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

中 華 大 學 碩 士 論 文

LCM 結構強度分析

The Analysis of Structural Strength for LCM

系 所 別：機 械 工 程 研 究 所 學號姓名：E09708010 曾 百 川 指導教授：陳 精 一 博士

中華民國 九十九 年 八 月

中 文 摘 要

本研究目的是探討液晶顯示器(LCM) 3PB 面壓測試的強度分析，在改變 LCM 結構，

對LCM 強度上有何種程度的影響。其影響 LCM 面壓測試的主因為：玻璃缺陷、 IC 缺陷、 IC 強度及 LCM 結構設計，本研究僅對 LCM 結構進行討論。面壓測試使用 ASTM 3PB(Three Point Test)規範，並搭配韋氏分佈函數 (Weibull Distribution Function) 圖解法，計算 MTTF10 %的數據結果，來判斷玻璃強度的可靠度。分析方面使用 ANSYS Workbench 軟體，分析在水平 X 與 Y 方向受力 30 N 時，玻璃所產生的應力，

為強度指標。

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。

為了考慮雙面膠厚度、承載面積及Frame 檔牆高度三個因子的相互影響性，使用田口 分析法，分析三個因子對LCM 強度特性的影響性，並探討三個因子組合的最佳化。

三個因子分別採用三個水準，故選用L 直交表。結果為 X 軸正面下壓：承載面積的 大小對LCM 整體強度影響較大，Frame 檔牆高度次之，而雙面膠厚度的影響是最小；

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，

大致上相同。

9

關鍵詞：田口法、韋氏分佈、液晶顯示器、有限元素法、三點面壓

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

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

誌 謝

就業至今從未想到還會有再次進修的機會，在此首先要感謝我的指導老師陳精一博士 及前部門長官張義輝副理的鼓勵及溝通，讓我有機會在繁重的工作下再次進修及持續 完成修業。

在這兩年的學習過程中，承蒙指導老師陳精一博士的悉心指導及教學，使本論文得以 順利完成，再此致上我最誠摯的敬意。此外，承蒙口試委員涂聰賢博士、倪慶羽博士 的細心指正及提供寶貴的建議，使本文更臻理想，在此亦深表感激。

