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作者:張志吉(2012-10-12);推薦:徐業良(2012-10-30)
附註:本文為一百學年度元智大學機械工程研究所碩士在職專班張志吉碩士論文「TFT LCD框膠製程參數田口法分析研究」。

TFT LCD框膠製程參數田口法分析研究

第一章 研究背景與目的

框膠製程TFT LCD製程中重要的製程之一,而框膠塗佈製程的參數相當多,調整其中之一的參數即會影響框膠特性。本研究探討利用田口法在眾多的製程參數中找出影響框膠強度最關鍵的幾個參數及最佳的製程配方,並透過框膠強度拉力實驗,測試框膠強度改善狀況,期望以最少的實驗,得到最佳化的製程參數,提昇框膠強度,並作為製程調整參考。

1.1 研究背景

在產品的開發過程中,需考慮許多因素如材料選用、製程參數與條件、加工流程與方法等,尤其是製程參數的搭配,往往需經由許多的實驗,才能找出最符合產品規格的條件或參數,但實驗的次數愈多,相對的成本愈高,在許多實驗條件下逐一驗證雖然是最有效也最保險的方法,但需要花費相當多時間與成本。如果能利用相關手法以最少的實驗次數快速地找出直接影響參數的條件,相信應該可以大幅縮短試驗過程及時間,有效降低產品開發成本。

在液晶顯示器製造過程中,面板(Cell)為關鍵零件之一,而其中框膠製程又為面板製程中較關鍵製程,它肩負結合彩色濾光片(Color Filter,簡稱CF)與薄膜電晶體(Thin Film Transistor,簡稱TFT)兩片玻璃基板及防止液晶外漏的功能。框膠製程參數相當多,改變其中一兩條件都有可能影響框膠黏著力的特性。本研究的目標在利用田口法在許多製程參數裡,快速地找出影響製程的關鍵參數,獲得最佳的製程條件,以求得最大的框膠附著力

在工程設計最佳化方法中,田口玄一博士所提出之田口法(Taguchi Method)在產業界最為廣泛使用,而許多相關書籍也都有詳細解說與應用實例,例如李輝煌教授將田口法的觀念與方法做更詳細介紹,並更進一步詮釋所有計算公式及直交表背後的理論,為田口法建立一套簡潔、易懂且不失完整性的概念,對本研究在最佳的製程參數分析上,能有效的理解與應用[1]

田口法的應用相當廣泛,從馬達設計利用田口法簡化在馬達結構參數、繞線方式、驅動方式等變數,找出每變數有三個變化的最佳值[2]、金屬管材之熱擠製加工成型參數組合影響探討[3],到IC產業的錫球參數對構裝結構可靠度影響分析[4]等,在各產業領域都有廣泛應用。本研究也將田口法應用TFT LCD產業的製程上,來找出最佳的製程參數組合,進而穩定製程達到最大的框膠強度的品質目標。

實務應用上常將田口法結合其他分析方法,如將田口法搭配機械性質ANOVA變異數分析[3]、結合灰關聯分析來設計同時滿足多重品質特性[5]、以及利用Visual Basic程式語言將田口法撰寫成視窗化設計軟體[6]、以六標準差配合田口實驗設計及反應曲面方法改善製程變異穩定控制框膠線[7]等。參酌這些方法,本研究除將田口法求TFT LCD框膠最佳製程參數組合最佳化之外,更將分析出來的最佳製程參數結果實際投入生產,並以拉力測試實驗來將理論分析結果以數據化呈現,將理論與實務結合,並透過基本的資料統計[8-9],以圖表方式呈現實驗分析結果,相信對產業製程上的改善找出以最少的實驗獲得最佳的結果更實際與直接的方法。

1.2 TFT LCD製程

薄膜電晶體液晶顯示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display,簡稱TFT LCD)為目前顯示器的主流,顧鴻壽教授所撰寫的平面顯示器基本概論[10]裡有詳細介紹,TFT LCD製程主要由Array製程、Cell製程、Module製程組成,其中Cell製程為結合Array製程產出的TFT基板與Color Filter成為面板的過程,而框膠製程又是Cell製程中重要的製程之一,簡介如下

