阵列基板周边设计对聚酰亚胺液扩散的影响

刘金贵，殷盛杰，顾可可，李光强，申 名，李 啸，杨 妮，许亨艺，罗建勇

(重庆京东方光电科技有限公司，重庆 400700)

1 引 言

在薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)中，聚酰亚胺(PI)由于其优异的热稳定性、力学性能和电性能，被涂布于TFT基板和CF基板上用作液晶分子配向膜，取向层性能的优劣直接影响到液晶分子的排列效果，进而影响到LCD的对比度、阈值电压、响应时间等特性[1-3]。PI膜涂覆有滚筒涂布的感光树脂转印版(APR)转印和喷墨打印两种方式。随着高世代线面板厂的投入生产，因为与喷墨打印产品切换快、对应产品种类多、产能高等特点，得到了越来越广泛的应用[4-5]。但由于喷墨打印技术是依靠低粘度PI液滴在重力作用的自由扩散而固化形成PI膜层，但随着无边框、高分辨率产品的出现，低粘度PI液滴在阵列基板周边段差较大区域难以均匀扩散而形成PI Mura类不良[6]。

针对面板周边PI液扩散不均问题，前人通过研究得出以下几个方面原因：王海成等人[7]通过研究得出面板周边Vcom(公共电极)过孔较多，影响了PI液在该区域的均匀扩散，最终PI液在过孔周边堆积产生不良。通过改变PI预固化条件、变更过孔尺寸和周期等方法可以改善周边扩散不均问题。赵成明等人[8]研究发现，氮化硅钝化层(PVX)过孔深度影响PI液的扩散，深度较大时，会对配向膜扩散起到阻碍作用，通过减小PVX膜厚可以降低过孔深度，进而改善该扩散不良现象。徐长健等人[9]测试发现周边Mura区域PI膜厚是正常区域的2～3倍，认为周边Mura是PI液扩散速度不一造成的：边缘区域PI液受热相对于中心区域更快、空气接触面积更大，边缘溶剂蒸发速度快于中心区域，边缘区域首先固化，相邻未蒸发液体继续往外边缘流动固化，导致边缘处PI膜偏厚。通过增大Mura区域PI膜涂覆范围、减小PI膜膜厚等方法有效改善周边PI Mura类不良。

本文着重介绍重庆京东方(G8.5代)使用喷墨打印设备生产笔记本电脑HADS(高透过率平面宽视角显示技术)产品时遇到的面板周边PI液扩散不均问题形成的周边黑线不良现象，从变更产品设计、工艺参数等方面对该不良进行详细解析。

2 实 验

2.1 HADS面板制备

该周边黑线类不良在3款全高清(FHD)HADS产品中都有发生，且在14.0 FHD HADS产品中现象最严重，所以本文分析讨论所用屏幕以14.0 FHD HADS产品为主。周边黑线现象如图1所示。

图1 屏幕周边黑线不良现象

周边黑线不良屏在模组阶段检出，灰阶画面下，面板周边DP/DPO/GPL/GPR四边均有黑线不良，其中DP侧现象较严重，黑线和正常显示区有明显界限，黑线宽度约1 mm，发生率100%。

2.2 设备与测试

PI Inkjet Printer涂布机，型号：IP-G85-VH-T15-CB-1180L，石井表记(Ishiihyoki)公司；预固化(Precure)设备，型号：14-146-N101，Zeus公司；主固化(Maincure)设备，型号：CLBSB8-3H24，Hanwha公司；日立液晶成盒设备，型号：SPV-2500-SF,日立(HITACHI)公司；液晶分子，型号：BOE-F013，上海默克化工；偏光显微镜，型号：BX51，日本Olympus公司；扫描电子显微镜(SEM)，型号：SU8000，日立(HITACHI)公司。

3 结果与讨论

3.1 周边黑线不良分析

模组FI检出不良面板在实验室不加电旋偏光片情况下可见面板四边有黑线Mura，拆屏后TFT膜面对应位置可见膜面异常，TFT侧PI剥离液去除PI膜后不良不可见，CF侧膜面无异常，该不良是TFT侧PI膜面异常所致。