在研究期間，首先感謝部門主管沈瑞協經理、王健璋副理、張義輝副理、統寶光電的 同仁們振忠、立豐、華斌、易勳的幫助及建議，才使實驗得以順利完成，再此感謝你 們。

最後，感謝支持我、陪伴我的父母及內人怡榛，為了讓我可以全力的完成學業，沒有 太多的時間可以陪伴你們，感謝你們默默的支持，僅以完成此篇論文的成果的喜悅，

願與大家一同分享我的喜悅。

目 錄

頁次

中文摘要……….…..…….… i

ABSTRACT………...……..ii

致謝………...…...…iiii

目錄………..……v

表目錄………...……vii

圖目錄……….….ix

第一章 緒論………1

1-1 前 言………..1

1-2 文獻回顧………...2

1-3 研究動機與目的………3

第二章 液晶顯示器相關介紹………5

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

頁次

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

第三章 LCM 3PB 面壓測試與模擬分析驗證……….40

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

第四章 LCM 3PB 面壓參數變異分析……….58

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

第五章 結論與建議………..…93

5.1 結論………..…93

5.2 建議………..…..…..95

表 目 錄

頁次

表2-1 顯示器玻璃基板比較………...….11

表2-2 玻璃基板世代尺寸……….…...12

表2-3 玻璃基板 3 大成型製程各種條件的比較………....16

表2-4 動作試驗項目………....30

表2-5 儲存試驗項目………..…..30

表2-6 機械強度試驗項目………..………..31

表2-7 靜電耐壓試驗項目………....32

表3-1 拉壓測試機輸出結果………43

表3-2 實際測試結果………....45

表3-3 承載面積 0.275-X 軸方向正面下壓測試資料………..46

表3-4 承載面積 0.275-Y 軸方向反面下壓測試資料……….47

表3-5 承載面積 0.5-X 軸方向正面下壓測試資料……….48

表3-6 承載面積 0.5-Y 軸方向反面下壓測試資料………..49

表3-7 ANSYS Workbench 分析結果………...54

表4-1 ANSYS Workbench 材料參數………..…...65

表4-2 雙面膠厚度分析 X 軸正面下壓結果………66

表4-3 雙面膠厚度分析 Y 軸正面下壓結果………....69

表4-4 承載面積分析 X 軸正面下壓結果………...73

表4-5 承載面積分析 Y 軸正面下壓結果………...76

表4-6 Frame 檔牆高度分析 X 軸正面下壓結果……….80

表4-7 Frame 檔牆高度分析 Y 軸正面下壓結果……….83

表4-8 田口法模擬之各項參數水準………..………..87

表4-9 田口法模擬之直交表………....87

頁次

表4-10 X 軸正面下壓田口法模擬應力分析結果………..89

表4-11 X 軸正面下壓田口法模擬數據………..89

表4-12 X 軸正面下壓各參數在各水準的效應………..90

表4-13 Y 軸正面下壓田口法模擬應力分析結果………..91

表4-14 Y 軸正面下壓田口法模擬數據………..91

表4-15 Y 軸正面下壓各參數在各水準的效應………..91

圖 目 錄

頁次

圖2-1 液晶顯示器結構示意圖………..6

圖2-2 TFT-LCD 製造流程示意圖……….6

圖2-3 液晶顯示器光源示意圖………...…...7

圖2-4 被動式驅動顯示器示意圖………...8

圖2-5 主動式驅動液晶顯示器示意圖………...8

圖2-6 穿透式 TFT-LCD 結構搭配背光源示意圖………9

圖2-7 半反射 TFT-LCD 結構搭配背光源示意圖………..10

圖2-8 反射式 TFT-LCD 結構搭配前光源示意圖………...10

圖2-9 玻璃基板前段流程示意圖………....13

圖2-10 玻璃基板後段加工流程示意圖………..13

圖2-11 薄板浮式製程示意圖………..14

圖2-12 溢流融合下拉式示意圖………...15

圖2-13 TFT-LCD Array 製程示意圖………...18

圖2-14 CF 顯示原理示意圖………....19

圖2-15 Color Filter Patter………20

圖2-16 Color Filter 製程示意圖……….20

圖2-17 TN 型光電效應之原理………21

圖2-18 偏光片結構示意圖……….22

圖2-19 偏光片特性示意圖……….23

圖2-20 側光式結構示意圖……….24

圖2-21 直下式結構示意圖………...25

圖2-22 LGP 內部光線的路徑示意圖……….26

圖2-23 擴散片結構示意圖……….27

頁次

圖2-24 棱鏡膜增亮示意圖………..………....28

圖2-25 使用 2 片棱鏡片互相垂直的光學特性圖………..29

圖2-26 左：Panel-3PB 測試圖 右：LCM-3PB 測試圖………...33

圖2-27 應力分布示意圖………...34

圖2-28 3PB 彎曲示意圖………..35

圖2-29 玻璃面壓韋氏分佈示意圖………..39

圖3-1 研究流程圖……….………...41

圖3-2 3PB 治具固定於拉壓測試機台………....42

圖3-3 拉壓測試機台輸出曲線圖………...….43

圖3-4 LCM 模組結構圖………..………44

圖3-5 左：A 模組，右：B 模組……….45

圖3-6 承載面積 0.275-X 軸方向正面下壓韋氏分佈圖………....46

圖3-7 承載面積 0.275-Y 軸反向正面下壓韋氏分佈圖………....47

圖3-8 承載面積 0.5-X 軸方向正面下壓韋氏分佈圖……….48

圖3-9 承載面積 0.5-Y 軸反向正面下壓韋氏分佈圖……….49

圖3-10 有限元素分析之流程圖...52

圖3-11 0.275 X-軸方向正面下壓分析應力分佈圖………55

圖3-12 0.5 X-軸方向正面下壓分析應力分佈圖………....55

圖3-13 0.275 Y-軸方向正面下壓分析應力分佈圖………56

圖3-14 0.5 Y-軸方向反面下壓分析應力分佈圖………....56

圖4-1 雙面膠厚度變動示意圖………..……….…………58

圖4-2 承載面積變動示意圖………...………....59

圖4-3 Frame 檔牆高度變動示意圖……….60

圖4-4 X 軸正面下壓之實體模型……….………...61

頁次

圖4-5 X 軸正面下壓之有限元素模型………...61

圖4-6 X 軸正面下壓之負載及負載方向………...62

圖4-7 X 軸正面下壓之邊界條件(一)……….62

圖4-8 X 軸正面下壓之邊界條件(二)………...62

圖4-9 Y 軸正面下壓實體模型………63

圖4-10 Y 軸正面下壓之有限元素模型………..……....63

圖4-11 Y 軸正面下壓之負載及負載方向………..64

圖4-12 X 軸正面下壓之邊界條件 (一)……….64

圖4-13 X 軸正面下壓之邊界條件 (二)……….64

圖4-14 雙面膠 X 軸壓力趨勢圖……….66

圖4-15 X 軸-雙面膠厚度 0.03 mm……….67

圖4-16 X 軸-雙面膠厚度 0.06 mm……….67

圖4-17 X 軸-雙面膠厚度 0.09 mm……….68

圖4-18 X 軸-雙面膠厚度 0.12 mm……….68

圖4-19 X 軸-雙面膠厚度 0.15 mm……….69

圖4-20 雙面膠 Y 軸壓力趨勢圖……….70

圖4-21 Y 軸-雙面膠厚度 0.03 mm……….70

圖4-22 Y 軸-雙面膠厚度 0.06 mm……….71

圖4-23 Y 軸-雙面膠厚度 0.09 mm……….71

圖4-24 Y 軸-雙面膠厚度 0.12 mm……….72

圖4-25 Y 軸-雙面膠厚度 0.15 mm………..72

圖4-26 承載面積 X 軸壓力趨勢圖………..73

圖4-27 X 軸-承載面積 0.275 mm………...74

頁次

圖4-28 X 軸-承載面積 0.5 mm………74

圖4-29 X 軸-承載面積 0.6 mm………...75

圖4-30 X 軸-承載面積 0.7 mm………75

圖4-31 X 軸-承載面積 0.8 mm………76

圖4-32 承載面積 Y 軸壓力趨勢圖……….77

圖4-33 Y 軸-承載面積 0.275 mm………....77

圖4-34 Y 軸-承載面積 0.5 mm………...….78

圖4-35 Y 軸-承載面積 0.6 mm………...78

圖4-36 Y 軸-承載面積 0.7 mm………..….79

圖4-37 Y 軸-承載面積 0.8 mm………..….79

圖4-38 Frame 檔牆 X 軸壓力趨勢圖………...80

圖4-39 X 軸 Frame 檔牆高度 1.0 mm………..81

圖4-40 X 軸 Frame 檔牆高度 0.9 mm………..81

圖4-41 X 軸 Frame 檔牆高度 0.8 mm………..82

圖4-42 X 軸 Frame 檔牆高度 0.5 mm………...82

圖4-43 X 軸 Frame 檔牆高度 0.0 mm………83

圖4-44 Frame 檔牆 Y 軸壓力趨勢圖……….84

圖4-45 Y 軸 Frame 檔牆高度 1.0 mm………..84

圖4-46 Y 軸 Frame 檔牆高度 0.9 mm………..85

圖4-47 Y 軸 Frame 檔牆高度 0.8 mm………..85

圖4-48 Y 軸 Frame 檔牆高度 0.5 mm………86

圖4-49 Y 軸 Frame 檔牆高度 0.0 mm………86

圖4-50 X 軸正面下壓之田口法平均值結果分析……….………….……90

圖4-51 Y 軸正面下壓之田口法平均值結果分析………..………92

第一章 緒論

1.1 前言

現在人再不同的需求下，隨身都攜帶一隻或多隻手機，多數人都是使用手機來聯絡，

甚至手機還可幫人們做到更多的事情，如果讓這些手機變成移動式手持電腦，人們就 可以透過手機即時取得豐富的生活與服務應用資訊、即時發表自己心情與心得、分享 生活點滴與紀錄日常生活重要資訊。

當前的生活環境中，在訊息的傳遞上，有著大幅度的進步，靠著訊息的傳遞，人與人 通信，正逐漸邁向人與網路通信，甚至裝置與裝置之間的連結。因此，網路將會無所 不在，感應裝置、高效資訊通路、強大後端平台處理將會更為普遍，數位消費者冀求 效率更高，更為豐富的多媒體服務。

手機的產生對於目前人與人之間關係，扮演著非常重要的關連性，在 2007 年之後 Apple iPhone 對手機產業帶來的影響，加快智慧型手機普及的速度。為合乎消費者的 需求及品味，智慧型手機除具有基本通訊功能外，還具有以下功能或裝置：較大尺寸 的LCD 面板、加強無線傳輸功能、容量較大之內建記憶體、採用開放式作業系統，

並搭配各種應用程式等功能。

在增加手機功能的同時，也會有輕便性的需求，再使用較大的液晶顯示器(LCM)的狀 況下，為有效的減少手機的重量，大部分的手機製造商，都會在手機的厚度上，將手 機輕薄化，以有效的降低手機重量及增加攜帶性。

手機的使用，已經融入人們生活環境中，無時無刻都看得到手機，由於現在智慧型手 機的快速成長，手機與人之間的關係，越來越密切。由於手機長時間應用在生活之中，

對手機可靠度的要求也隨之增加，為減少手機在使用過程中，有較嚴重的破壞現象產 生，在手機生產過程後，就會進行各種類的可靠度驗證。

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。

張簡志偉 [3] 以剛球撞擊的測試模式，探討加強 LCM 強度的方式，使用 4 點面壓及 ROR 測試配合韋氏分佈函數，確認其玻璃強度的可靠度。藉由實驗測試不同的 LCM 模組結構，比較各種的模組結構中，何種結構的耐撞擊高度較好，再搭配使用 ANSYS/LS-DYNA 軟體模擬，各結構在剛球撞擊的瞬間承受應力的變化。落球測試 中，可有效增加LCM 模組落球高度的設計，是在 LCM 模組上增加光學高透膜後，