(1)  框膠塗佈製程與框膠功能

Cell製程為結合TFT基板與Color Filter成為面板的過程,其主要製作流程如圖1-1

1-1. Cell製作流程

Cell製程中的框膠塗佈工程,是於基板顯示區域周圍塗佈框膠,藉由框膠的硬化產生結合應力使TFTCF基板結合,並產生封閉空間使液晶封閉於此空間內,防止液晶外漏。框膠塗佈及基板結合流程如圖1-2

1-2. 框膠塗佈與重合流程

(2)  框膠塗佈參數

框膠塗佈大多使用擠壓式塗方式,其原理是利用氮氣擠壓針筒內的框膠,使框膠經過針頭擠出,透過針頭與基板間之間隙,配合特定速度延著設定路徑移動,獲得所需的框膠塗佈量與框膠寬度,其相關參數示意如圖1-3

1-3. 框膠塗佈示意

 

框膠的硬化方式為逐步聚合,以紫外光照射使自由基誘發樹醋進行架橋反應後,再加熱來做聚合硬化反應[11],此部分為材料面化學反應層面,本研究暫不考慮框膠材料的影響,視為一定值,單純考慮製程條件框膠強度的影響。

影響框膠塗佈品質的參數可由兩方面來分析,在塗設備方面有塗壓力、針頭孔徑、塗速度、針頭與基板間隙,在塗製程方面有UV照設時間、預烤溫度及時間、熱壓著溫度及時間等。

1.3 研究目的

本研究的目的是利用田口法,在固定的框膠材情況下,在許多製程參數裡,能快速地找出影響框膠製程的關鍵參數,縮小控制參數範圍,找出最佳的製程條件組配,並以此最佳的製程條件進行實驗,透過拉力試驗方式,測試框膠強度變化狀況,期望達到特定目標的框膠強度。另外若實驗驗證的結果與分析預測的結果吻合,此分析方法將可提供新產品生產時,快速決定最佳投產條件的參考依據,縮短研發測試時程、降低研發成本。

第二章 研究流程與方法

本研究之研究流程如圖2-1可分為實驗前製程條件與參數選擇、田口法製程參數最佳化分析及效應分析,實驗階段的各實驗因子規劃實驗、效應預測、最佳製程參數投入實驗,以及實驗後的框膠拉力測試驗證及結果分析。本章詳述本論文研究方法。

2-1. 研究流程

2.1 口法直交表實驗

19501960年代,田口玄一博士(Dr. Genichi Taguchi)在品質工程(Quality engineering)上提出許多方法,而其所提出之方法則稱為田口法(Taguchi method),有人稱其為穩健性設計(Robust design)

傳統的實驗計畫法可分為試誤法(Trial-and-error)、一次因子法(One-factor-at-a-time experiment)、全因子法(Full-factorial experiment)與部分因子法(Fractional-factorial experiment),每種方法各有其優點,然而在使用上分別具有不夠系統化、無法確保再現性(Reproduction)與過於繁雜等缺點。而田口方法(Taguchi method)乃以工程角度去事先瞭解品質問題,它將欲執行之實驗作一個規劃與討論,再配合直交表(Orthogonal Array, OA)實驗設計,規劃出一套有系統又便於實驗分析的方法,並以訊號干擾比(Signal-Noise RatioS/N)來分析實驗數據。其最大的特點是簡化實驗次數,以少量的實驗數據進行分析,取得有用的資訊,有效的提昇產品品質,使設計者能輕易的找出產品或製程的最佳參數組合,達到品質特性穩健化之目的。

田口方法的實施步驟主要可分為下列幾項:

Ÿ 選定品質特性

Ÿ 決定品質特性的理想機能

Ÿ 列出所有影響品質特性的因子

Ÿ 決定各種因子及變動水準

Ÿ 設計實驗直交表,並安排實驗計劃

Ÿ 執行實驗,記錄實驗數據

Ÿ 資料分析

Ÿ 設計最佳化

Ÿ 確認實驗

在本研究中主要希望得到最佳的框膠強度,故選定框膠強度為欲改善的品質特性,本研究的產品大小為3.5吋基板厚度為0.5t,故依據產品的條件,框膠強度的目標值定為25N

