液晶顯示模組在撕膜後的殘存靜電擊傷及電性過(guò)壓破壞-陳東暘

1、液晶顯示模組在撕膜後的殘存靜電擊傷及 液晶顯示模組在撕膜後的殘存靜電擊傷及電性過(guò)壓破壞 電性過(guò)壓破壞陳東暘奇景光電 研發(fā)中心 產(chǎn)品靜電技術(shù)部tychen@himax.com.tw74445 臺(tái)南縣新市鄉(xiāng)樹(shù)谷園區(qū)紫楝路 26 號(hào)摘要 摘要--在液晶顯示模組的生產(chǎn)過(guò)程中，從印刷電路板整合進(jìn)液晶顯示面板的製程到各個(gè)模組的組裝，待組裝物、設(shè)備或是人員之間，不可避免都會(huì)有移動(dòng)及接觸的行為出現(xiàn)，因此在待組裝物上必然會(huì)發(fā)生靜電放電的現(xiàn)象。雖然大多數(shù)的

2、狀況都是安全的，但其中比較需要加以注意的，是在液晶顯示模組的玻璃偏光板表面，移除貼附防止刮傷的保護(hù)膜後，會(huì)造成許多的靜電電荷殘存在液晶玻璃面板內(nèi)的顯示元件中，後續(xù)的組裝程序上，往往會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的元件儲(chǔ)存電荷模式之靜電放電或電性過(guò)壓破壞，進(jìn)而造成半導(dǎo)體元件內(nèi)部電路的被破壞，其中特別是在驅(qū)動(dòng)積體電路的靜電擊傷現(xiàn)象。但這種元件內(nèi)部的微小破壞往往無(wú)法立即被發(fā)現(xiàn)，而會(huì)在後續(xù)的檢測(cè)過(guò)程中才一一被發(fā)現(xiàn)，部份問(wèn)題甚至到了客戶(hù)端才被發(fā)現(xiàn)，而造成許多的爭(zhēng)議及

3、成本負(fù)擔(dān)。在本文中針對(duì)此問(wèn)題，做了詳細(xì)的探討及解析。關(guān)鍵字： 關(guān)鍵字：靜電放電(Electrostatic Discharge, ESD)，液晶顯示模組(Liquid Crystal Module, LCM)，印刷電路板整合到液晶顯示面板的製程(PCBI)，老化(Aging) 測(cè) 試 ， 模 組 儲(chǔ) 存 電 荷 模 式 (Board Level Charged Device Model, BLCDM)，驅(qū)動(dòng)積體電路(Driver IC)

4、，靜電消散(Electrostatic Dissipative)材料，電性過(guò)壓 (Electrical Overstress, EOS) 破壞。1. 引言 引言在液晶顯示模組(Liquid Crystal Module, LCM)的生產(chǎn)過(guò)程中，從液晶顯示面板 (Liquid Crystal Display, LCD)進(jìn)料開(kāi)始，接著進(jìn)行外引線(xiàn)焊接(Outer Lead Bounding, OLB)的預(yù)備作業(yè)及驅(qū)動(dòng)積體電路(Driver I

5、C)元件的進(jìn)料及焊接作業(yè)，其中驅(qū)動(dòng)積 體 電 路 可 使 用 TCP(Tape Carrier Package)，COF(Chip On Film)，或 COG(Chip On Grass) 的 形 式 透 過(guò) 異 方 性 導(dǎo) 電 膠 膜 (Anisotropic Conductive Film, ACF)壓合焊接到液晶顯示面板上，然後進(jìn)行印刷電路板(Printed Wiring Board, PWB)的進(jìn)料，以及透過(guò)異方性導(dǎo)電膠膜使

6、其與驅(qū)動(dòng)積體電路間，完成 TCP，COF，或 FPC(Flexible Printed Circuit)的焊接作業(yè)，到此即完成印刷電路板整合進(jìn)液晶顯示面板的製程(PCBI)。在此階段，主要的靜電放電(Electrostatics Discharge, ESD)問(wèn)題，多發(fā)生在於其中的一些自動(dòng)化設(shè)備之傳輸及壓合動(dòng)作，這些接觸式的壓合都會(huì)產(chǎn)生大量瞬間的靜電放電，這 種 放 電 則 多 屬 液 晶 顯 示 面 板 內(nèi) 在 儲(chǔ) 存 電 荷(Cha

7、rge)與設(shè)備接觸時(shí)的電荷重新再分佈，對(duì)積體電路而言，是類(lèi)似一種所謂的元件儲(chǔ)存電荷模式(Charged Device Model, CDM)的靜電放電[1]-[4]，對(duì)整體模組而言，可稱(chēng)為模組儲(chǔ)存電荷模式(Board Level Charged Device Model, BLCDM)的靜電放電[5]。在上述的製程中，除了使用的部品本身對(duì)BLCDM 的靜電放電耐受能力需注意外，還要注意一些靜電消除器(Air Ionizer)的位置，因?yàn)?/p>