會有較佳的結果。

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。

1.3 研究動機與目的

在使用較大尺寸的顯示面板，為預防手機在售出後發生異常現象，手機業者在手機出 廠前都有許多的可靠度測試項目，防止在使用手機的過程中，出現任何的異常現象。

產業上，有許多可靠度驗證項目，都與機械結構有相關性，為預防產品後期的可靠度 測試中，發生機械強度可靠度測試未達標準的狀況，所以在設計前使用分析軟體，評 估設計面上，是否造成產品強度過於脆弱的問題，以減少設計的變動。然而在最後的 產品仍會進行實體的可靠度測試驗證，確認產品的可靠度。

手機業者會模擬產品在使用中可能發生的狀況，也是目前研發單位一直在探討及研究 的課題。在手機強度的測試項目有：落下測試 (Drop Test)、落球測試 (Ball Drop Test)、扭曲測試 (Torsion Test)、面壓測試 (Push Test) 、滾筒測試(Tumble Test)等，

其中針對LCM 進行測試的項目是面壓測試。

本研究是針對手機中的一項關鍵零主件 LCM 為主要研究項目，在手機整體強度的測 試中，LCM 是最容易出現損壞的元件，目前都是在產品製作完成後，再經由實際測 試結果判斷產品的能力，所以在設計初期可以有效的知道LCM 承受強度的能力，可 減少後續修正所花費的時間及金錢，為此研究的最終目的。

第二章 液晶顯示器介紹

2.1 液晶顯示器相關介紹

隨著網際網路與無線電通訊技術的急遽發展，資訊化漸漸普及於個人，因此可攜式資 訊產品，如筆記型電腦、行動電話、智慧型手機、數位相機等，均快速發展與成長。

由於液晶顯示器具有：薄型化、輕量化、低耗電量、無輻射污染、且能與半導體製程 技術相容等優點，並順應著網際網路數位資訊化市場的興起，使其在短年間內，產品 之應用更呈現飛躍性的成長。由早期的簡易手錶、計算機等低資訊容量顯示產品的應 用，漸漸擴及精細化的監視器或可攜式資訊產品。其技術涵蓋材料、設備、製程、產 品特性等諸多層面的開發。

液晶顯示器顧名思義就是利用液態晶體的光學特性來達到顯示的效果，結構很簡單，

只要把液態晶體灌入兩片抽完真空的玻璃間，再加上電壓，並適當控制玻璃板間距，

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。

2.1.1 液晶顯示器之結構

一般來講液晶運用在顯示器上，主要靠液晶的電光效應和偏光的特性。液晶顯示器的 構造，如圖2-1 所示。以 TFT-LCD 來講，關鍵零組件包括玻璃基板、彩色濾光片、

偏光片、驅動IC、液晶材料、配向膜、背光模組、ITO 導電薄膜及其他 Cell & Module 製程要用到的材料及化學用品等。TFT-LCD 製造流程，如圖 2-2 所示。

圖2-1 液晶顯示器結構示意圖

圖2-2 TFT-LCD製造流程示意圖

光源首先由背光源的光線照在偏光板上，光線在穿過偏光板後，會被偏極化 (也就是 偏極化後每一個光線的分子，在能量、相位、頻率和方向上的特性都會相同)。偏極 化的光線會穿過液晶，因為液晶分子的排列方式被電極產生的電壓影響，因此液晶可 以改變偏極化光線的偏光角度，不同的偏光角度造成出來的光線強度會不同，不同強 度的光線再經由彩色濾光片的紅、藍、綠三個畫素，就會顯示出各種不同的亮度和不 同顏色的畫素，最後再經由各個畫素可組成肉眼看得到的各種影像和圖形。如圖2-3 所示。

上偏光片

彩色濾光片

液晶

TFT 基板 下偏光片

光源

圖2-3 液晶顯示器光源示意圖

液晶顯示器依據驅動方式的差異可分為二大類：被動式驅動及主動式驅動技術二種：

一、 被動式驅動

目前常見的 TN 及 STN 液晶顯示器即為被動式驅動液晶顯示器，此驅動方 式為在上下兩塊玻璃基板上分別製作長條狀的電極陣列，分別為掃描電極 (Scanning Electrodes)與訊號電極(Signal Electrodes)。此類型電容串因(Capacitor Coupling)現象嚴重，而導致影像品質低落、驅動方式複雜、要達到高解析度及高 畫質製程困難，但製造成本低廉，適用於較低階的顯示器，如圖2-4 所示。

圖2-4 被動式驅動顯示器示意圖

二、 主動式驅動

在於使用薄膜電晶體做為控制液晶旋轉的開關元件，使用薄膜電晶體作為開 關元件，會使每一各畫素間互相的影響大大的降低，且驅動方式也較為簡單，因 此液晶顯示器的畫質與解析度可以進一步的提升，其成像品質及特性牽涉到薄膜 電晶體的特性，如圖2-5 所示。

圖2-5 主動式驅動液晶顯示器示意圖

目前大都採用主動式TFT-LCD 為主要產品。而依據照明光的來源可將液晶顯示器的 顯示效果模式分為穿透式、反射式、及半穿透反射式的顯示器件。

一、 穿透式

液晶顯示器屬於非自發光的顯示器，需要一個外加光源提供液晶面板足夠的 亮度，一般是由背光源為主，整個顯示器的亮度是由面板下方的背光源所提供，

如圖2-6 所示。

圖2-6 穿透式TFT-LCD結構搭配背光源示意圖

二、 半反射半穿透式

由於同時具有穿透式與反射式的特性，當室外環境光較強烈時，再不點亮背 光源，使得外界環境光穿透面板反射發光，此時則與反射式LCD 一樣，對於電 力節省有相當助益。當在室內或是外在環境光比較弱的時候，則點亮背光源，利 用背光源的光線來達到發光的目的，避免亮度與對比不佳的情形。是利用外界環 境光為光源及背光源，互相切換達到減少電源消耗功率，如圖2-7 所示。

圖2-7 半反射TFT-LCD結構搭配背光源示意圖

三、反射式

此技術是以穿透式LCD 為基礎，在液晶面板的下層玻璃上，鍍一層反射板，

經過適當的光學機構設計，將液晶面板前的光源經由全反射的機制，均勻反射到 面板的四周，藉由外界光源來達到發光的目的，以達到省電效果。反射式 LCD 的優點，在戶外環境光很強時仍然有很好的顯示品質，與非常低的耗電之外，也 具有輕薄的特性。不過，反射式技術LCD 的缺點，則是外界光線較暗時亮度較 低，且在設計上也具相當的難度。然而反射式LCD 所採用前光源的設計模式易 使得LCD 對比不佳，因此反射式的畫質不是很好，如圖 2-8 所示。

