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# LCM 結構強度分析 The Analysis of Structural Strength for LCM 碩 士 論 文 中 華 大 學

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## 中 華 大 學 碩 士 論 文

(2)

### 中 文 摘 要

LCM 實際測試與 ANSYS Workbench 模擬分析結果的比較，確認實際測試與分析的 結果有相同的趨勢。針對LCM 結構，吾人選擇：雙面膠厚度、承載面積及 Frame 檔 牆高度，進行單因子LCM 結構的應力分析探討。結果為 X 軸正面下壓：雙面膠厚度 較厚為佳、承載面積較大為佳、Frame 檔牆高度較高為佳；Y 軸正面下壓：雙面膠厚 度差異不大、承載面積較大為佳、Frame 檔牆高度較低為佳。

Y 軸正面下壓：承載面積、Frame 檔牆高度及雙面膠厚度三個因子在 Y 軸影響效益，

9

(3)

### ABSTRACT

The purpose of this thesis is to investigate the design of the LCM strength by experimental and numerical simulation methods. There are a lot of factors such as the glass defects, IC defects, IC strengths and infrastructure of LCM to dominate the LCM strength. However, one considered three factors: double-sided adhesive thickness (factor A), bearing area (factor B) and Frame retaining wall height (factor C) on the infrastructure of LCM to the LCM strength.

The ASTM (C1505-01) 3PB testing standard code was selected in experimental method.

The test was implemented orthogonal directions on top surface of the glass by twenty specimens. The Weibull distribution function of the experimental results was used to determine the reliability of the glass strength. The finite element method (FEM) combining with ANSYS Workbench software was performed to verify the relevance of both experimental and numerical simulation methods.

In single variance analysis, it shows that (1) the greater double-sided adhesive thickness, the greater LCM strength in short direction. And, it is irrelevant in long direction; (2) the greater bearing area improves the LCM strength in both directions; (3) the greater Frame retaining wall height, the greater LCM strength in short direction. But, the conclusion is reversely in long direction.

Finally, the Taguchi method is used in quality characteristics of the three factors and exploring the best combination of the three factors. Three levels are chosen for each factor which renders L9 orthogonal array. According to results, the best combinations are

(4)

factor B, factor C and factor A in short direction. The consequences are equivalent for three factors in long direction.

Keyword：Taguchi Method, Weibull Distribution Function, Liquid Crystal Module, Finite Element Method, Three Point Bending Test

(5)

(6)

### 目 錄

ABSTRACT………...……..ii

1-1 前 言………..1

1-2 文獻回顧………...2

1-3 研究動機與目的………3

2.1 液晶顯示器………5

2.1.1 液晶顯示器之結構………5

2.1.2 玻璃基板介紹………..……10

2.1.3 TFT-LCD Array 介紹………..…17

2.1.4 彩色濾光片………..……19

2.1.5 液晶……….….21

2.1.6 偏光片……….…….22

2.1.7 背光模組………..…23

2.2 液晶顯示器可靠度測試介紹………..29

2.2.1 動作試驗……….….30

2.2.2 儲存試驗……….…….30

2.2.3 機械強度試驗……….….31

(7)

2.2.4 靜電耐壓試驗……….…….31

2.3 LCM 3PB 面壓介紹………32

2.3.1 3PB 面壓測試介紹………..33

2.3.2 韋氏分布………..34

2.3.3 圖解估計法………...37

3.1 測試實驗條件及方法………...…40

3.1.1 測試工具及機台………...…...42

3.1.2 測試實際產品結構………...……...44

3.1.3 測試結果………..45

3.2 有限元素分析………...…50

3.2.1 ANSYS 電腦輔助分析介紹………....50

3.2.2 ANSYS Workbench 介紹……….53

3.2.3 模擬結果………..54

3.3 測試實驗與模擬分析驗證………...57

4.1 參數變異分析介紹………..…58

4.2 雙面膠厚度效應………..…66

4.3 承載面積效應………..73

4.4 Frame 檔牆高度效應………...80

4.5 田口法分析………..…87

5.1 結論………..…93

5.2 建議………..…..…..95

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

### 1.2 文獻回顧

Ono 等 [1] 指出玻璃基板破裂的現象，是嚴重影響玻璃品質及可靠度問題的其中一 項，一般破裂的原因都是由拉應力產生，而應力最大點是在與機構連結的位置；分析 如何消除或減少拉應力，破損分析主要是在探討玻璃與機構間，衝擊及摩擦對裂痕方 向的影響，切割條件會影響斷裂面的裂痕方向，也會造成玻璃強度上的差異，可藉由 切割條件的優化，來改善裂痕擴散方向。