8、其主要目的是用來(lái)建立工作環(huán)境中各部品間的等電位面，以避免下次的接觸形成大量的靜電放電。另外有些靜電放電現(xiàn)象必然發(fā)生，因此還需避免設(shè)備本身與待組裝物的金屬接點(diǎn)接觸時(shí)，形成了不安全的放電迴路出現(xiàn)。因此，必需注意到一些安全接地的方法，如此才可預(yù)防積體電路元件在這個(gè)階段受到靜電放電的破壞。在 PCBI 的製程之後，接著會(huì)進(jìn)行液晶顯示面板與印刷電路板間的焊接檢視及面板顯示的測(cè)試(一般稱(chēng)為 A 檢或 PCBI 檢測(cè))，之後才會(huì)進(jìn)入組裝(Assemb

9、ly)的程序，有時(shí)又稱(chēng)為組立站。到了組裝程序，其中大多數(shù)的程序都是人工作業(yè)，但是在大尺寸 TV 的 LCM 廠(chǎng)，有些程序雖然都已改成自動(dòng)化設(shè)備的作業(yè)，不過(guò)還是難免需要一些人工作業(yè)。在這個(gè)階段，首先要完成 PCBI 後的 液 晶 顯 示 面 板 與 背 光 模 組 (Backlight Module, BLM)的整合，為了避免異物在組裝的作業(yè)中，進(jìn)入模組的間隙，還會(huì)有點(diǎn)亮背光板(Back Light, BL)檢測(cè)異物的程序，因此在這裡的工

10、作區(qū)也需注意落塵的管控。接著進(jìn)行控制電路板與鐵框等的組合作業(yè)，最後再進(jìn)行組裝後模組的顯示檢測(cè)(一般稱(chēng)為B 檢) 。然而，最主要的靜電擊傷或電性過(guò)壓(Electrical Overstress, EOS)破壞之問(wèn)題，則多出現(xiàn)在 PCBI 後的 A 檢及在組立站的這些人工組裝程序中。其中在撕除液晶顯示面板上下兩面之保護(hù)膜時(shí)的作業(yè)程序，以及撕膜後幾項(xiàng)人工作業(yè)的組裝過(guò)程特別重要，嚴(yán)重的靜電放電或電性過(guò)壓破壞經(jīng)常在此出現(xiàn)，在 B 檢站就會(huì)檢測(cè)出這

11、些嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象。然而在此階段前的這些靜電放電破壞，有時(shí)候又無(wú)法在 B 檢以視覺(jué)的判斷檢測(cè)出來(lái)，因?yàn)槎鄶?shù)電晶體元件受到元件儲(chǔ)存電荷模式的靜電擊傷後，其電性上的漏電電流大多僅有數(shù)百奈安培(nA)的電流量[3]；另一方面，在檢測(cè)時(shí)所用到的測(cè)試圖像有時(shí)也無(wú)法百分之百的施壓(Stress)到可能故障的電晶體元件，因此部份的故障現(xiàn)象在此可能就被忽略了。完成組裝後，接著會(huì)進(jìn)行模組的老化(Aging) 1晶顯示面板表面依然有甚高的靜電電場(chǎng)反應(yīng)，甚至有

12、些面板於燈光下更可看出其中繽紛的彩色或不均衡的灰階畫(huà)面出現(xiàn)，這其實(shí)就是表示在撕完保護(hù)膜後，液晶顯示面板中確實(shí)還有電荷存在於控制液晶的電極層(Electrode)中，而不是在液晶顯示面板表面。但因?yàn)轱@示面板中殘存電荷的靜電電場(chǎng)是可以透過(guò)玻璃到液晶顯示面板表面上，因而使得表面靜電電場(chǎng)量測(cè)儀可以量測(cè)到。其實(shí)，在保護(hù)膜每一單位面積中，於撕離的瞬間，液晶顯示模組內(nèi)部就已形成了許多外面環(huán)境不一定都能控制到的電荷重新分佈之行為，這些電荷的重組，除了前

13、述因?yàn)椴牧媳旧淼撵o電產(chǎn)生能力之根本問(wèn)題外，又與液晶顯示面板的特性，驅(qū)動(dòng)積體電路元件，以及印刷電路板之間的電路特性都有極密切的關(guān)係。因?yàn)樵谒弘x的瞬間，被分離開(kāi)的電荷，會(huì)在此同時(shí)與液晶顯示面板中的金屬層形成電容耦合效應(yīng)，由於撕保護(hù)膜時(shí)對(duì)空間產(chǎn)生的電位變化，在基本的物理定律下，電場(chǎng)需呈現(xiàn)連續(xù)性(E+=E-，即物質(zhì)不滅定律在電性上的表現(xiàn))，因此在液晶顯示面板中的電荷必需重新分配，以達(dá)到一個(gè)連續(xù)性電場(chǎng)。圖 2. 一個(gè)圖素的 TFT 液晶顯示面板的