圖2-8 反射式TFT-LCD結構搭配前光源示意圖

2.1.2 玻璃機板介紹

顯示器玻璃基板種類，如表2-1 所示，FPD 使用的玻璃基板種類可分為：鹼玻璃(Alkali Glass)、無鹼玻璃(Alkali-Free Glass)與石英玻璃(Fused Silica)。被動式 STN 使用鹼玻 璃分為：鈉石英玻璃(Soda-Lime-Silica Glass)與矽酸硼玻璃(Borosilicate Glass)，非晶 矽與低溫複晶矽LCD 或 OEL 多使用無鹼玻璃，主要為：矽酸鋁玻璃 (Alumosilicate Glass)，高溫複晶矽使用石英玻璃。玻璃基板世代尺寸，如表 2-2 所示。

表2-1 顯示器玻璃基板比較

玻璃種類 玻璃平坦度 玻璃厚度 玻璃成形技術 大面積化 應用領域 生產公司 鹼玻璃或

低鹼玻璃 20~30 nm 0.3~0.28 mm 融流法 ○

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

表2-2 玻璃基板世代尺寸

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

從技術觀點來審視玻璃基板的基本特性，不難發現製造適用於 TFT－LCD 玻璃基板 的門檻相當高，其中包括玻璃本身的材料特性，如材質、品質、耐化學性和熱特性；

玻璃成型時的表面特性，像是：翹曲、波紋、粗糙度、表面凹凸、平坦度和厚度變化；

最後是加工時或運輸過程中所造成的表面損傷。對材料特性而言，其核心技術在找出 最合適的玻璃組成和熔解技術，包含澄清和均勻化。對表面特性而言，其核心技術則 是尋找最理想的成型技術，如圖2-9 及 2-10 所示。

原料調查 溶融 成型 徐冷

切割及分斷 洗淨

檢查 玻璃母板

圖2-9 玻璃基板前段流程示意圖

圖2-10 玻璃基板後段加工流程示意圖

目前全球僅有康寧（Corning）、旭硝子（Asahi Glass Co., AGC）、日本電器硝子

（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)

玻璃製程，溢流融合下拉式(Over-Flow Fusion 或 Fusion Down Draw)製程，以及開口 下拉式(Slit-Down Draw Process)製程。

一、 薄板浮式玻璃

是把由熔爐 (Melting Furnace)流出的玻璃材料，以漂浮方式通過熔融狀態的 金屬錫槽(Molten Tin Bath)，利用液態錫表面光滑的特性拉出玻璃基板。由這個 製程產出的玻璃因與液態錫接觸，須再經過拋光、研磨等後段加工步驟，因此對 於成品良率、單位成本、量產速度與後續製程所引發的環保問題都較為不利，如 圖2-11 所示。目前日本旭硝子公司是利用這個製程產製不含鹼金屬的玻璃。

圖2-11 薄板浮式製程示意圖(旭硝子公司)

二、 溢流融合下拉式

於 1930 年代由 Libbey-Owen-Ford Glass Company 開發出來，並先後獲得 多項專利。到了 1960 年代中期，康寧公司為了使產品厚度能更平坦與均勻，改 進這個製程的缺點進而獲得多項專利，如圖2-12 所示。

這個製程的主要關鍵步驟是使熔爐內熔融狀態的玻璃原料通過耐火導管，再

由導管頂部分的兩側，沿著管壁向下溢流而出，並在導管底部匯流融合，以形成 單一片狀玻璃基板，利用這種製程所生產的玻璃基板不需再經研磨，生產良率相 對較高。以 Corning 溢流溢流融合下拉法玻璃為例，其表面粗糙照度小於 15 nm，優於水平浮式玻璃的 30~40 nm 之間。因專利早已過期，所以除康寧公司 外，NEG 及 NHT 都採用溢流融合下拉法生產 TFT－LCD 用的玻璃基板。

圖2-12 溢流融合下拉式示意圖(旭硝子公司)

三、開口下拉式

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。

表2-3 玻璃基板三大成型製程各種條件的比較

項目 薄板浮式玻璃製程 開口下拉法製程 溢流融合下拉法製程 重量（噸／日） 400∼700 5∼20 5∼20

熔解溫度 高 高 高

熔爐建造所需

的空間 占地廣闊 所需面積較小但需

挑高 所需面積較小但需挑高

投資金額 大 中間 大

建造時間（月） 18∼24 15∼18 15∼18 熔解的方式 天然氣／重油／電力輔

助

電力／天然氣／燃

油 電力／天然氣／燃油

有無氣體控制 有（N2／H2） 無 無

拉出的方向 水平 垂直向下 垂直向下

成型的介質 液態錫 鉑銠合金流孔漏板 可供溢流的熔融幫浦 所用的物理原

理

利用液態錫與玻璃膏間

不同的密度 重力 重力

控制厚度的方 法

熔爐的引出量、導桿施 力的大小和水平方向玻 璃平板的拉出速率

熔爐的引出量、流孔 開口的大小和下拉 的速率

玻璃膏的溢流量和下拉的 速率

厚度的範圍 0.5∼25 mm 30∼110 um 0.5∼2.5 mm 成型的瓶頸

如何從槽窯中熔製均質 且穩定地引出均質的玻 璃膏

如何保持鉑合金所 製成玻璃導膏槽的 流孔不變形

如何維持熔融幫浦的水平 度、如何維持均質玻璃膏 的穩定流量

所形成平板玻

璃的大小 大面積 中小面積 中大面積

退火方式 水平方向線上退火 垂直方向線上退火 垂直方向線上退火

平坦度 合格 合格 合格

原始玻璃表面

數 單面 無 雙面

後續再加工性 居中 最高 最低

比較目前三種生產玻璃基板的成型製程，如表2-3 所示。 「溢流融合下拉法」 是目 前的主流。以溢流融合下拉法生產的 TFT-LCD 用玻璃基板，具有以下的優點：較高 的玻璃應變點，使玻璃基材具有更佳的熱安定性與熱收縮性；較低的密度，可使玻璃 基材比較輕和較少的重力熱塑成型；更佳的耐化學性，使製程能在較嚴苛的蝕刻條件 下進行；與矽晶體有更接近的熱膨脹係數，因而開啟了在玻璃上製造鑲合晶片的可能 性；較高的耐崩裂角和機械強度；不會有鹼金屬離子（如鈉離子等）經由擴散作用，

自玻璃表面遷移至電晶體陣列中，因而破壞電晶體元件。成型時，溫度在掌控玻璃黏 度上扮演重要的角色。在玻璃成型的過程中，可透過溫度控制調整玻璃熔融液體的黏 度。例如在成型時，怕黏度太高而無法製成想要的產品，或是希望在改變形狀後仍然 有時間消除應力，都可以經由溫度控制來達到。在成型的過程中，若與外界接觸的玻 璃表面溫度比較低，內部的溫度比較高，這樣的溫度差，會在玻璃材料內部形成無法 預知的應力。在使用這種玻璃材料時，因為有無法預知的應力，對玻璃的安全性無法 掌握。因此成型後的玻璃材料，大都需要經過一定的熱處理（退火）程序，以消除玻 璃材料內部的應力，確保使用者的安全。