Ono 等 [2] 探討玻璃基板再切裂過程，切割刀輪動線、切割壓力及切割速度中，對 玻璃裂片的影響，其中使用4PB (Four-Point-Bending Test) 研究裂片的過程，裂痕擴 散破壞過程的現象，其中影響最大的是切割刀輪切割後所留下的殘留應力。切割刀 輪，改變刀輪角度會影響切割後玻璃殘留應力的大小。結果為刀輪角度 130 度及刀 輪直徑 4 mm 的情況下，較少有橫向的裂痕狀況發生。

(16)

劉彥麟 [4] 探討應用六標準差模式改善 LCD 面板的強度，使用的測試方式是 3PB 面 壓測試，其中分析各項玻璃切割破裂及LCM 的製程條件，對 LCD 及 LCM 強度的影 響，其結果為在LCD 製程中切割裂片的條件：切割刀輪型式、切割壓力、切割速度 及切割動線等相關的切割條件，對 LCD 及 LCM 的強度影響較大，再優化切割裂片 的條件後，改善的效益較大。

ASTM 測試規範[5-7] 其對於強度上的測試項目有：4PB 面壓測試、 ROR 面壓測試 及 3 PB 面壓測試，搭配業界需求的各細項定義後，再進行各項強度的測試。

Sideridis 等 [8] 藉由樑應力應變的機械力學理論，導出複合薄片材料 3 點面壓測試的 理論，經由複合式材料3 點面壓的結果與推導出的公式互相確認，其結果為推導的公 式在機械理論中是合理的，實體複合材料在測試中的結果較不易預料。

(17)

(18)

### 2.1 液晶顯示器相關介紹

便能改變入射光線的偏轉特性，然而實際製作卻是不簡單。目前有下列幾種：TN、

STN、a-Si(TFT)及 Poly-Si(LTPS)，目前以 a-Si(TFT) 在市面上應用最廣。

(19)

(20)

TFT 基板 下偏光片

(21)

(22)

(23)

(24)

### 2.1.2 玻璃機板介紹

PMLCD PDP FED EL

NSG NEG Central SCHOTT 0.03~3.5 mm 開口下拉法 △ SCHOTT

NEG 0.3~3.5 mm 溢流融合下拉法 ○

NHT NEG Central 無鹼玻璃 5~15 nm

0.3~2.5 mm 薄板浮式 ◎

AMLCD AMOEL AMFPI

AGC 石英玻璃 - 0.4~0.675 mm - Χ HTPS

Central NHT AGC

(25)

Substrate Size Evolution Generation Years Size Gen. 1 1990 300x400 Gen. 2 1993 360x465 Gen. 2,5 1994 400x500 Gen. 3 1995 550x650 Gen. 3.5 1997 620x750 Gen. 4 2000 730x920 Gen. 5 2002 1100x1300 Gen. 6 2003 1500x1850 Gen. 7 2005 1870x2200 Gen. 7.5 2008 1950x2250 Gen. 8.5 2008 2200x2500

(26)

切割及分斷 洗淨

（NipponElectric Glass, NEG）、以及板保科技玻璃公司（NH Technoglass, NHT）4 家 廠商可以供應 TFT－LCD 用玻璃基板。在市場需求持續成長下，除了現有廠商積極 擴建熔爐增加產量外，新的競爭者也陸續加入，如臺灣碧悠國際光電公司。

TFT－LCD 用玻璃基板的成型製程，主要區分為三大類型：薄板浮式(Floating Process)

(27)

(28)

利用鉑銠合金所製程的流孔槽(Platinum Bushing)，長期承受高溫與外力會産 生變形，影響厚度均勻性及表面平整度，再重力與下拉捲軸(Drawing Rolls) 牽引 的力量控制玻璃的厚度，因此比較容易製造超薄玻璃基板。但由於此開口下拉法 為垂直方向退火，容易再水平的傳送時不易控制良率。另外，開口下引技術的垂 直流程，使用了大量的鉑金及鉑銠合金，增加了工程難度和建造成本。

(29)

拉出的方向 水平 垂直向下 垂直向下

利用液態錫與玻璃膏間

不同的密度 重力 重力

數 單面 無 雙面

(30)

