液晶面板封框胶断裂强度的预测模型和性能增强

程再军，张 旭,，颜华生，李愿愿,，王建明，伞海生

(1.厦门理工学院光电与通信工程学院，福建厦门361024；
2.厦门天马微电子有限公司消费品质量部，福建厦门361101；
3.厦门大学萨本栋微纳米科学技术研究院，福建厦门361005)

胶接结构因能提高连接效率而越来越多地应用到各个领域的设计中[1-4].随着技术的发展，电子产品的尺寸越来越小，封装越来越轻薄.有研究[5-6]表明：当产品受到外界高温环境或者载荷时，经常会发生界面剥离破坏.因此，胶接结构的黏合强度研究在电子产品的质量评价及产品设计中占有越来越重要的地位.

液晶面板作为电子产品的重要显示结构，其内部的薄膜晶体管玻璃基板和彩色滤光片玻璃基板依靠封框胶进行连接而形成胶接结构，并防止液晶泄露，以及杂质与液晶接触而造成的液晶污染[7-8].因此，封框胶的断裂强度在很大程度上决定着液晶面板的显示质量.经分析，影响封框胶断裂强度的因素主要有材料自身特性[9-11]、胶层厚度、界面端结合角等，其中，断裂强度随着封框胶胶层厚度的增大而减小[12-14].同时，在对相关文献进行梳理总结时发现，针对封框胶断裂强度测试位置及其材料力学特性的相关理论研究比较缺乏.所以，验证测试位置及材料特性对封框胶断裂强度的影响成为了可靠性评价工程中需要解决的重要问题之一.

为此，本文通过对封框胶及应用于液晶面板的封框胶进行拉伸实验，得到封框胶的断裂强度.基于临界应力强度因子界面端应力模型和回归分析，计算出封框胶胶接结构的临界应力强度因子，分别推导了不考虑胶层缺陷和残余应变影响下的封框胶及液晶面板封框胶的断裂强度预测模型.并对比预测模型计算结果和测试结果，验证预测模型的可靠性；
最后分析材料参数、界面端结合角、胶接表面处理与断裂强度的关系，为工程应用提供理论指导.

实验采用某公司已量产的液晶面板.由于液晶面板尺寸较小，无法直接施加载荷.因此设计一种黏结力大于封框胶的方型胶带(简称方胶)，边长为19 mm，厚度为3.8 mm，将其黏贴在液晶面板需测试的位置.实验前，将液晶面板的表面用无尘布擦拭，去除表面杂质，然后将方胶黏贴在样品上并静置48 h，保证方胶能够完全牢固贴合，防止实验脱落.实验设备采用万能材料实验机(岛津，AG-X plus 5 kN，1 N～4 800 N/980 N)，加载速率为10 mm/min.实验中为确保数据有效性，每个实验均测试20个样品.

1.1 封框胶单轴拉伸实验

1.1.1 实验准备

为保证封框胶拉伸实验仅在封框胶的作用下进行，实验前排净液晶面板内部的液晶以消除液晶吸附力，仅测量玻璃基板拉开时所需要的断裂拉力.为保证实验准确性，分别对液晶面板的直边和直角两个位置进行测试，测试位置如图1所示，插图为方胶下对应内部封框胶的涂布情况.

图1 封框胶单轴拉伸实验测试点位图Fig.1Test site of sealant in uniaxial tensile test

1.1.2 结果分析

图2 封框胶单轴拉伸实验的载荷位移曲线Fig.2Load-displacement curve of sealant in uniaxial tensile test

图3 封框胶单轴拉伸实验及结果Fig.3Uniaxial tensile test and results of sealant

图2为单个样品测试的载荷-位移曲线图.曲线显示拉力值均随位移的增加近似呈线性增长，说明断裂前的拉伸状态可以理想化成一个线弹性体，其应力与应变也呈线性关系.到达曲线最高点时，封框胶断裂失效，曲线开始下降.