影響框膠塗佈品質的參數,挑選主要的塗壓力、針頭孔徑、針頭與基板間隙、塗速度、UV照射時間、預烤溫度熱壓著溫度及時間等8個因子,且依製程經驗每因子設定3個變動水準,參數因子與水準對照表如表2-1

2-1. 因子與水準對照表

因子

製程參數

Level1

Level2

Level3

A

壓力(Mpa)

-10%

原設計值

+10%

B

針頭孔徑(mm)

-14%

+14%

C

Gap(mm)

-12%

+12%

D

預烤溫度()

-7%

+7%

E

速度(mm/sec)

-5%

+5%

F

UV照射時間(sec)

-20%

+20%

G

熱壓著溫度()

-5%

+5%

H

熱壓著時間(sec)

-1%

+1%

依據田口式直交表實驗方法,8個因子(A~H)搭配3個變動水準,可採用直交表(如2-2),其中第一列為品質特性因子,第一行為共需要18組實驗。

2-2. L18直交

 

A

B

C

D

E

F

G

H

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

1

1

2

2

2

2

2

2

3

1

1

3

3

3

3

3

3

4

1

2

1

1

2

2

3

3

5

1

2

2

2

3

3

1

1

6

1

2

3

3

1

1

2

2

7

1

3

1

2

1

3

2

3

8

1

3

2

3

2

1

3

1

9

1

3

3

1

3

2

1

2

10

2

1

1

3

3

2

2

1

11

2

1

2

1

1

3

3

2

12

2

1

3

2

2

1

1

3

13

2

2

1

2

3

1

3

2

14

2

2

2

3

1

2

1

3

15

2

2

3

1

2

3

2

1

16

2

3

1

3

2

3

1

2

17

2

3

2

1

3

1

2

3

18

2

3

3

2

1

2

3

1

2.2 實驗規劃

依據直交表規劃8個因子搭配3個變動水準共18組小量實驗,每組實驗產出的產品量測10pcs框膠強度,並計算出每組平均值、S標準差,如公式(2-1)(2-2)

                                                                                                               (2-1)

                                                                                                  (2-2)

因品質特性為望目型,針對品質特性,調整因子會影響平均值及變異性,則S/N比為公式(2-3)

                                                                                       (2-3)

其中S/N為訊號干擾比,其值越大表示標準偏差越小,亦即代表變異越小。18組實驗數據計算結果整理如圖2-2

2-2. 實驗數據

2.3 製程參數效應分析

首先分析因子對S/N比的影響。由直交表可看出,第一行因子A由水準1變動到2所以計算兩水準的S/N比的平均變動量即為A的因子效應,可以表示成,其他行因子效應以此類推,相同的可計算各因子在各水準S/N比的平均變動量,得到各因子對S/N比的效應,因子效應表如圖2-3

2-3. S/N比因子反應表

將各因子對S/N比的效應值的最大值與最小值差異由大至小排序,序號越小表示效應差異越大,因子重要性越高。將各因子對S/N比的效應以圖表表示如圖2-4,從圖中可看出因子ABCEF(壓力、針頭孔徑、塗Gap、塗速度、UV照射時間)S/N比的影響較大,且決定各因子水準為A2B1C2E1F3

2-4. S/N比因子反應圖

接著,再分析因子對品質特性的影響,相同地,計算各因子在各水準平均值之平均變動量,及各因子對平均值效應的差異,可得各因子對品質特性的效應表如圖2-5各因子對品質特性的反應圖如圖2-6。由數據及圖表看出,影響最大的2個因子為 DG (預烤溫度熱壓著溫度),因子FH雖然對品質特性也有影響,但影響程度較小,暫不列入考慮。決定DG因子水準為D1G1

2-5. 品質特性因子反應表

2-6. 品質特性因子反應圖

由以上的分析結果,先調整第1類控制因子ABCEF來最大化S/N比,縮小製程變異,其參數組合為:

A2  B1  C2  D?  E1  F3  G?  H?