2.1.3 TFT-LCD Array 介紹

薄膜電晶體(TFT-Thin-Film Transistor)，是場效應電晶體的一種，製作方式是在基板 上沉積各種不同的薄膜， TFT 是在基板上沉積一層薄膜當做通道區域，是用來主動 控制每一個畫素(Pixel) 光通過量的元件，減少各畫素間互相的干擾，並增加畫面穩 定度。由於這個原因，我們也就稱它是 “主動矩陣薄膜電晶體“。主要的功能是可以 獨立控制每一各畫素都能產生你想要的色彩。為了要讓光通過每一個畫素，面板必須 被分割且製造成一個個的小門或開關來讓光通過。液晶顯示器也就是使用液晶元件來 調變光的螢幕。液晶可以改變它的分子結構，因此可以讓不同程度的光量通過它本身 (也可完全阻斷光線)。液晶顯示器理含有兩片偏極片、彩色濾光片陣列及配向膜，它 們可決定光通量的最大值與顏色的產生。液晶層位於兩片玻璃之間，當施以一個電壓

給配向層，則產生一個電場，使配向層界面的液晶朝某一個方向排列。每一個畫素都 由紅、綠、藍三個子畫素(Subpixel) 所組成，就如同映像管一樣。

一般 TFT-LCD 之製程，如圖 2-13 所示。主要是將玻璃表面鍍上一層金屬層後，隨 即一電路設計需求，接著利用黃光及蝕刻模組形成閘極區域之圖樣，隨後再以薄膜模 組進行以矽烷之化學氣相沉積以形成用作主動區域(Active-Area) 之非晶矽、氣化矽、

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)。

圖2-13 TFT-LCD Array製程示意圖

2.1.4 彩色濾光片介紹

彩色濾光片 (Color Filter) 基本結構，如圖 2-14 所示。玻璃基板(Glass Substrate)、黑 色矩陣（Black Matrix）、彩色層（Color Layer）、保護層（Over Coat）及 ITO 導電 膜等所組成。

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。

圖2-14 CF 顯示原理示意圖

Stripe Mosaic Delta Triad 圖2-15 Color Filter Pattern

光微影製程為目前生產彩色濾光片之主流，其製造方法以著色材料分散在感光性樹脂 為負型 (Negative)，在紫外線照射下經過光反應 (交鏈反應) 而硬化，作反覆的塗佈、

曝光、顯影、硬烤，可形成 R、G、B 三色的彩色濾光片，最後在真空濺鍍 ITO 導 電膜於彩色濾光層上，如圖2-16 所示。

Black Matrix Glass substrate

圖2-16 Color Filter 製程示意圖

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

2.1.5 液晶(Color Filter)

液晶就形成原因可分為液晶(Lyotropic Liquid Crystal)和熱向性液晶(Thermotropic Liquid Crystal)兩類。一般顯示器所使用的液晶是向列型(Nematic)液晶，向列型液晶 大致上，分子長軸互相平行排列，由於具有此特徵性的分子排列，液晶的折射率 (ｎ)、介電常數 (ε)、磁化率 (χ)、導電度 (σ)、黏性係數 (η)等，且物理性質於 分子長軸平行方向及垂直方向上的值各為不同，具有異方性。由於此物理性質有異方 性的存在，液晶亦稱之為異方性液體。

所謂液晶的光電效應，係指液晶分子的某一排列狀態，由於外在電場外加而使得其排 列狀態轉換至他種型態，因此造成液晶薄膜的光學性質發生變化。將此型態之液晶，

塗佈在有 ITO 的兩張基板間，夾 10 um 左右厚度的介電異方性為正的向列性液 晶，並使液晶分子的長軸於上下基板間作 90° 連續性的扭轉。此 TN 排列液晶膜的 扭轉間距與可見光波長比較的時候為非常大，故垂直於玻璃基板入射的直線偏光的偏 光方向(射入光的偏光方向與入射測的玻璃基板上的分子軸方向一致)，通過液晶膜時 會沿著液晶分子的扭轉旋轉 90°，因此，光可以透過垂直偏光片，形成亮顯示，如圖 2-17 所示。

圖2-17 TN型光電效應之原理

2.1.6 偏光片

偏光板主要是將一般不具備偏極光的自然光產生偏極化，其主要功能為控制特定光波 之偏振方向，讓光通過或遮蔽，是一種只允許某方向的光線才能透過的光板。主要由 表面保護膜（Protective Film）、TAC 膜（Triacetate Cellulose Film，三醋酸纖維素薄 膜）、 PVA（Poly Vinyl Alcohol，聚乙烯醇）、 PSA（Pressure Sensitive Adhesives）、

黏著劑（Adhesive Glue）、分離膜（Release Film）所組成，如圖 2-18 所示。 PVA 為 透明之高分子薄膜材料，在受應力延伸後其分子排列呈一定之方向，並吸附碘素錯體 或含雙色性染料，利用碘素錯體及雙色性染料，對特定波向光之吸收，達到偏光效果。

偏光板製造要素---1.碘（染色）、2.高分子（延伸）、3.定向（補正），偏光素子（PVA）

延伸染色完後，在上下兩面貼上 TAC 膜，做成基材，以保護偏光素子降低其光學特 性及防止膜的回縮；基材的外層再各加上一層的離型膜、保護膜及感壓膠，以方便與 液晶玻璃貼合，其組成材料及功能。因此，偏光膜為生產液晶顯示器不可缺少的重要 元件。

表面保護膜 保護層 偏光基體 保護層 黏著劑 分離膜

圖2-18 偏光片結構示意圖

液晶分子 (TN 型) 會隨上下二片玻璃基板上，配向膜的配向方向，扭曲 90° 排列。

光，由於液晶分子的光學異光性 on 效果，會沿著液晶分子而扭曲，而通過上方偏光 膜，最後視為亮的狀態。但是玻璃基板加上電壓後，原來平行旋轉 90°的液晶分子變 成垂直排列，因此偏極光會維持原方向而受到上片偏光膜的遮蔽成為暗的狀態，如圖 2-19 所示。

圖2-19 偏光片特性示意圖

2.1.7 背光模組

由於 LCD 不是自發光性的顯示裝置，必須藉住外部光源達到顯示效果，一般的 LCD 幾乎採用背光模組，而背光模組主要提供液晶面板均勻、高亮度的光線來源，基本原 理係將常用的點或線型光源，透過簡潔有效光轉化成高亮度，且均一輝度的面光源產 品，近年隨著液晶顯示器製造技術的提昇，在大尺寸及低價格的趨勢下，背光模組在 考量輕量化、薄型化、低耗電、高亮度及降低成本的市場要求，為保持在未來市場的 競爭力，開發與設計新型的背光模組及射出成型的新製作技術，是努力的方向及重要 課題。