14、立體結(jié)構(gòu)圖 3. TFT 液晶顯示面板的單一元件之截面結(jié)構(gòu)就以 TFT 液晶顯示面板為例，在液晶顯示面板的彩色濾光片(Color Filter)下與液晶層間，又有連接做為共同電極層(Common Electrode)的導(dǎo)電金屬 ITO(Indium Tin Oxide)層，而在玻璃基座上有控制 液 晶 旋 轉(zhuǎn) 的 像 素 顯 示 電 極 層 (Pixel Display Electrode)，以及 TFT 元件的資料訊號(hào)線(xiàn)(Data o

15、r Column Electrode) 和 閘 極 控 制 線(xiàn) (Gate or Row Electrode)，如圖 2 及圖 3 中所示，這層層的結(jié)構(gòu)中形成了許多的串聯(lián)電容效應(yīng)。其中電荷的重新分配並不是由各層獨(dú)立的分散式分配，因?yàn)樯厦嫠峒暗母鹘饘賹咏苑謩e連接到了閘極驅(qū)動(dòng)積體電路(Gate Driver IC)、源極驅(qū)動(dòng)積體電路(Source Driver IC)及印刷電路板中的各積體電路元件，而各層間所連接到的這些元件，因此所構(gòu)成的

16、電路相當(dāng)複雜，在顯示面版中有時(shí)又加入了一些測(cè)試用的元件，也會(huì)與外部的積體電路元件交錯(cuò)接在一起，整個(gè)系統(tǒng)又透過(guò)一些不同的電源線(xiàn)及地線(xiàn)或負(fù)壓線(xiàn)連接在一起。因此可以將系統(tǒng)簡(jiǎn)化成圖 4 中的關(guān)係電路圖，其中各積體電路元件中的輸出輸入級(jí)，不外乎都有一些靜電放電防護(hù)的電路存在，透過(guò)這些靜電放電防護(hù)電路就會(huì)將各電源間交織成緊密的系統(tǒng)網(wǎng)，因此使用這個(gè)簡(jiǎn)化的模型來(lái)了解電流的流向。圖 4. TFT 液晶元件，驅(qū)動(dòng)積體電路，及印刷電路板間的簡(jiǎn)易關(guān)係在要了解其

17、電流流向前，需先在心中切記這時(shí)的系統(tǒng)是不上電源的，因?yàn)樵诜治龅倪^(guò)程往往會(huì)被那個(gè)電源在幾伏的刻板映像所左右，而實(shí)際發(fā)生靜電放電現(xiàn)象時(shí)，都是在未接上電源的情況。首先看圖 3 的基本實(shí)體截面結(jié)構(gòu)，假設(shè)在撕膜的瞬間，保護(hù)膜帶走了負(fù)電荷後，在液晶顯示面板的偏光板表面會(huì)留下正電荷，在此同時(shí)，共用電極層(即接到電路中的 Vcom)會(huì)被耦合出負(fù)電荷，這時(shí)負(fù)電荷的來(lái)源會(huì)透過(guò) Vcom 迴路所連接的 OP 來(lái)提供，如圖 4 所示，而積體電路中的輸入輸出端，

18、一般都會(huì)設(shè)計(jì)有靜電放電防護(hù)用的二極體(Diode)，連接到的電源為 VDDA 及 VSSA，而在 VDDA 及 VSSA間也會(huì)有全晶片的靜電放電防護(hù)設(shè)計(jì)[6]，因此這個(gè) OP 對(duì)電荷供應(yīng)的能力，及其輸出輸入與電源間對(duì)大電流的耐受能力及其導(dǎo)通特性，就非常重要，因?yàn)槠渲髟琢酸崂m(xù)的所有行為。在 VDDA 及 VSSA間通常也會(huì)有連接著產(chǎn)生參考電位的 Gamma 電阻串，在許多情形下都會(huì)使用到 OP 來(lái)穩(wěn)定 Gamma電位，這 VDDA/VSS

19、A 通常都是直接與源極驅(qū)動(dòng)積體電路的 VDDA/VSSA 做並聯(lián)處理。 而在 Gamma OP、源極驅(qū)動(dòng)積體電路或是印刷電路板中使用到VDDA 及 VSSA 的積體電路元件也都會(huì)有設(shè)計(jì)從VDDA 到 VSSA 的靜電放電防護(hù)元件存在，其中因?yàn)?VSSA 或 VGL 多為接到半導(dǎo)體元件的 P 型基體(P-Substrate)端，在未加電源的情形下，基體端的多數(shù)載子為電洞(Hole)，VDDA 或 VGH 在積體電路中所接到的都是一些 N