液晶顯示模組在撕膜後的殘存靜電擊傷及電性過壓破壞-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壓破壞 電性過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 臺南縣新市鄉(xiāng)樹谷園區(qū)紫楝路 26 號摘要 摘要--在液晶顯示模組的生產(chǎn)過程中，從印刷電路板整合進(jìn)液晶顯示面板的製程到各個模組的組裝，待組裝物、設(shè)備或是人員之間，不可避免都會有移動及接觸的行為出現(xiàn)，因此在待組裝物上必然會發(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，往往會出現(xiàn)危險的元件儲存電荷模式之靜電放電或電性過壓破壞，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法立即被發(fā)現(xiàn)，而會在後續(xù)的檢測過程中才一一被發(fā)現(xiàn)，部份問題甚至到了客戶端才被發(fā)現(xiàn)，而造成許多的爭議及

3、成本負(fù)擔(dān)。在本文中針對此問題，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 試 ， 模 組 儲 存 電 荷 模 式 (Board Level Charged Device Model, BLCDM)，驅(qū)動積體電路(Driver IC)

4、，靜電消散(Electrostatic Dissipative)材料，電性過壓 (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)過程中，從液晶顯示面板 (Liquid Crystal Display, LCD)進(jìn)料開始，接著進(jìn)行外引線焊接(Outer Lead Bounding, OLB)的預(yù)備作業(yè)及驅(qū)動積體電路(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 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，以及透過異方性導(dǎo)電膠膜使

6、其與驅(qū)動積體電路間，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)問題，多發(fā)生在於其中的一些自動化設(shè)備之傳輸及壓合動作，這些接觸式的壓合都會產(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 存 電 荷(Cha

7、rge)與設(shè)備接觸時的電荷重新再分佈，對積體電路而言，是類似一種所謂的元件儲存電荷模式(Charged Device Model, CDM)的靜電放電[1]-[4]，對整體模組而言，可稱為模組儲存電荷模式(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，因為

8、其主要目的是用來建立工作環(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接觸時，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階段受到靜電放電的破壞。在 PCBI 的製程之後，接著會進(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試(一般稱為 A 檢或 PCBI 檢測)，之後才會進(jìn)入組裝(Assemb

9、ly)的程序，有時又稱為組立站。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，有些程序雖然都已改成自動化設(shè)備的作業(yè)，不過還是難免需要一些人工作業(yè)。在這個階段，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，還會有點亮背光板(Back Light, BL)檢測異物的程序，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(一般稱為B 檢) 。然而，最主要的靜電擊傷或電性過壓(Electrical Overstress, EOS)破壞之問題，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)膜時的作業(yè)程序，以及撕膜後幾項人工作業(yè)的組裝過程特別重要，嚴(yán)重的靜電放電或電性過壓破壞經(jīng)常在此出現(xiàn)，在 B 檢站就會檢測出這

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，有時候又無法在 B 檢以視覺的判斷檢測出來，因為多數(shù)電晶體元件受到元件儲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，在檢測時所用到的測試圖像有時也無法百分之百的施壓(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面出現(xiàn)，這其實就是表示在撕完保護(hù)膜後，液晶顯示面板中確實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。但因為顯示面板中殘存電荷的靜電電場是可以透過玻璃到液晶顯示面板表面上，因而使得表面靜電電場量測儀可以量測到。其實，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、述因為材料本身的靜電產(chǎn)生能力之根本問題外，又與液晶顯示面板的特性，驅(qū)動積體電路元件，以及印刷電路板之間的電路特性都有極密切的關(guān)係。因為在撕離的瞬間，被分離開的電荷，會在此同時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)膜時對空間產(chǎn)生的電位變化，在基本的物理定律下，電場需呈現(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)到一個連續(xù)性電場。圖 2. 一個圖素的 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 元件的資料訊號線(Data o

15、r Column Electrode) 和 閘 極 控 制 線 (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立的分散式分配，因為上面所提及的各金屬層皆分別連接到了閘極驅(qū)動積體電路(Gate Driver IC)、源極驅(qū)動積體電路(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，在顯示面版中有時又加入了一些測試用的元件，也會與外部的積體電路元件交錯接在一起，整個系統(tǒng)又透過一些不同的電源線及地線或負(fù)壓線連接在一起。因此可以將系統(tǒng)簡化成圖 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，不外乎都有一些靜電放電防護(hù)的電路存在，透過這些靜電放電防護(hù)電路就會將各電源間交織成緊密的系統(tǒng)網(wǎng)，因此使用這個簡化的模型來了解電流的流向。圖 4. TFT 液晶元件，驅(qū)動積體電路，及印刷電路板間的簡易關(guān)係在要了解其

17、電流流向前，需先在心中切記這時的系統(tǒng)是不上電源的，因為在分析的過程往往會被那個電源在幾伏的刻板映像所左右，而實際發(fā)生靜電放電現(xiàn)象時，都是在未接上電源的情況。首先看圖 3 的基本實體截面結(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留下正電荷，在此同時，共用電極層(即接到電路中的 Vcom)會被耦合出負(fù)電荷，這時負(fù)電荷的來源會透過 Vcom 迴路所連接的 OP 來提供，如圖 4 所示，而積體電路中的輸入輸出端，

18、一般都會設(shè)計有靜電放電防護(hù)用的二極體(Diode)，連接到的電源為 VDDA 及 VSSA，而在 VDDA 及 VSSA間也會有全晶片的靜電放電防護(hù)設(shè)計[6]，因此這個 OP 對電荷供應(yīng)的能力，及其輸出輸入與電源間對大電流的耐受能力及其導(dǎo)通特性，就非常重要，因為其主宰了後續(xù)的所有行為。在 VDDA 及 VSSA間通常也會有連接著產(chǎn)生參考電位的 Gamma 電阻串，在許多情形下都會使用到 OP 來穩(wěn)定 Gamma電位，這 VDDA/VSS

19、A 通常都是直接與源極驅(qū)動積體電路的 VDDA/VSSA 做並聯(lián)處理。 而在 Gamma OP、源極驅(qū)動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有設(shè)計從VDDA 到 VSSA 的靜電放電防護(hù)元件存在，其中因為 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