一般而言，背光模組可分為前光式與背光式兩種，而背光式可依其規模的要求，以光

源的位置做分類，發展出下列三大結構：

一、 側光式結構

發光源為擺在側邊之單支光源，導光板採射出成型無印刷式設計，一般常用 於 18 吋以下中小尺寸的背光模組，其側邊入射的光源設計，擁有輕量、薄型、

窄框化、低耗電的特色，亦為手機、個人數位助理 (PDA)、筆記型電腦的光源，

現在顯示器及 TV 也因為薄型化的需求也開始使用側光式的結構，如圖 2-20 所 示。

反射片

Reflector sheet

棱鏡片

Diffuser sheet 擴散片 Prism sheet

LGP 導光板 CCFL

冷陰極管 Reflector

反射板 液晶面板 LCD Panel

圖2-20 側光式結構示意圖(大億科技)

二、 直下型結構

超大尺寸的背光模組，側光式結構已經無法在重量、消費電力及亮度上佔有 優勢，因此不含導光板，且光源放置於正下方的直下型結構便被發展出來，適用 於對可攜性及空間要求較不挑剔的 LCD monitor 與 LCD TV，如圖 2-21 所示。

Diffuser sheet

反射板

Diffuser 擴散板

Reflector

擴散片

冷陰極管 CCFL 棱鏡片

液晶面板 LCD Panel Prism sheet

圖2-21 直下式結構示意圖(大億科技)

三、 中空型結構

隨著影像要求的尺寸增加， LCD 也朝更大尺寸的方向發展，使用監視器及 璧掛式電視，不僅要求大畫面、高亮度及輕量化，在電器上亦要求高功率下的低 熱效應。目前較少設計此模式。

背光模組主要由發光源(Light Source)、導光板(Light Guide Plate)、反射板(Reflector)、

增亮膜(Brightness Enhancement Film)及擴散片(Diffusion Sheet) 所組成。如下介紹：

一、 發光源 (Light source)

須具備亮度高及壽命常等特色，目前有冷陰極螢光管(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)熱陰極螢光管、發光二極體(LED: Light Emitting Diode)及電激 發光片(EL)等，其中由於現在 LCD 都要求薄型化的趨勢，故目前以 LED 為主流。

且LED 具有屬半導體元件、壽命長、低耗電量、低發熱量、光顏色純、無燈絲、

高防震性、不易碎、無污染、不含汞、具小型化、薄型化及輕量化、發光效率高、

反應速度快、光譜窄，顏色鮮明，俱良好視覺效果等，傳統光源無法與之比較的 優點。加正向電壓時，發光二極體能發出單色、不連續的光，這是電致發光效應 的一種。

二、 導光板 (Light Guide Plate)

應用於側光型式的背光模組，是影響光效率的重要元件，用射出成型的方法 將丙烯壓製程表面光滑的楔形板塊，然後用具高反射率且不吸光的材料，在導光 板的底面用網版印刷印上圓形或方形的擴散點。導光板主要功能在於導引光線方 向，以提高面板光輝度及控制亮度均勻。LED 位於導光板厚側的端面，LED 所 發的光，以端面照光的方式進入導光板，大部分的光利用全反射的特性，往薄的 一端傳導，當光線在底面碰到微結構正面射出，利用疏密、大小不同的微結構圖 案設計，可使導光板的發光面均勻發光，如圖 2-22 所示。由於為了超薄型化的 需求目前已有開發新 LGP 製程是使用滾壓方式成型。

在外型上又區分為：1.楔型板 2.平板。一般筆記型電腦、手機及 DSC 因考 慮空間關係均採用楔型板，而 LCD Monitor 與 LCD TV 則內部空間較大，一般 考量到亮度的利用率，一般都採用平板為主。

圖2-22 LGP內部光線的路徑示意圖

三、 反射板 (Reflector)

一般側光式背光模組的反射板，放置於導光板的底部，將自底面漏出的光，

反射回導光板中，防止光源外漏，以增加光的使用效率：而直下式背光模組，則 是置於燈箱底部表面或黏貼於其上，將經擴散板反射之光束由燈箱底部再次反射

回擴散板以被利用。

四、 擴散板 (Diffuser)

擴散板、擴散片之功能為提供液晶顯示器一個均勻的面光源，一般傳統的擴 散膜主要是在擴散膜的基材中，加入一顆顆的化學顆粒，作為散射粒子，而現有 之擴散板中的微粒子分散在樹脂層之間，所以光線在經過擴散層時會不斷的再兩 個折射率相異的介質中穿過，在此同時光線就會發生許多折射、反射與散射的現 象，如此便造成了光學擴散的效果。或是使用全像技術，經由曝光顯影等化學程 序，將毛玻璃的相位分部紀錄下來，粗糙化擴散膜的基材表面，以散射模糊導光 板上的墨點或線條。但在如此的光路架構下，由於材料本身及化學顆粒的性質，

將會造成無可避免的吸光而且其對光的散射式散亂的，對於其固定距離的觀測者 來說，將會有部分的光強被浪費，而造成光源無法有效的利用。再加上他的化學 製程較費時，所需的生產成本相對也較高。擴散片結構，如圖2-23 所示。

基材 (PET，PC)

樹脂 擴散粒子 樹脂 擴散粒子

圖2-23 擴散片結構示意圖(KEIWA)

五、 增亮膜 (BEF 棱鏡片)

光自擴散板射出後，其光的指向性較差，因此必須利用棱鏡片來修正光的方 向，其原理藉由光的折射與反射來達到凝聚光線、提高正面輝度的目的，以增加 光線自擴散板射出後的使用效益，使能整體的背光模組的揮度提高 40% - 70%

以上。主要以多元酯(Polyester)或聚碳酸酯(Polycarbonate)為材料，其表面結構一 般為為棱形柱體或半圓柱體。目前跨國公司 3M 為全球獨家供應商，擁有多項 相關專利，如圖2-24 所示。

重複反射，大約50%的入射

光會被反射回去而被再利用 低比例損失

折射一可利用折射光 增加40~70%

擴散板 Diffuse 重新進入 下一個稜

Diffusely recycled

圖2-24 棱鏡膜增亮示意圖 (3M)

目前使用 BEF 棱鏡片，通常每一各背光模組會使用兩片增亮膜，彼此方向 垂直，將光集中增加輝度，如圖2-25 所示。

圖2-25 使用2片棱鏡片互相垂直的光學特性圖 (3M)

2.2 液晶顯示器可靠度測試介紹

可靠度試驗是達到品質保證的重要手法，為產品於既定時間內，執行特定的性能或功 能，成功達成工作目標的機率。

可靠度由「功能」、「使用條件」、「時間」及「成功機率」等四個要素所組成。成 功機率為產品可靠度的整體指標。當機件應力大於材料強度時，產品會破壞。在實際 的製造過程成不可能製造出兩件完全應力相同的產品，再實際使用時不可能保證產品 承受的負載的位置及大小相同，當較弱的產品接觸到較強的應力負載時，就會產生失 效。

