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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 研發中心 產品靜電技術部 .tw 74445 台南縣新市鄉樹谷園區紫楝路 26 號 摘要摘要-在液晶顯示模組的生產過程中，從印刷電路 板整合進液晶顯示面板的製程到各個模組的組裝， 待組裝物、設備或是人員之間，不可避免都會有移 動及接觸的行為出現，因此在待組裝物上必然會發 生靜電放電的現象。雖然大多數的狀況都是安全的， 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膜後， 會造成許多的靜電電荷殘存在液晶玻璃面板內的顯 示元件中，後續的組裝程序上
2、，往往會出現危險的 元件儲存電荷模式之靜電放電或電性過壓破壞，進 而造成半導體元件內部電路的被破壞，其中特別是 在驅動積體電路的靜電擊傷現象。但這種元件內部 的微小破壞往往無法立即被發現，而會在後續的檢 測過程中才一一被發現，部份問題甚至到了客戶端 才被發現，而造成許多的爭議及成本負擔。在本文 中針對此問題，做了詳細的探討及解析。 關鍵字：關鍵字：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
3、 式 (Board Level Charged Device Model, BLCDM)，驅動積體電路 (Driver IC)，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) 的生產過程中，從液晶顯示面板(Liquid Crystal Display, LCD)進料開始，接著進行外引線焊接 (Outer Lead Bounding, OLB)的預備作業及驅動積體 電路(Driver IC)元件的進料及焊接作業，
4、其中驅動 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電膠膜(Anisotropic Conductive Film, ACF)壓合焊接到液晶顯示面板上， 然後進行印刷電路板(Printed Wiring Board, PWB)的 進料，以及透過異方性導電膠膜使其與驅動積體電 路間，完成 TCP，COF，或 FPC(Flexible Printed Circuit)的焊接作業，到此即完成印刷電路板整合 進液晶顯示面板的製程(PCBI)。在此階段，主要的 靜電放電(Electros
5、tatics Discharge, ESD)問題，多發 生在於其中的一些自動化設備之傳輸及壓合動作， 這些接觸式的壓合都會產生大量瞬間的靜電放電， 這種放電則多屬液晶顯示面板內在儲存電荷 (Charge)與設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(
6、Air Ionizer)的位置，因為其主要 目的是用來建立工作環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 靜電放電現象必然發生，因此還需避免設備本身與 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。因此，必需注意到一些安全接地的方法， 如此才可預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)，之後才會進入 組裝(Assembly)的程序，有時又稱為組立站。 到了組裝程序，其中大多數的程序都是人工 作業，但是在大尺寸 TV 的
7、LCM 廠，有些程序雖 然都已改成自動化設備的作業，不過還是難免需要 一些人工作業。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中，進 入模組的間隙，還會有點亮背光板(Back Light, BL) 檢測異物的程序，因此在這裡的工作區也需注意落 塵的管控。接著進行控制電路板與鐵框等的組合作 業，最後再進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 在 PCBI 後的 A 檢及在組立站的這些人
8、工組裝程序 中。其中在撕除液晶顯示面板上下兩面之保護膜時 的作業程序，以及撕膜後幾項人工作業的組裝過程 特別重要，嚴重的靜電放電或電性過壓破壞經常在 此出現，在 B檢站就會檢測出這些嚴重的破壞現象。 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，因此部份的故障現象在此可能就被忽略了。 完成組裝後，接著會進行模組的老化(Aging) 1 測試之可靠度篩
9、檢。一些潛在的可靠度問題，當然 也包含了在前面提到已受到元件儲存電荷模式靜電 放電微小破壞的元件，經過這樣的老化測試實驗後， 若其測試圖像可有效作用在這些原本被輕微破壞的 電晶體元件上，這些液晶顯示模組從老化測試爐取 出後的檢測過程(一般稱為 C 檢)，就會再度的強化 這些問題，進而被淘汰出來。當然，在做老化測試 的設備若有一些設計或結構上的問題，或是連接器 (Connector)的裂化，那也有可能造成另一種電性過 壓破壞出現。 最後這些經過篩檢良好的液晶顯示模組，再 經過外觀檢查後，就送入包裝。在僅生產液晶顯示 模組的生產線，到此即完成了整個程序，否則還會 有後續的系統組裝及測試的製程程序。