再調整第2類控制因子DG來調整品質特性達到目標值其參數組合為:

A2  B1  C2  D1  E1  F3  G1  H?

因子H因影響程度較小,故歸類為第3類控制因子,因子水準維持在2主要是用來降低成本,最後可得到最佳製程組合。

A2  B1  C2  D1  E1  F3  G1  H2

2.4 確認與預測

在製程參數最佳化的過程中,都是假設因子效應是獨立的,不會受其他因子的設定值而影響。所以以田口直交表分析得到的最佳製程組合,在進行大量生產之前,必需先確認因子間沒有交互作用,此最佳製程組合才是可靠的。

假設因子效應是獨立的,等同於各因子效應可以疊加起來,因此在某一因子組合下的S/N比反應值可以以公式(2-4)計算:

                                                 (2-4)

S/N比的總平均值。

在本實驗中,若只考慮重要因子,由S/N比的效應表中,在原始製程下的S/N比以公式(4)計算為

在最佳製程下的S/N比以公式(4)計算為

預估從原始製程改變至最佳製程時,S/N比可增加3.6

S/N=28.6-25=3.6

2.5 確認實驗

上述的S/N的效率畢竟是假設,為了確認上述假設的可靠度,還是需要實際的實驗佐證,故將原始製程與最佳製程參數條件,分別進行小量試投並測試其框膠強度,測試結果整理如表3

2-3. 確認實驗結果比較表

 

P1

P2

P3

P4

P5

P6

P7

P8

P9

P10

S

S/N

實驗值

預測值

Original

22.2

25.8

21.8

24.5

21

24.4

22.5

22.4

24.4

23

23.26

1.318

24.9

25

21.2

24.1

25.3

22.8

24.5

23

22.4

23

21

22.8

24

22.3

24.2

24

22.5

25.3

24.5

24.1

21.5

23.1

Optimal

26

24.3

26.2

25

24.5

26.2

25.3

26.1

24

25.2

25.0

0.952

28.4

28.6

24.2

25.8

23.3

26.2

23.7

26.4

24.5

24.4

26.4

24.1

25.8

26.5

24.3

25.4

24.6

24.1

24.8

24.2

24.8

23.8

 

S/N

3.5

3.6

由實驗數據比較結果來看,S/N比的預測值與實際實驗值非常接近,由此可證明此最佳製程組合條件可以應用在生產線上來改善框膠強度,分析出的因子效應也可以作為製程調整參考。

第三章 框膠強度測試

框膠很重要功能之一,就是結合TFTCF基板並形成封閉空間,使液晶不致外漏。框膠硬化後產生結合應力過小,不但會降低面板強度,嚴重的可能會產生面板分離現象。利用拉伸試驗原理,測試TFTCF分離時所需的施力大小,即可獲得相對框膠所承受的力,來決定框膠強度

3.1 測試設備與條件

測試框膠強度設備為順公司的伺服系統全自動插拔力(引張、壓縮)試驗機,型號1220HS,設備外觀如圖3-1,設備規格如圖3-2。設備兩柱內距最大為200mm,故測試sample寬度必須小於200mmstage最大行程為150mm,扣除荷重元高度、壓頭長度sample厚度、測試行程,治具高度設計必須有所限制。

本設備上stage固定荷重元,荷重元下端銜接測試壓頭,下stage為治具及sample擺放基準面,下stage可上下移動,藉由設定stage上下移動的速度、時間、行程,可使測試壓頭對sample進行下壓或拉伸動作,達到壓力或拉力的目的。

3-1. 全自動插拔力(引張、壓縮)試驗機

3-2. 設備規格

本實驗之框膠強度測試條件為在常溫下待測物旋轉45°放置於治具上(如圖3-3,上方蓋上上蓋以固定待測物如圖3-4不繡鋼尖頭壓頭下TFT玻璃劃記位置,直至CF玻璃與TFT玻璃分離或破裂為止。下壓速度為37.5 mm/min,選用20kgf荷重元(精度0.2%)測試受力情況如圖3-5下壓位置為治具蓋邊緣距CF玻璃尖端12.5mm,與TFT玻璃凸出CF玻璃的1/2寬度交接處(如圖3-6

