關(guān)于液晶常見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，它通過控制液晶分子兩端的電壓來(lái)控制液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，借以控制每個(gè)像素點(diǎn)偏振光透射度，達(dá)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(qū)動(dòng)芯片、PCB板、背光源、結(jié)構(gòu)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)氧樹脂封裝起來(lái)（在真空環(huán)境下，將液晶分子通過封接邊框上預(yù)留的注入口填充，然后使用樹脂膠將注入口封堵），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(jié)構(gòu)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(zhǔn)確性直徑為幾十μm）。上下玻璃片內(nèi)側(cè)，對(duì)應(yīng)顯示圖形部分，鍍有透明的氧化銦- 氧化錫（ITO）導(dǎo)電薄膜，即顯示電極。具體結(jié)構(gòu)參考圖2 所示。

液晶實(shí)現(xiàn)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(jī)物，該有機(jī)物呈棒狀結(jié)構(gòu)在液晶盒內(nèi)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(yīng)把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成字符、圖像等可見信號(hào)。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，從而產(chǎn)生顏色深淺的差異，因而能顯示數(shù)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，只能借助使用周圍環(huán)境的光。也正是因?yàn)檫@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(shù)人選擇接受。而且驅(qū)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)閃爍問題、對(duì)人體無(wú)危害、生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平高、成本低、規(guī)格和類型變化適應(yīng)性強(qiáng)，且便于攜帶。液晶顯示技術(shù)對(duì)顯示顯像產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(dāng)前設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和設(shè)定調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)時(shí)起顯示作用，以空調(diào)為例，多用于空調(diào)便攜式遙控器和固定線控器的參數(shù)顯示。某空調(diào)公司產(chǎn)品上使用液晶在過程制造和客戶端分別出現(xiàn)多種類型的液晶顯示故障，經(jīng)分析排查為液晶出現(xiàn)失效導(dǎo)致，通過對(duì)長(zhǎng)期下線數(shù)據(jù)整合和售后數(shù)據(jù)的篩選，發(fā)現(xiàn)液晶顯示問題一直比較突出。液晶顯示問題給消費(fèi)者主體帶來(lái)的使用體驗(yàn)感影響也非常直觀，嚴(yán)重程度不一的顯示問題在消費(fèi)者日常使用頻繁接觸中往往也會(huì)放大問題，往往容易讓消費(fèi)者對(duì)質(zhì)量失去信心，對(duì)品牌影響頗深。為降低液晶在使用和售后過程中的下線數(shù)據(jù)，同時(shí)提升遙控器及線控器的質(zhì)量可靠性水平，故需要對(duì)液晶進(jìn)行持續(xù)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)行必要的外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯問題然后進(jìn)行電性能檢測(cè)，再進(jìn)一步做非破壞性分析，若仍未發(fā)現(xiàn)失效原因，則必須對(duì)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(xiàn)象：往往伴隨著電極破損，對(duì)應(yīng)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，會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)區(qū)域未能涂上光刻膠，經(jīng)蝕刻工序后引起走線斷路，具體過程如圖5。

圖5

2）隨著現(xiàn)在越來(lái)越多附加IC 的液晶投入使用，當(dāng)裝配過程中液晶中IC 受靜電影響，也同樣會(huì)導(dǎo)致ITO燒毀出現(xiàn)顯示缺劃問題，如圖6。

圖6 ITO線路燒毀故障圖

3）客戶端使用過程中出現(xiàn)摔機(jī)或者受到嚴(yán)重?cái)D壓，受過大外力影響導(dǎo)致液晶玻璃臺(tái)階處產(chǎn)生破損，造成液晶電極與導(dǎo)電膠鍵存在連接不穩(wěn)定問題，對(duì)于帶PFC（排線）結(jié)構(gòu)的液晶PFC 連接質(zhì)量同樣需重點(diǎn)關(guān)注，安裝過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，如果沒有將ITO 上的臟污清理干凈，導(dǎo)致臟污殘留，亦或制程造成了電極損傷未及時(shí)發(fā)現(xiàn)剔除，內(nèi)部電極處因存在異常物質(zhì)，都可能導(dǎo)致LCD 加電顯示一段時(shí)間后引起電化學(xué)腐蝕開路。此異物引起的化學(xué)污染相較于器件外部異物的影響，區(qū)別在于該異物引起問題是發(fā)生在內(nèi)部，相較于異物引起的線路蝕刻失效，其失效往往需經(jīng)過一段時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)，屬于使用中后期異常，如圖8。

