液晶芯片靜電損傷熱點(diǎn)分析形貌圖

2.4 失效模式四：顯示異物

此異物區別前面描述的異物情況，側重講的顯示區域存在的異物。顯示區域的異物會(huì )影響液晶的顯示性能且非常直觀(guān)，同時(shí)異物存在的位置不同，可以導致液晶顯示黑點(diǎn)、白點(diǎn)。當異物處于背光源、偏光片中，在液晶上電后，顯示出來(lái)的是異物本身的形狀，通?？梢钥匆?jiàn)黑點(diǎn)；當異物處于液晶盒里，由于異物的原因，使得光的折射發(fā)生了變化，有光線(xiàn)從異物里面折射出來(lái)，射入人眼，因而觀(guān)察到漏光的亮點(diǎn)現象，如圖14。

圖14

2.5 失效模式五：麻點(diǎn)

麻點(diǎn)是液晶的鋁層被腐蝕呈現黑點(diǎn)現象，由于碘是偏光片的基礎原料，碘極易揮發(fā)，且非金屬性強，易得到電子，而反射膜中的Al 為活潑金屬，容易失去電子，如圖15。液晶偏光片PVA 膜中吸附的碘在高溫環(huán)境下發(fā)生升華，穿透TAC 膜后與反射膜中的鋁層在水汽條件下發(fā)生氧化還原反應，鋁層被腐蝕呈現黑點(diǎn)現象。由于對液晶儲存環(huán)境的不重視，此問(wèn)題近年上升趨勢十分明顯。

圖15

3 關(guān)于液晶失效防控及可靠性提升的一些思考

3.1 異物

制程異物是影響液晶顯示的重要原因，也是影響液晶生產(chǎn)質(zhì)量的頑疾，光刻膠的涂覆、內部的線(xiàn)路化學(xué)污染、灰塵對ITO 線(xiàn)路造成的接觸不良影響，再到灰塵引起的液晶的視覺(jué)顯示異物問(wèn)題都警醒著(zhù)我們需重視制程異物的管控。1 塊液晶成品需經(jīng)歷多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節，特別是針對制程作業(yè)現場(chǎng)及清洗溶液的清潔更換頻率，以提升作業(yè)現場(chǎng)水平，更嚴格的電測全檢出貨也是保障不良品流出的有效控制手段。

圖16

3.2 儲存

液晶的儲存環(huán)境也是液晶質(zhì)量保障環(huán)節中非常重要的一環(huán)，溫度過(guò)高或過(guò)低，則液晶失去固液的中間態(tài)，往兩級分化，帶來(lái)顯示模糊或顯示不偏轉。一般液晶的使用范圍溫度常用為-25~60 ℃。同時(shí)濕度的管控也非常關(guān)鍵，在通電過(guò)程中，水汽多可以作為媒介，使內部發(fā)生一系列化學(xué)反應，引起顯示異常。需注意存放，避免與有腐蝕、揮發(fā)性化學(xué)物品接觸，否則會(huì )導致電極腐蝕、管腳氧化、密封膠失效等缺陷。同時(shí)使用的時(shí)候需特別注意的是LCD 表面不能加壓過(guò)大，容易破壞定向層，使用或加工過(guò)程中萬(wàn)一出現加壓過(guò)大，或用手按壓了LCD 中部，至少需放置1 h 后再通電。

3.3 防靜電

靜電對液晶的損傷是破壞性且不可逆的，靜電保護對提升液晶的品質(zhì)非常關(guān)鍵。提升液晶靜電防控能力需從3 個(gè)方面著(zhù)手。

1）首要的是廠(chǎng)家生產(chǎn)線(xiàn)體的防靜電系統的建設，防靜電膠墊及離子風(fēng)機、操作臺接地以及人員防靜電工具的佩戴，不局限于生產(chǎn)廠(chǎng)家，使用加裝單位需同步關(guān)注作業(yè)環(huán)境和人員的防靜電，在注重生產(chǎn)加工環(huán)節的同時(shí)，需同步關(guān)注物料周轉的防靜電，需使用有利于靜電消散的材料包裝等等。

圖17 防靜電作業(yè)平臺

2）液晶器件本身的抗靜電擊穿能力的提升，主要是晶內部芯片的抗靜電擊穿能力，需從物料芯片及電路結構入手，提升芯片的整體抗靜電擊穿能力，防止芯片受靜電出現損傷失效。如增加安全間隙，優(yōu)化靜電消散同時(shí)降低引入可能，在 FPC 上面加貼 TVS 管，電阻電容等元器件，搭配改善后的走線(xiàn)，進(jìn)一步提升液晶整體模組的抗靜電能力，來(lái)彌補改善低概率靜電導致的白屏異常。

3）液晶使用接觸材料的防靜電，液晶為了保護屏幕，往往出廠(chǎng)會(huì )加裝一塊防刮擦的薄膜，該薄膜往往容易被忽視，經(jīng)驗證，非防靜電薄膜在生產(chǎn)加裝過(guò)程中去膜過(guò)程的撕扯動(dòng)作可產(chǎn)生 10 kV 以上的靜電壓，所以，對于液晶接觸的材料和使用過(guò)程需進(jìn)行的動(dòng)作需全面的評估與驗證。

圖18

4 結束語(yǔ)

本文總結歸納了液晶出常見(jiàn)的幾種失效模式，分析失效的原因的同時(shí)提出幾點(diǎn)液晶質(zhì)量可靠性提升需重點(diǎn)關(guān)注的管控點(diǎn)，如液晶的儲存問(wèn)題在日常生產(chǎn)過(guò)程中可能不會(huì )像其他濕敏器件那么能得到關(guān)注，但通過(guò)本文對液晶失效分析總結，異常的儲存環(huán)境下同樣會(huì )對液晶的顯示性能產(chǎn)生致命的影響。粗淺分析總結，希望能夠給從事硬件失效分析、可靠性研究和涉及電子加工、儲存等方面人員提供一些思路。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）