图2为TFT侧基板在显微镜下(X20)观察的周边(DP(Date pad)/GP(Gate pad))形貌图,可以看到面板四边走线密集和过孔较多处有明显的PI液聚集，这些PI聚集区出现明暗不均晕状现象。特别是在Vcom过孔周围，PI液扩散不均现象加重。对比图2异常屏和图3正常屏周边，可以看出Vcom过孔周边PI液扩散不均现象大多出现在异常屏，而正常屏则没有。出现扩散不良的Vcom过孔内部呈现白色，而正常屏Vcom过孔内部呈深灰色。

图2 DP/DPO/GPL/GPR侧PI膜面异常

图3 正常显示面板周边形貌图

图4 不良面板和正常面板过孔断面图对比。(a)正常过孔;(b)异常过孔。

通过分析异常和正常屏Vcom过孔断面扫描电镜(SEM)图(图4)看出，正常屏周边Vcom过孔内有PI液进入(图4(a))而呈现深灰色，而异常屏周边过孔内没有PI液进入(图4(b))而呈现栅极金属反射光而发白。

结合图2、图3和图4分析得出，图2异常屏Vcom过孔发白，并且过孔周围出现明暗不均晕状现象，这是因为喷墨打印滴定的小液滴在重力作用下在Vcom过孔周围扩散时，液滴没能跨越过孔周围能量位垒而进入过孔内，进而固化在过孔周边形成PI Mura。因为PI液滴定在阵列基板表面时，液滴在气-液-固三相系统中扩散前进，最终在三相综合作用下达到平衡状态完成扩散，任一相界面的变化都会导致PI液滴扩散的变化。当PI液滴在过孔周围向过孔内扩散时(图5)，液滴前进方向气相接触面积的增大使得液滴有凝聚现象，即前进方向接触角有增大现象。同时，PI小液滴在向Vcom过孔表面扩散时，液滴前进方向由水平方向变为倾斜方向，液滴前进角由于前进表面粗糙形貌[10]而存在能垒障碍，也会导致前进接触角增大。两者综合作用的结果是，当PI液滴从过孔周边向过孔内扩散时，液滴前进方向存在能垒，该能垒使得液滴前进方向接触角增大，随着PI液滴积聚越来越多，前进接触角越来越大，当液滴积聚量超过一定限度，液滴前进方向超越能垒而进入过孔内。高分子PI液滴的扩散是通过分子链段的协同作用发生分子内相对位移而缓慢移动，部分没能进入过孔内的小液滴在过孔周边集聚成膜形成PI Mura[11]。

图5 PI液滴在Vcom过孔周围扩散

图6是面板周边PI液不均匀扩散而形成的不良现象，该不良由以下几部分组成：(1)PI液在面板周边密集走线处(如com走线等)扩散不均造成，走线的高段差是影响扩散不良的主要原因；(2)PI液在周边Vcom过孔处扩散不均造成的，过孔周围的高能垒造成PI液滴无法跨越能垒进入过孔内，造成未进入过孔的PI液滴在过孔周围持续积聚形成宏观黑线不良现象。解决面板周边PI扩散性不良从以下几个方面着手：一是增加PI液滴在高段差密集走线附近的流动性，途径如下：(1)减薄金属走线，降低走线高度段差，利于PI液跨越走线增加流动均匀性；(2)变更PI涂布工艺参数，如减少PI滴下量，降低液滴在难扩散区域的积聚量；改变PI液滴进入Vcom过孔的难易程度：减小Vcom过孔对PI液滴扩散的影响，或将难扩散区域向远离像素区方向移动，让PI堆积尽量发生在像素区以外。以上改善措施可以通过变更PVX 掩膜版改变Vcom过孔的数量、尺寸和位置来解决。

图6 面板周边PI液扩散不均形成宏观黑线不良

3.2 周边黑线不良解决方案

3.2.1 PVX 掩膜版变更方案

由3.1节周边黑线分析可知，该不良形成的部分原因是由于PI液滴难以跨越过孔能垒进入过孔内,进而在过孔周围堆积而产生周边黑线不良。通过变更PVX掩膜版设计降低过孔对PI均匀扩散的影响程度是解决该不良的有效途径之一。