图3为测试样品及数据图.如图3(a)和(b)所示，液晶面板测试前为黏合状态，测试后呈现“Y”字形，说明液晶面板被分离，封框胶断裂.从图3(c)和(d)可看出，直边和直角的断裂拉力分别为50和85 N.根据涂布封框胶时，监控得到的封框胶断面面积和液晶面板盒厚的工艺参数，计算出封框胶宽度，乘以涂布长度后得到封框胶与玻璃基板的接触面积.直边和直角位置的封框胶与玻璃基板接触面积分别约为9.5和17 mm2.经计算，断裂强度分别约为5.26和5 MPa.对比两种测试结果，同样的涂布条件，直角位置的断裂拉力大于直边，但断裂强度与直边近似相等.结果说明，在材料及膜层厚度一定的情况下，测试位置会对断裂拉力产生影响，但是与断裂强度无关.

1.2 液晶面板拉伸实验

1.2.1 实验准备

液晶面板拉伸实验是在封框胶与其他未知干扰因素共同存在的情况下，即对完整的液晶面板不做任何特殊处理，测量封框胶失效所需要的断裂拉力.按如图4所示的4个位置(直边：D1，D2；
直角：R1，R2)对液晶面板进行拉伸测试.测试时，样品通过辅助夹具固定在设备上，未固定的另一侧下方放置一个泡棉用来支撑，防止样品因重心偏移出现破裂.

1.2.2 实验结果

图5为样品失效图和测试结果图.图5(a)和(b)为直边和直角样品失效图，当达到液晶面板封框胶断裂临界值时，封框胶失效，玻璃基板分离.图5(c)和(d)

图4 液晶面板拉伸实验测试点位Fig.4Test site of liquid crystal panel in uniaxial tensile test

为直边和直角样品测试结果.玻璃基板拉开瞬间，直边和直角的断裂拉力分别约为90和200 N，断裂强度分别约为10和12 MPa.直角的断裂拉力约为直边样品的两倍，但断裂强度近似相等.可以看出，与仅有封框胶的测试结果相比，存在其他干扰因素的液晶面板，断裂强度增大了近一倍，且干扰因素对直角位置断裂强度的影响略大于直边.

图5 液晶面板拉伸实验及结果Fig.5Tensile test and results of liquid crystal panel

2.1 液晶面板力学模型

图6 液晶面板二维模型图Fig.6Two-dimensional model of liquid crystal panel

根据界面端应力分布规律，液晶面板受到拉力作用时，界面端会出现奇异应力σy,无切应力产生，即τxy=0.该应力随其距界面端点O的距离r而变化，关系式如下[15-16]：

(1)

其中，Kσ表示应力强度因子，λ表示应力或位移分布的主要特征，只与界面端附近几何形状和黏结材料的参数有关，称为界面端特征值.

2.2 异种材料界面端理论模型

液晶面板的上下层玻璃依靠封框胶连接，存在异种材料界面端，其失效阶段由界面端的奇异应力导致.当封框胶所受外力达到断裂临界值时，界面会出现裂纹，最终导致封框胶与玻璃基板的连接界面剥离破坏.异种材料界面端的一般模型如图7所示[17]，图中θ1、θ2分别为材料一和材料二的边缘角.

图7 异种材料界面端模型Fig.7An interface edge model of different materials

根据液晶面板界面端应力分布，采用复变应力函数对界面附近的应力或位移进行分析.设模型中Goutsat复变应力函数和极坐标应力函数如下式[18-19]：

(2)

(3)

式中：θ指r与x轴的夹角；
z=reiθ；
φj、ψj分别为材料j的复变应力和极坐标应力的解析函数，式(3)中其一阶和二阶导仅对r求导；
Aj、Bj、Cj、Dj分别为材料j的待定系数；
G为剪切模量；
κ为材料常数；
ur、vθ分别为径向和环向位移；
τrθ为切应力.

根据工程实际，已知液晶面板界面端的θ1=θ2=π/2,θ=0,可以得到界面连续条件和自由边界条件：

ur1=ur2,vθ1=vθ2,σθ1=σθ2=0,τrθ1=τrθ2=0.

