關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控制液晶分子的轉動方向，借以控制每個像素點偏振光透射度，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）及四周的環氧樹脂封裝起來（在真空環境下，將液晶分子通過封接邊框上預留的注入口填充，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。

液晶實現顯示所用的液晶材料是一種存在液態和固體雙重性質的有機物，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，一但加上直流電場后，分子的排列被打亂，一部分液晶會改變光的傳播方向，液晶前后的偏光片會阻擋特定方向的光線，從而產生顏色深淺的差異，因而能顯示數字和圖形。

液晶顯示材料具有其特有的優點，這里需要特別注意的是，液晶是一種被動發生的顯示，它本身并不能發光，只能借助使用周圍環境的光。也正是因為這個特點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使LCD 顯示方式被多數人選擇接受。而且驅動電壓低、顯示可靠性高、同時兼顧顯示信息量、彩色顯示、相較于其他顯示方式無閃爍問題、對人體無危害、生產過程自動化水平高、成本低、規格和類型變化適應性強，且便于攜帶。液晶顯示技術對顯示顯像產品結構產生了非常深刻影響，在社會生產生活中被大量使用，給人們帶來便利提高了生活品質。

圖3

1 背景描述

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

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，先進行必要的外觀檢查，未發現明顯問題然后進行電性能檢測，再進一步做非破壞性分析，若仍未發現失效原因，則必須對樣品進行破壞性分析，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方面。

1）液晶制作時，玻璃涂光刻膠前如果清洗不徹底，作業面有異物或者油污等附著，會導致對應區域未能涂上光刻膠，經蝕刻工序后引起走線斷路，具體過程如圖5。

圖5

2）隨著現在越來越多附加IC 的液晶投入使用，當裝配過程中液晶中IC 受靜電影響，也同樣會導致ITO燒毀出現顯示缺劃問題，如圖6。

圖6 ITO線路燒毀故障圖

3）客戶端使用過程中出現摔機或者受到嚴重擠壓，受過大外力影響導致液晶玻璃臺階處產生破損，造成液晶電極與導電膠鍵存在連接不穩定問題，對于帶PFC（排線）結構的液晶PFC 連接質量同樣需重點關注，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，導致臟污殘留，亦或制程造成了電極損傷未及時發現剔除，內部電極處因存在異常物質，都可能導致LCD 加電顯示一段時間后引起電化學腐蝕開路。此異物引起的化學污染相較于器件外部異物的影響，區別在于該異物引起問題是發生在內部，相較于異物引起的線路蝕刻失效，其失效往往需經過一段時間才會出現，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

針對該問題的產生原因分析如下。

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

圖10 短路圖片

2）廠家在生產作業過程中在對FPC（線路）進行熱壓作業時，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，此種情況也會在分顯時多劃，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 個方面：

1）廠家和加工使用端的生產過程中的靜電防護能力不足導致，液晶在過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，在過程中容易損壞；

3）加裝過程中，本體產生了超過液晶芯片承受靜電擊穿能力的過大靜電場，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。顯示區域的異物會影響液晶的顯示性能且非常直觀，同時異物存在的位置不同，可以導致液晶顯示黑點、白點。當異物處于背光源、偏光片中，在液晶上電后，顯示出來的是異物本身的形狀，通?？梢钥匆姾邳c；當異物處于液晶盒里，由于異物的原因，使得光的折射發生了變化，有光線從異物里面折射出來，射入人眼，因而觀察到漏光的亮點現象，如圖14。

圖14

2.5 失效模式五：麻點

麻點是液晶的鋁層被腐蝕呈現黑點現象，由于碘是偏光片的基礎原料，碘極易揮發，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境下發生升華，穿透TAC 膜后與反射膜中的鋁層在水汽條件下發生氧化還原反應，鋁層被腐蝕呈現黑點現象。由于對液晶儲存環境的不重視，此問題近年上升趨勢十分明顯。

圖15

3 關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，也是影響液晶生產質量的頑疾，光刻膠的涂覆、內部的線路化學污染、灰塵對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 塊液晶成品需經歷多個生產環節，特別是針對制程作業現場及清洗溶液的清潔更換頻率，以提升作業現場水平，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

液晶的儲存環境也是液晶質量保障環節中非常重要的一環，溫度過高或過低，則液晶失去固液的中間態，往兩級分化，帶來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 ℃。同時濕度的管控也非常關鍵，在通電過程中，水汽多可以作為媒介，使內部發生一系列化學反應，引起顯示異常。需注意存放，避免與有腐蝕、揮發性化學物品接觸，否則會導致電極腐蝕、管腳氧化、密封膠失效等缺陷。同時使用的時候需特別注意的是LCD 表面不能加壓過大，容易破壞定向層，使用或加工過程中萬一出現加壓過大，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非常關鍵。提升液晶靜電防控能力需從3 個方面著手。

1）首要的是廠家生產線體的防靜電系統的建設，防靜電膠墊及離子風機、操作臺接地以及人員防靜電工具的佩戴，不局限于生產廠家，使用加裝單位需同步關注作業環境和人員的防靜電，在注重生產加工環節的同時，需同步關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，優化靜電消散同時降低引入可能，在 FPC 上面加貼 TVS 管，電阻電容等元器件，搭配改善后的走線，進一步提升液晶整體模組的抗靜電能力，來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，往往出廠會加裝一塊防刮擦的薄膜，該薄膜往往容易被忽視，經驗證，非防靜電薄膜在生產加裝過程中去膜過程的撕扯動作可產生 10 kV 以上的靜電壓，所以，對于液晶接觸的材料和使用過程需進行的動作需全面的評估與驗證。

圖18

4 結束語

本文總結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提出幾點液晶質量可靠性提升需重點關注的管控點，如液晶的儲存問題在日常生產過程中可能不會像其他濕敏器件那么能得到關注，但通過本文對液晶失效分析總結，異常的儲存環境下同樣會對液晶的顯示性能產生致命的影響。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。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年4月期）