### 2.1.3 TFT-LCD Array 介紹

(31)

n 型非晶矽...等薄膜沉積製程，接著利用黃光及蝕刻模組形成主動層區域之圖樣，後 再以薄膜模組進行，以濺鍍(Sputter) 鍍上一層金屬層後，接著利用黃光及蝕刻模組形 成源極和汲極區域之圖樣(Source and Drain-Area-Patterned)，隨後再以薄膜製程進行以 矽烷之化學沉積 SiNx 以形成 TFT 區域保護，最後則以薄膜模組進行 Sputter 鍍上 一層 ITO 層後，接著利用黃光及蝕刻模組形成畫素區域之圖樣(Pixel Area Patterned)。

(32)

### 2.1.4 彩色濾光片介紹

TFT 面板所以能呈現彩色的影像，主要就是靠彩色濾光片，背光源透過液晶及驅動 IC 的控制形成灰階光源，而彩色濾光片上塗佈著紅、綠、藍三色顏料光阻，光源再 通過彩色濾光片即形成紅、綠、藍色光，最後在人眼中混合形成彩色影像。彩色濾光 片為 TFT 面板主要零組件，其成本也是顯示器中最昂貴的，所以顯示器廠商幾乎都 有在生產彩色濾光片。Color Filter Pattern，如圖 2-15 所示。

(33)

Stripe Mosaic Delta Triad 圖2-15 Color Filter Pattern

Black Matrix Glass substrate

Color Filter 未來發展趨勢： (1) 提高解析度 (2) 提高對比 (3) 提高廣視角視野(4) ITO

Development Repeat G、B R Color Resin Photo Mask Color Resin

UV light

(34)

(35)

(36)

### 2.1.7 背光模組

(37)

Reflector sheet

Diffuser sheet 擴散片 Prism sheet

LGP 導光板 CCFL

冷陰極管 Reflector

(38)

Diffuser sheet

Diffuser 擴散板

Reflector

冷陰極管 CCFL 棱鏡片

(39)

(40)

(41)

Diffusely recycled

(42)

(43)

### 2.2.1 動作試驗 (Operation)

( High Temperature Operation, HTO ) 低溫動作試驗

( Low Temperature Operation, LTO ) 高溫高濕動作試驗

( High Temperature & High Humidity Operation, HHO ) 動作試驗

( Heat Cycle Operation, HC )

### 2.2.2 儲存試驗 (Storage)

( High Temperature Storage, HTS ) 低溫儲存試驗

( Low Temperature Storage, LTS ) 高溫高濕儲存試驗

( High Temperature & High Humidity Storage, HHS ) 儲存試驗

( Thermal Shock Non-Op, TS )

(44)

### 2.2.3 機械強度試驗 (Mechanical Test)

( FPC Bending Test ) FPC 剝離強度試驗

( FPC Deiamination Strength Test ) FPC 金手指插拔測試

( FPC Golden finger pin test ) 振動試驗

( Sine Vibration Test - Non Operation ) 振動試驗

( Random Vibration Test - Non Operation) 衝擊試驗

( Shock Test- Non Operation )

LCM 3 point bending or 4 point bending 機械強度試驗

Panel 3 point bending or 4 point bending

### 2.2.4 靜電耐壓試驗 (ESD Test)

(45)

( Human Body Model Terminal ESD Test - Non Operation)

( Machine Model Terminal ESD Test - Non Operation) 靜電耐壓試驗

( Surface ESD Test - Operation)

### 2.3 LCM 3PB 面壓介紹

C1505 及 C158，來驗證 LCM 玻璃及 LCM 本體強度。

LCM 3PB 面壓測試的探討，會分為玻璃及 LCM 結構兩大項目，本文是對 LCM 結 構的探討為主。且排除玻璃製程問題及 LCM 生產製程問題，單就 LCM 結構設計 為主，研究LCM 強度之改善。

(46)

My

σ = I (2.1)

(47)

4 2 3 1 3 2 2 12

= = × =

(2.2)

拉應力最大點 壓應力最大點

(48)

LCM

### 2.3.2 韋氏分佈

若 μ 為三個參數的韋氏分佈，則此隨機變數的累積分佈函數為

; , , 1- (- - ) , -

F x e x x

δ β

β δ δ

θ δ

θ =

(2.3)

( )

( ; , ) 1- - X/ ; 0

θ β

= (2.4)

(49)

-1 ( )

( ; , ) x - x/

f x e β

β

β θ

θ β θ θ

= ⎜ ⎟⎛ ⎞

⎝ ⎠ (2.5)

-1

( ) x , 0

h x x

β β

θ θ⎛ ⎞

= ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ≥ (2.6)

0 1 - /( )

, k k x dx

k

u E X x x e

β β

β θ

θ θ

⎛ ⎞

= =

### ∫

⎜ ⎟⎝ ⎠ (2.7)