圖8

2.2 失效模式二：多劃

現(xiàn)象：當(dāng)液晶內(nèi)部ITO 線路出現(xiàn)短路情況，本不該顯示的筆端導(dǎo)通顯示，這種情況就是多劃現(xiàn)象。

圖9

針對(duì)該問題的產(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(yù)烘處理，在預(yù)烘過程中受環(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(dǎo)致光刻膠殘留，如圖10 顯示的刻蝕時(shí)相應(yīng)走線的ITO 刻蝕不徹底，從而出現(xiàn)相鄰走線短路不良的情況。

圖10 短路圖片

2）廠家在生產(chǎn)作業(yè)過程中在對(duì)FPC（線路）進(jìn)行熱壓作業(yè)時(shí)，設(shè)備壓頭位置壓到FPC 保護(hù)層，導(dǎo)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(duì)故障品的失效分析總結(jié)，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(jié)存在以下3 個(gè)方面：

1）廠家和加工使用端的生產(chǎn)過程中的靜電防護(hù)能力不足導(dǎo)致，液晶在過程受靜電擊穿芯片受損；

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

3）加裝過程中，本體產(chǎn)生了超過液晶芯片承受靜電擊穿能力的過大靜電場(chǎng)，對(duì)液晶內(nèi)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(qū)別前面描述的異物情況，側(cè)重講的顯示區(qū)域存在的異物。顯示區(qū)域的異物會(huì)影響液晶的顯示性能且非常直觀，同時(shí)異物存在的位置不同，可以導(dǎo)致液晶顯示黑點(diǎn)、白點(diǎn)。當(dāng)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?？梢钥匆姾邳c(diǎn)；當(dāng)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，有光線從異物里面折射出來(lái)，射入人眼，因而觀察到漏光的亮點(diǎn)現(xiàn)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(xiàn)黑點(diǎn)現(xiàn)象，由于碘是偏光片的基礎(chǔ)原料，碘極易揮發(fā)，且非金屬性強(qiáng)，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(yīng)，鋁層被腐蝕呈現(xiàn)黑點(diǎn)現(xiàn)象。由于對(duì)液晶儲(chǔ)存環(huán)境的不重視，此問題近年上升趨勢(shì)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(nèi)部的線路化學(xué)污染、灰塵對(duì)ITO 線路造成的接觸不良影響，再到灰塵引起的液晶的視覺顯示異物問題都警醒著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(jié)，特別是針對(duì)制程作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及清洗溶液的清潔更換頻率，以提升作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)水平，更嚴(yán)格的電測(cè)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(chǔ)存

液晶的儲(chǔ)存環(huán)境也是液晶質(zhì)量保障環(huán)節(jié)中非常重要的一環(huán)，溫度過高或過低，則液晶失去固液的中間態(tài)，往兩級(jí)分化，帶來(lái)顯示模糊或顯示不偏轉(zhuǎn)。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，在通電過程中，水汽多可以作為媒介，使內(nèi)部發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，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(dǎo)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 表面不能加壓過大，容易破壞定向?qū)?，使用或加工過程中萬(wàn)一出現(xiàn)加壓過大，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(duì)液晶的損傷是破壞性且不可逆的，靜電保護(hù)對(duì)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)方面著手。

1）首要的是廠家生產(chǎn)線體的防靜電系統(tǒng)的建設(shè)，防靜電膠墊及離子風(fēng)機(jī)、操作臺(tái)接地以及人員防靜電工具的佩戴，不局限于生產(chǎn)廠家，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(jié)的同時(shí)，需同步關(guān)注物料周轉(zhuǎn)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(tái)

2）液晶器件本身的抗靜電擊穿能力的提升，主要是晶內(nèi)部芯片的抗靜電擊穿能力，需從物料芯片及電路結(jié)構(gòu)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(xiàn)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，進(jìn)一步提升液晶整體模組的抗靜電能力，來(lái)彌補(bǔ)改善低概率靜電導(dǎo)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(hù)屏幕，往往出廠會(huì)加裝一塊防刮擦的薄膜，該薄膜往往容易被忽視，經(jīng)驗(yàn)證，非防靜電薄膜在生產(chǎn)加裝過程中去膜過程的撕扯動(dòng)作可產(chǎn)生 10 kV 以上的靜電壓，所以，對(duì)于液晶接觸的材料和使用過程需進(jìn)行的動(dòng)作需全面的評(píng)估與驗(yàn)證。

圖18

4 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)歸納了液晶出常見的幾種失效模式，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(chǔ)存問題在日常生產(chǎn)過程中可能不會(huì)像其他濕敏器件那么能得到關(guān)注，但通過本文對(duì)液晶失效分析總結(jié)，異常的儲(chǔ)存環(huán)境下同樣會(huì)對(duì)液晶的顯示性能產(chǎn)生致命的影響。粗淺分析總結(jié)，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(chǔ)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）