通过图2和图3分析可知，Vcom过孔的存在直接导致了PI液滴在该区域的正常扩散，PI液滴正常进入过孔的区域不会出现黑线不良，反之则会出现不良。通过变更Vcom过孔的周期和尺寸来降低过孔对扩散带来的不利影响，在满足信号转接要求的情况下，过孔数量的减少直接大幅提高了扩散区域表面的平坦度，降低了该区域PI液滴扩散所跨越能垒的次数，如对于GPL/GPR侧过孔周期变为原来1/8。另外过孔面积比原来减小了98%，极大改善了PI液滴在过孔周围的扩散均匀性。同时也变更了DP/DPO侧过孔的数量和尺寸，两侧过孔数量变为原来的1/9，过孔面积都比原来减小了99%。再者，将DP/DPO侧过孔距离AA区间距增大，目的是DP侧PI堆积发生在远离像素区域，不影响像素区正常显示。最终通过PVX掩膜版变更使得周边黑线发生率从100%减小为6.6%。

3.2.2 喷墨打印涂布方案变更

解决周边黑线一方面通过变更Vcom过孔数量和尺寸来降低过孔对PI液滴扩散的影响，另一方面通过变更Inkjet Printer涂布工艺来减小PI液滴积聚程度，即通过减小喷墨打印滴定液滴的重量(Drop mass)和增大液滴间距(Dot pitch)减少单位面积的液滴滴定量，膜厚的减薄减少了多余PI液在难扩散区域的堆积，周边黑线不良发生率从6.6%减小至0.5%。但PI膜厚减小太多时，AA区显示出现残像，同时V-T曲线偏移需gamma重新校正。

单纯地进行膜厚减薄会引入新的不良，在保证像素区膜厚不变的情况下，减薄面板边缘的膜厚是最理想的状态。因此，我们开发出喷墨打印边缘(EM)补正功能，即保持像素区膜厚不变，面板边缘EM区膜厚减半，如图7所示。EM区域单位面积PI液滴定数量是AA区滴定量的一半，也就是EM区域膜厚是AA区的一半，EM区域PI液的减少降低了该区域PI液积聚的可能性，同时AA区不会出现因PI膜减薄而出现残像等不良。

为彻底改善GPL/GPR侧PI液扩散不均问题，阵列基板面板采用条形涂覆方式，即DP/DPO侧存在PI EM(Bonding pad因素)，而GPL/GPR侧PI液全涂覆，则GP侧不再存在PI液扩散边缘，解决了GP侧PI液扩散不均的问题。同时，条形涂覆的面板信赖性评价(高温高压存储和膜层剥离测试)通过测试。条形涂布方式如图8所示。

图7 喷墨打印的边缘补正功能

图8 喷墨打印涂布方式的变更。(a)传统涂布方式；(b)条形涂布方式。

4 结 论

利用喷墨打印原理给阵列基板涂布PI取向膜，涂布喷头喷出PI液滴在重力作用下自由扩散成PI配向膜。TFT基板周边的走线和Vcom过孔阻碍PI液滴在其附近均匀扩散。Vcom过孔周边的能垒阻碍附近PI液滴扩散进入过孔内，则多余的液滴在过孔附近大量集聚形成周边黑线。我们通过变更PVX掩膜版解决Vcom过孔周边PI液扩散不均问题，通过改变面板周边过孔周期、尺寸以及过孔距像素区间距来减小过孔存在的影响，如GPL/GPR侧过孔周期变为原来1/8，过孔面积比原来减小了98%，DP/DPO过孔数量变为原来的1/9，过孔面积比原来减小99%，同时DP/DPO侧过孔与像素区间距增大，则DP侧PI液堆积远离像素区域，不影响像素区正常显示，最终通过PVX掩膜版变更使得周边黑线发生率从100%减小为6.6%。另外，通过变更喷墨打印机涂布工艺来减小面板周边PI液滴积聚程度，我们开发出喷墨打印机边缘补正功能，即保持AA区膜厚不变，面板边缘EM(Edge margin)区膜厚减半，EM区域PI液的减少降低了该区域PI液积聚的可能性，边缘补正功能使得周边黑线发生率从6.6%降至0.5%。为彻底改善GPL/GPR侧PI液扩散不均问题，阵列基板采用条形涂覆方式，即GPL/GPR侧PI液全涂覆，周边黑线不良发生率降至0.05%。