透過試驗可以驗證產品的可靠度。透過統計學原理，針對液晶顯示器的加速壽命試驗 的結果資料進行分析，並估計出各種環境下壽命分配模型。此處將可靠度測試的項目 粗略分為四大項：動作試驗、儲存試驗、機械強度試驗及靜電耐壓試驗。以下就各可 靠度試驗簡述說明及附件表，詳細內容可參考訪間其他技術書刊，在此不會太過於詳 細贅述。

2.2.1 動作試驗 (Operation)

此項試驗目的為，檢測產品在Power On 的狀態下，且在特定的環境之中，驗證系統 或硬體是否有失效現象產生。如有失效模式產生，可立即改善，防止產品於使用時發 生任何問題，測試項目如表2-4 所示。

表2-4 動作試驗項目 高溫動作試驗

( 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

熱循環試驗

( Heat Cycle Operation, HC )

2.2.2 儲存試驗 (Storage)

此項試驗目的為，檢測產品在Power Off 的狀態下，且在特定的環境之中，驗證系統 或硬體是否有失效現象產生。如有失效模式產生，可立即改善，防止產品於使用時發 生任何問題，測試項目如表2-5 所示。

表2-5 儲存試驗項目 高溫儲存試驗

( 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

熱衝擊試驗

( Thermal Shock Non-Op, TS )

2.2.3 機械強度試驗 (Mechanical Test)

此項試驗目的為， (1) 檢測產品各種元件之間連接的強度，確認產品是否有元件脫 落的失效現象。 (2) 檢測產品各種元件的功能，確認各元件是否有損壞的失效現象。

如有失效模式產生，可立即改善，防止產品於使用時發生任何問題，測試項目如表 2-6 所示。

表2-6 機械強度試驗項目 FPC 耐折曲性試驗

( 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)

此項試驗目的為，檢測靜電對產品功能的影響，是否會造成失效現象。模擬人體在接 觸物品所產生的靜電，對產品的影響，確認產品靜電防護功能是否有缺失或異常。如 有失效模式產生，可立即改善，防止產品於使用時發生任何問題，測試項目如表2-7 所示。

表2-7 靜電耐壓試驗項目 端子靜電耐壓試驗

( Human Body Model Terminal ESD Test - Non Operation)

端子靜電耐壓試驗

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

面放電耐壓試驗

( Surface ESD Test - Operation)

2.3 LCM 3PB 面壓介紹

早期LCM 在中小尺寸的面板顯示器並無特別需要強度的考量，在產品外側的設計，

採用強度較高的鐵殼，來增加 LCM 整體的強度。由於薄型化的需求，增加攜帶性 及便利性，薄型化顯示器有容易破裂的潛在危險。

業界為定義產品強度，在產品可靠度測試項目之中，增加機械強度測試項目，初期是 產品的落下測試。由於產品落下測試無法明確對各元件供應商作責任上的區分，又要 確保各元件的強度需求。所以LCM 的可靠度測試上，增加面壓測試 (4PB & 3PB) 、 落球測試及 ROR 測試等項目。在測試規範上主要採用美國材料測試標準： C1449、

C1505 及 C158，來驗證 LCM 玻璃及 LCM 本體強度。

在液晶顯示器強度測試過程中，主要損壞的元件是「玻璃」。玻璃基板製造過程中，

從原料 (Silica)、融解、成形、冷卻、分割、斷面研磨等，再到 LCM 廠的各項製程 過程中、包含運送、切割裂片、模組後段製程等，都有可能產生缺陷。

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。

2.3.1 3PB 面壓測試介紹

面壓測試為針對 LCM 玻璃及 LCM 本體的強度，做可靠度驗證確認測試產品是否 可以達到一定的強度。

測試條件 (Panel-Level & Module-Level):

一、 將 sample 固定在前後左右之中央，詳述如圖2-26所示。

二、 不論是 X 方向或 Y 方向，需將 sample 之 color filter 及 IC 面朝上。

三、 將承載治具的圓柱從 color filter 邊緣開始，往內調整 5.0 mm。

四、 使用直徑 6.0 mm的滾輪，以 3 mm/min的速率往下壓至玻璃碎裂聲出來。

圖2-26 左：Panel-3PB測試圖 右：LCM-3PB測試圖

當對玻璃施加一個 F 的力量，再依照材料力學的彎曲應力公式換算得知:

樑內部應力公式為；

My

σ = I (2.1)

其中σ為彎曲應力， M 為力矩， y 為靜應力發生位置至中性面的距離， I 為慣性矩。

樑最大應力點會落在距離中性面最遠端，故表示為 (2.2)式；

4 2 3 1 3 2 2 12

FL h

My F

I bh bh

σ

L

(2.2)

其中b為樣品寬度， 為樣品厚度，h

F

L

從樑的應力為基準來研究物件受力後的應力現象，在兩片玻璃(TFT & CF) 受力後，

發生彎曲現象時，會以中性面為基準，直接受力端會產生壓縮應力(Compressive Stress) ，再另外一端則會有拉伸應力(Tensile Stress) 產生。沿著中性面必定會有剪應 力產生，以阻止滑動發生，如圖2-27 所示。

由個案公司實際產品的測試的結果統計，大部分玻璃破裂的點，都是在最大拉伸應力 較大的位置，但是也有部份是在最大壓縮應力端破裂或是不規則的位置破裂。

拉應力最大點 壓應力最大點

Tensile Stress Compressive Stress

圖2-27 應力分布示意圖

此實驗會採用分析軟體ANSYS Workbench，來協助確認改善機構件的結構，是否對 於玻璃在 3PB 測試會有幫助。圖 3-28 為 ANSYS Workbench 模擬後的 LCM 彎曲 圖。

( )

圖2-28 3PB彎曲示意圖 3-Φ6 Pin

上壓治具

LCM

下承載治具

2.3.2 韋氏分佈

韋氏分佈是壽命試驗中應用最廣的機率分佈，此分佈由瑞士科學工程師 Waloddi Weibull 在分析材料斷裂強度的機率特性所導出。

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)

式中， β＞0 ， θ＞0 ， δ≧0 ，參數β稱為形狀參數 (Shape Parameter) 或是韋 氏 斜 率 ， 參 數 θ 稱 為 尺 度 參 數 (Scale Parameter) 或 是 特 性 壽 命 (Characteristic Life) ，參數 δ 稱為位置參數 (Location Parameter) 或是最低壽命 (Minimum Life)。

至於兩個參數之韋氏分佈具有最低壽命為零，其累積分佈函數為

( )

( ; , ) 1- - X/ ; 0

F x e x

θ β

θ β

由於三個參數之韋氏分佈，可藉由線性轉換而得兩個參數分佈，所以下列此兩個參數 之分布來介紹韋氏分佈之特性。對累積分佈函數是 (2.3) 微分可得機率密度函數為

-1 ( )