3-3. 待測物擺放方式

3-4. 待測物固定方式

3-5. 荷重元

3-6. 待測物下壓位置

3.2 框膠強度測試原理

測試原理如圖3-7,於TFT表面距CF邊緣固定距離D尖頭壓頭給予一定速V之位移,當下壓行程到達某一程度,框膠結合力無法承受TFT往下位移時,TFTCF即分離,或玻璃本身材料強度無法承受TFTCF分離位移時斷裂,此時由尖頭壓頭上端連接的荷重元測得TFT基板反作用力,即代表框膠所承受之使玻璃基板分離的作用力。

3-7. 測試原理示意

壓頭距離CF邊緣之測試距離依基板厚度不同而有所不同,為了在玻璃未破裂狀況下測試出框膠強度,測試距離不可太長,以免造成測試距離過長,基板撓曲過大而先斷裂,無法測試出框膠強度,一般業界基板厚度與測試距離對照表如表3.1

3-1. 基板厚度與測試距離對照表

基板厚度t

測試距離D

0.3mm

6mm

0.4mm

12.5mm

 

框膠強度的要求也依基板厚度不同而有所不同,經由業界許多的實驗及產品上應用的需求考量,再加上客戶的需求,一般業界上對的框膠強度的要求與基板厚度的關係,大致上可區分如表3.2

3-2. 基板厚度與測試距離對照表

玻璃厚度t

框膠強度

< 0.3mm

8N

0.3mm

12N

0.4mm

20N

0.5mm

25N

0.6mm

30N

 

測試樣本固定於stage上的方式及測試壓頭相對位置如圖3-8當壓頭往下位移,接觸到TFT玻璃時,荷重元開始接收到玻璃的反作用力,開始記錄並回饋數值,當位移持續,玻璃的反作用力愈大,此階段位移與作用力呈線性正比關係,框膠結合力無法承受TFTCF分離位移而分離或破裂時,此時玻璃的反作用力瞬間消失,荷重元偵測到的數值瞬間變為零,位移與作用力曲線瞬間下降,此時曲線最高點即為玻璃分離瞬間時的最大反作用力(單位kg),圖3-9所示為其位移與作用力關係圖,圖形橫軸為位移(mm),縱軸為壓力(kg)

3-8. 測試畫面

3-9. 位移與作用力關係圖

在此測試中,可將玻璃破裂模式區分為Seal BreakageGlass Breakage兩大類,如圖3-10Seal Breakage現象為TFT破裂CF未破裂,Seal外露,此現象為框膠合力無法承受玻璃被下壓的位移而分離,此現象荷重元測得的荷重為框膠最大的結合應力。Glass Breakage現象為TFTCF同時破裂但彼此未分離,故Seal無外露,此現象為框膠合力遠大於玻璃本身材料的強度,以至於玻璃已破裂但框膠仍結合TFTCF玻璃,此現象荷重元測得的荷重為玻璃最大的強度。

3-10. 破裂模式

此次實驗的目的為求得框膠的最大的結合應力,故測試結果將選用Seal Breakage模式的數據進行計算與分析。

第四章 結果與討論

4.1 實驗結果

本研究求得最佳化參數之後,以最佳製程組合條件投入製程中,所生產出的樣本以框膠強度測試方式,測試出此批框膠強度數據,得到以下的結果。

先以第一階段調整因子來最大化S/N比,縮小製程變異,將測試出的框膠強度數據繪製成機率分佈圖(圖4-1中綠色曲線),與原始製程參數比較(淡藍色曲線),可發現鐘形圖外型已明顯變瘦,整體標準差由2.37變成1.60顯示製程變異已經明顯縮小。

4-1. 第一階段最佳化框膠強度機率分佈圖

 