10、到了系組裝 時，重要的課題則多在異物的管控，是否有異物再 度入侵模組間隙，以及電性測試上的問題，如熱插 拔或移位插拔，訊號電源順序，以及訊號誤寫等。 2. 撕除液晶顯示模組的保護膜撕除液晶顯示模組的保護膜 在 LCM 工 廠 環 境 中 ， 相 對 濕 度 (Relative Humidity, RH)與溫度(Temperature)的控制，對任何 形成靜電的作業程序，都會顯著地影響到儲存在物 體中的靜電量，因此都會將相對濕度控制在一定的 範圍內(RH55%-65%)。而為了避免產生靜電放電 的現象，不外乎需做到兩項關鍵性的工作，一是安 全的消除靜電，二是保持工作環境的等電位面。因 此一些靜電
11、消除器的使用，及共同接地點的選擇都 會特別注意。 然而在 LCM 組裝過程中，撕除保護膜 的程序，是屬於必然會產生大量靜電的作業程序， 更會引發模組中所有連接材料內部的電荷重新再分 配，而這種外部及內部靜電的移除，卻並非使用一 般的靜電消除器就可以容易地移除，因為它僅能儘 量維持工作環境中大面積表面的等電位面，一些較 大的內部電場所造成的電位能，在半導體積體電路 中所束敷住的靜電電荷，則需要相當長的時間(通 常需達數分鐘以上)才有機會移除。 為解決這個問題，首先從保護膜本身的材料 了解起，其多屬聚乙烯(Polyethylene)材料，本身就 因其 C-H 的長鏈結非常容易形成耦極(Dipole
12、)化現 象來吸附自由電荷，而在應用過程中會再加上一些 化學藥劑的塗佈，使其更容易緊密地貼附在顯示面 板的偏光板(Polarizer)上。 因此在保護膜的撕除過程 中，保護膜與偏光板之間必然會形成瞬間大量的靜 電電荷分離之行為，通常這種電荷分離發生的時間 都非常短，甚至在數百奈秒(ns)以內的時間內就發 生了，因此瞬間的靜電產生量也不是使用一般的表 面靜電電場量測儀(Surface Electrostatic Field Meter) 就可以量得到，因為它是用來量測物體在靜態下的 表面電場，再與相對零電位面(歸零設定時的參考 表面電位)比較而換算出電壓值。 因此在量測時，還 需考慮到量測待測物的
13、表面是否有可穿透電場的材 料，若是有此材料存在，那所量測到的靜電場電位 應還要包含表面材料以下的靜電電荷所形成的電場 加成。然而，對移除液晶顯示面板表面保護膜所形 成靜電電荷的多寡，是會直接影響到內部儲存的靜 電量，這主要還是決定於材料間的靜電吸附力。通 常保護膜本身與貼附物間具有越大的吸附能力，瞬 間產生的電荷分離量就越多，這也決定了之後組裝 生產程序的風險性，因此慎選保護膜材料對 LCM 的良率是一個首要關鍵。 除了上述的材料問題之外，在撕除保護膜時 的方向(如圖 1 所示)，速度，及角度也都影響到這 瞬間產生分離的靜電電荷量，及移除保護膜後的電 荷重新分佈之行為。真正的問題不是出現在液晶
14、顯 示面板的表面靜電電荷殘留，而是在於液晶顯示面 板內部的結構與驅動積體電路及印刷電路板間的關 係，所造成的內部電荷殘留。以保護膜撕除的方向 而言，對於不同的面板，因其所使用的元件特性不 同，其實並沒有所謂一定最好的方向，僅有相對較 安全的方向，因為若液晶顯示面板與驅動積體電路 及印刷電路板上的電路設計夠安全，能安全有效排 放撕膜時所產生的電荷，那在圖 1 中(a)或(b)的情 形都有機會減少撕完保護膜後所殘存的靜電，否則 為了避免這種撕膜過程中瞬間所發生的大電流直接 流入驅動積體電路或印刷電路板，還是以(d)的情 形相對較保守，此方向可以降低撕膜瞬間，玻璃內 部線路所耦合出的大電流對驅動積體
15、電路及印刷電 路板元件的直接注入而造成破壞，以降低這個製程 對驅動積體電路的立即性衝擊。但後續的組裝程序 仍然需要小心注意，因為在撕膜後，液晶顯示面板 與積體電路中還是殘存了大量的電荷。 (a) (b) (c) (d) 圖圖 1. 各種撕除保護膜的方向。 3. 液晶顯示面板中的殘存電荷形成原因液晶顯示面板中的殘存電荷形成原因 在印刷電路板整合到液晶顯示面板之後的製 程中，在液晶顯示模組的組裝站點上，都會有使用 靜電消除器以達到待組裝物表面與環境的等電位面， 因此在保護膜移除後，液晶顯示面板的偏光板表面 電位都希望會儘量與環境同電位。然而事實上，在 撕完保護膜後，馬上使用表面靜電電場量測儀量測
16、時，即使靜電消除器持續作用在面板上，卻發現液 2 晶顯示面板表面依然有甚高的靜電電場反應，甚至 有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，這其實就是表示在撕完保護膜 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，在保護膜每一單位面積中，於撕離的 瞬間，液晶顯示模組內部就已形成了許多外面環境 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，除了前述因為材料本身的靜電產生能力 之根本問題外，又與液晶顯示面板的特性，驅動積 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，由於撕保護膜時對空間產生的電位變 化，在基本的物理定律下，電場需呈現連續性 (E+=E-，即物質不滅定律在電性上的表現)，因