( ; , ) x - x/

f x e ^β

β

β θ

θ β θ θ

= ⎜ ⎟⎛ ⎞

⎝ ⎠ (2.5)

其失效函數為

-1

( ) x , 0

h x x

β β

θ θ^{⎛ ⎞}

= ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ≥ (2.6)

由 可知，當 β＜1 時，此函數隨時間漸減，當 β＞1 時，則函數將隨時間 漸增，當 β＞1 時，則為一常數，卽為指數分布。

( ) h x

韋氏分佈第 k 次動差 (Moment) 公式為

( )

, ^{k k x dx}

k

u E X x x e

β β

β θ

θ θ

∞ ⎛ ⎞ −

= =

∫

利用以下的轉換

u x

β

θ

= ⎜ ⎟⎛ ⎞⎝ ⎠ (2.8)

則得

x -1

du dx

β β

θ θ^{⎛ ⎞}

= ⎜ ⎟⎝ ⎠ (2.9)

方程式(2.7)可改寫為

/ -

, ^k 0 ^{k u} k

u

θ ∫

u

e ^du

k k

1+1 ,

u θ

β

= Γ⎜⎛

⎝ ⎠

⎞⎟ (2.11)

由此可知，韋氏分佈的平均值為

(1 1) u θ

= Γ +β (2.12)

而其變異數為

2 2 (1 1) 2(1 )

σ θ ¹

β β

= ⎡⎢Γ + − Γ +

⎣ ⎦

⎤⎥ (2.13)

由形狀參數 β 名稱的含義，可以決定此項機率分佈的形狀，當 β 增加時，其韋氏 分佈的平均值接近其特性壽命 θ ，其變異數接近於零。

2.3.3 圖解估計法

使用圖解法估計參數以及用圖解法推算可靠度，在實用上最為人們所樂於採納的。基 本上，為求適用圖解法的估計程序，必須有一種簡單的轉換方式，能將累積分佈改變 成為線性形式。

韋氏分佈的累積分佈函數原為

( )

( ) 1 - /^t

F t e

θβ

= − (2.14)

經過兩次取自然對數後，可寫成

( 1 1( ))

In In Int In

F t =β −β θ

− (2.15)

再將自變數與因變數加以整理，即可化成下列的形式

1 ( 1 1( ))

Int In In In

F t θ

= β − + (2.16)

此式顯然呈 Y = (1/β) X+A 的形式。可在 (X，Y) 直接座標圖上繪成一條直線。

於應用時，需先求得 ^{F t}

( )

( )

Y) 繪入韋氏機率圖中，再利用最小平方法求得最佳直線。

現在有兩種可供選用為 的估計值。首先令所得之 n 個樣本依小至大的順序排 列，分別設為，

( )

F t

( )1

X ，X_{( )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 (

j

n

上述兩種方法均會用到。採用平均值是因其可代表一個分佈的樣品值。但大多數的等 級分佈均具高度的偏斜，在此種情況下，其密度函數圖的右偏逐漸變成左偏。因此，

最小等級的樣本值低於其平均值的機率最大，最高等級機率最小。玻璃面壓韋氏分佈 圖，如圖2-29 所示。

圖2-29 玻璃面壓韋氏分佈示意圖

第三章 LCM 3PB 面壓測試與模擬分析驗證

3.1 測試實驗條件及方法

在業界所使用的測試設備及測試的方式都會有所不同，在此敘述研究中，實際使用的 測試機台型式、測試工具(治具)、機台輸出的資料表格及測試的規範；介紹 LCM 模 組結構，及LCM 模組結構中的細部物件；簡介分析軟體：軟體的功能及使用軟體的 模式。最後會比較實際值與分析值做初步的分析，探討實際值與分析值，是否有相近 的趨勢。

此研究步驟為：先將實際測試物測試的數據與 ANSYS Workbench 電腦輔助分析軟 體分析的數據互相比較，找出合理的 ANSYS Workbench 前處理設定值。再以此設 定值為基準，分析 LCM 中，特定元件的改變是否會影響，LCM 強度，目的是找出 最佳LCM 設計數據，減少後續的處理及成本的損失。研究流程，如圖 3-1 所示。

建立分析模組 (3D CAD)

LCM 製作生產

實際3PB 測試

圖3-1 研究流程圖 結果統計

建立各項定義及設計相 關數值(ANSYS)

分析(ANSYS)

結果判斷及統計 (ANSYS)

確認實際測試結果與ANSYS Workbench 電腦輔助分析的分析結果兩者相互比較

建立新分析模組 (3D CAD)

分析(ANSYS)

結果判斷及統計 (ANSYS) 建立各項定義及設計

相關數值(ANSYS)

數據比較差異過大 或分析結果判斷為不合理

不合理

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。

機台夾頭

圖3-2 3PB治具固定於拉壓測試機台

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。

下承載治具

下壓治具

待測物 4-導桿

圖3-3 拉壓測試機台輸出曲線圖

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

表3-1 拉壓測試機輸出結果表 最大值壓縮

荷重(N)

最大值壓縮 位移(mm)

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

3.1.2 測試實際產品結構

本研究主要是以 LCM 2.8 英吋的產品為主，且在整體模組並無鐵框包覆，在以往 LCM 的設計中是較少見的案例，較有研究的價值。案例LCM 整體結構的因素，再進行 3PB 的過程中， LCM 的主要元件之一 FPCa ，會被移除後再 3PB 測試。但是，一定 要有COG (Chip On Glass) 製程，以確保測試的可靠度。LCM 結構，如圖 3-4 所示。

No Part Name 上偏光片(Top Polarizer) 1

面板(Glass) 2

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

3.1.3 測試結果

此實際測試比較使用的模組結構，如圖3-5 所示，在不同的承載面積下進行測試。

圖3-5 左：A模組，右：B模組

實際測試結果，是比較韋氏分佈圖 MTTF10 % 的數據為主，其數值越大越好，百分 比數值是以承載面積 0.275 mm 為基準計算。如表 3-2 所示，從 X 軸方向中得知，承 載面積0.275 mm，其 MTTF10 %為 21.06 MPa，承載面積 0.5 mm，其 MTTF10 %為 25.64 MPa，比較兩者 MTTF10 %，可以確定當承載面積較大時，產品可承受較大的 壓力。Y 軸的結果為，承載面積在 0.5 mm 時，產品可承受較大的壓力。

表3-2 實際測試結果

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 %

此為承載面積0.275 mm 之 X 軸方向正面下壓測試資料，由表 3-3 中，Value 輸入產 品測試的數據，在10 %可得 MTTF 10 %數據，從圖 3-6 可得韋氏分佈的斜率。

表3-3 承載面積0.275-X軸方向正面下壓測試資料

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

圖3-6 承載面積0.275-X軸方向正面下壓韋氏分佈圖

此為承載面積0.275 mm 之 Y 軸方向正面下壓測試資料，由表 3-4 中，Value 輸入產 品測試的數據，在10 %可得 MTTF 10 %數據，從圖 3-7 可得韋氏分佈的斜率。