另外若以此階段中心值23.1±3N之規格值來計算,原始製程參數生產出來的產品,其框膠強度會有0.34%不良率,第一階段調整因子後生產出來的產品,其框膠強度不良率縮小至0.08%

再以第二階段調整因子來調整品質特性達到目標值,將測試出框膠強度數據繪製成機率分佈圖(圖4-2中深藍色曲線),可發現鐘形圖中心值由23.2N變成24.9N,已經與目標值相當接近。

4-2. 第二階段最佳化框膠強度機率分佈圖

另外若以品質目標值25±3N之規格值來計算,第一階段調整因子生產出來的產品,其框膠強度會有0.36%不良率,第二階段調整因子後生產出來的產品,其框膠強度不良率縮小至0.05%

4.2 討論

本研究僅針對框膠製程參數以田口法找出最佳的製程組合,並透過拉力測試方式求得框膠的強度,由實驗結果證明,透過這個過程與方法,確實能減少製程變異,達到我們預期的品質目標,另外也達到了減少實驗次數的效益。不過,對於框膠材料的因素是否納入分析,以及納入後的分析方法,是後續可以研究的方向。

田口法分析的過程中,無形中協助我們將影響的因子依重要性區分為三大類,第一類用來減小變異、第二類用來達到目標值、第三類用來降低成本,如此的層別效益,對任何產業來說,是很實際的幫助。

此外,田口法給我們一個很重要的觀念,不要去消除引起製程變異的因素,因為通常是不可能的且成本很高的,而是去找出一組最佳的製程配方,使這些因素對製程變異的影響降至最低,而後再進一步求製程的穩定,調整參數達到品質目標,才是正確及有效的方法。

最後,本研究最大的貢獻為經由這次的過程,讓該產品框膠強度23.2N提昇至24.9N,而且找出影響框膠強度最關鍵的參數為塗壓力、針頭孔徑、塗Gap、塗速度、UV照射時間等5項,以及獲得此5項關鍵的參數的最佳水準,此結果對往後各項產品開發投產,提供有效的參數決定依據。

4.3 未來研究方向

如上所述,後續可以深入研究的地方就是可以納入不同框膠材料的因素進行分析,使得分析結果更符合生產實際狀況。其次在各因子水準程度的決定,或許可以縮小程度與細分化,在多水準的分析下,讓製程參數有更精密的調整參考。

另外製程技術日益進步,傳統擠壓式框膠塗佈方式在小尺寸多面取數的需求下,其塗效率已不敷需求,而有利用網板印刷方式取代,網板印刷原理示意如圖4-1,跟塗方式有明顯差異,在此情況下,如何提昇網印品質與良率,在製程上是可以進一步研究的課題。

4-3. 網板印刷示意圖

Reference

[1]     李輝煌,田口方法品質設計的原理與實務,民100,高立圖書有限公司。

[2]     吳梅豪,表面型永磁無刷直流馬達之設計,民95,逢甲大學電機所碩士論文。

[3]     洪大凡,AZ61鎂合金管材之熱擠成型性探討,民95,台灣科技大學機械所碩士論文。

[4]     張良漢,應用田口法於精細覆晶構裝之最佳化設計,民98,成功大學工程科學系碩士論文。

[5]     盧昆宏、黃雋心、粘孝應用灰關聯分析田口法與反應曲面法於多重品質特性最佳化製程參數設計,民98,高雄大學亞太工商管理學系、遠東科技大學行銷與流通管理系品質學會高雄分會年度論文。

[6]     張志清,搭配有限元素分析進行田口法最佳化設計,民98,逢甲大學資訊電機工程碩士論文。

[7]     方登進,應用六標準差於框膠製程最佳化改善手法之研究,民95,成功大學工業與資訊管理學系碩士論文。

[8]     鄭春生,品質管理,民98,全華圖書股份有限公司。

[9]     林惠玲、陳正倉,基礎統計學,民96雙葉書廊有限公司。

[10]  顧鴻壽,平面面板顯示器基本概論,民93,高立圖書有限公司。

[11]  郭又菁,液晶顯示器製程條件對框膠附著力的影響探討,民98,元智大學化材所碩士論文。