利用以下的轉換

u x

β

θ

= ⎜ ⎟⎛ ⎞⎝ ⎠ (2.8)

x -1

du dx

β β

θ θ⎛ ⎞

= ⎜ ⎟⎝ ⎠ (2.9)

/ -

, k 0 k u k

=

β

(2.10)

(50)

k k

1+1 ,

u θ

β

= Γ⎜

(2.11)

(1 1) u θ

= Γ +β (2.12)

2 2 (1 1) 2(1 )

σ θ 1

β β

= Γ + − Γ +

(2.13)

( )

( ) 1 - /t

F t e

θβ

= − (2.14)

( 1 1( ))

In In Int In

F t =β −β θ

− (2.15)

(51)

1 ( 1 1( ))

Int In In In

F t θ

= β + (2.16)

### ( )

Y) 繪入韋氏機率圖中，再利用最小平方法求得最佳直線。

### ( )

F t

( )1

XX( )2 …... X( )n 。則兩種估計式為

(1) 使用 F x( ( ) 的期望值

i ) E F x( ( ( ))) j n/ 1 j = +

(2) 使用 F x( ( ))

j 的中位值 (

−0.3) / (

+0.4)

(52)

(53)

### 3.1 測試實驗條件及方法

(54)

LCM 製作生產

數據比較差異過大 或分析結果判斷為不合理

不合理

(55)

### 3.1.1 測試工具及機台

LCM 3PB 面壓測試的治具，主要是利用拉壓測試機台，如圖 3-2 所示。施加壓力值 到 3PB 治具上，拉壓測試機會以 3 mm/min 固定的速度對測試物(LCM)下壓，當測 試機台下壓的深度越深，機台偵測到壓力也會越大，當在產品破裂的瞬間，壓力大小 會有較大的落差，當機台偵測到過大的壓力變化量的時候，就會停止動作，且執行回 覆起始點的動作，在同時並紀錄玻璃在破裂瞬間的承受壓力最大值。

拉壓機台測試完成後，會將負荷及機台位移量紀錄下來，並繪製成圖形及表格提供給 相關人員參考，如圖3-3 所示。

(56)

拉壓機台測試完成後，除了提供曲線圖之外，再輸出的表格中，計算其 X 及 Y 軸 的最大梯度，提供給相關人員參考，如表3-1 所示

X-截距在 Maximum 梯度 (Automatic Young's)

(mm)

Y-截距在 Maximum 梯度 (Automatic Young's)

(N) 1 98.16 2.04 0.327 -18.742 2 107.55 2.20 0.313 -17.876 3 77.54 1.70 0.349 -20.014 4 96.61 2.03 0.342 -19.648 5 67.76 1.54 0.343 -19.477 6 105.53 2.19 0.338 -19.289 7 78.44 1.75 0.349 -19.566 8 80.81 1.79 0.367 -20.849 9 67.85 1.53 0.341 -19.554 10 57.67 1.35 0.341 -19.600

(57)

### 3.1.2 測試實際產品結構

No Part Name 上偏光片(Top Polarizer) 1

3 下偏光片(Down Polarizer) 4 雙面膠(Double Tape) 5 上棱鏡片(Top Prism sheet) 6 下棱鏡片(Down Prism sheet) 7 下擴散片(Down Diffuser sheet) 8 導光板(LGP)

9 反射片(Reflection sheet) 10 膠框(Mold-Frame) 11 雙面膠(Double Tape) 12 鐵片(Metal Chassis) 13 IC

14 Mylar 膠帶(Mylar Tape) 15 雙面膠(Double Tape) 16 FPCa

17 雙面膠(Double Tape) 圖3-4 LCM模組結構圖

(58)

### 3.1.3 測試結果

Item 0.275 mm 0.5 mm 提升比率 X 軸方向正面向上 (MPa) 21.06 25.64 17.86 % Y 軸方向正面向上 (MPa) 29.35 37.21 21.12 %

(59)

Parameters Weibull Distribution

-4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00

2.50 3.00 3.50 4.00 4.50

Ln(Value)

### L n(L n(1 /(1 f)))

0.275mm Y軸方向

y = 4.4747x - 15.887 R2 = 0.9262

### p

The main disadvantage of the Derman-Kani tree is the invalid transition probability problem, in which the transition probability may become greater than one or less than zero.

6 《中論·觀因緣品》，《佛藏要籍選刊》第 9 冊，上海古籍出版社 1994 年版，第 1

Robinson Crusoe is an Englishman from the 1) t_______ of York in the seventeenth century, the youngest son of a merchant of German origin. This trip is financially successful,

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