(4)

联立式(2)～(4)，可以得到以下线性方程组：

(5)

其中，Γ为材料一和材料二的剪切模量之比，即Γ=G1/G2.将式(5)转换成齐次方程组，对其进行求解，得到该方程组的特征方程如下[17-18]：

(6)

其中,α、β为Dundurs材料复合系数[20]，也称异材(双材料)参数.它描述了复合材料界面上两种材料相互约束的关系，被广泛地用来描述结合材料的弹性特性，根据其与剪切模量和泊松比ν的关系，可用于选择合适的材料组合以增加结合材料的强度，表达式如下：

(7)

(8)

特征方程中，λ解的范围为(0, 1)，当α(α-2β)>0时，在外载荷作用下，界面端存在奇异应力场σy.断裂力学中，界面端的无量纲应力强度因子Fσ的表达式为[21]：

(9)

其中，Kσ为应力强度因子，σy(r)为距离界面端点r处的应力.由于界面端应力存在奇异性，有限元数值模拟得到的应力值σ′y会随着网格尺寸的细化而改变，即σ′y≠σy(r).因此，Fσ不能直接用σ′y来计算.

2.3 无量纲应力强度因子的计算

(10)

2.4 封框胶断裂强度预测模型

由断裂力学理论可知，临界应力强度因子Kσ c、无量纲应力强度因子Fσ和断裂强度σc存在如下关系[21-23]：

Kσ c=FσσcW1-λ.

(11)

将已知的材料参数带入式(6)～ (8)，求出特征值λ,再将其带入式(11)中，便可计算出胶接结构的临界强度因子Kσ c,而且不同胶层厚度胶接结构的临界应力强度因子几乎恒定不变.因此，可把已知厚度求得的Kσ c看成其他胶层厚度的Kσ c[21-23],进而得到其他膜层厚度的断裂强度.

根据上述方法，假设封框胶为不存在缺陷和残余应变的均匀材料，长宽比满足L/W≥1,此时无量纲应力强度因子Fσ的数值大小仅与材料复合系数α和β有关.将玻璃基板和封框胶的材料参数代入式(6)～(8)，可以求出具体材料属性,如表1所示.

表1 材料属性

(12)

2.5 液晶面板封框胶断裂强度预测模型

应用于液晶面板封框胶的断裂强度除了封框胶的作用，还会受到其他干扰因素影响，例如液晶吸附力、破真空力等，同时理论和实验存在一定误差.把封框胶断裂强度和液晶面板封框胶断裂强度之间的关系看成一系列的数据对[(σc1,σp1),(σc2,σp2)…(σcm,σpm)]，即σc为封框胶的断裂强度，σp为应用于液晶面板封框胶的断裂强度，令方程的初始表达式为

(13)

(14)

2.6 模型验证

将式(14)中由预测模型得到的理论预测结果与实验数据测试结果进行对比分析，误差如图8所示.

注：误差=(实验值-预测值)/实验值×100%.图8 预测误差对比分析Fig.8 Comparison of predictive errors

图8为不同测试位置对应的模型预测误差对比分析曲线.可以看出，D1和D2位置，预测值比测试值偏低；
R1和R2位置，预测值比测试值偏高.总体误差范围均控制在±20%以内，大部分误差控制在15%以内，最小误差仅0.33%，说明预测模型具有较高的准确性.而且，本文中的预测模型是基于不存在缺陷和残余应变的理想胶层.实际材料存在的缺陷、破坏机理及模型不同均可能会影响到预测精度.

现有产品的改善和新产品的研发过程中，质量提升是整个显示行业不断努力的方向.根据上述断裂强度预测模型，可以发现材料力学特性及界面端几何形状对断裂强度提升发挥着重要的作用.因此，可以通过如下方法来提升液晶面板封框胶的断裂强度.

图9 特征值λ的影响因素分析Fig.9Analysis of influencing factors of λ

减小界面端应力奇异性，即减小奇异性指数1-λ的值.已知解λ>0，随着λ的增大，奇异性随之减小.当λ≥1时，意味着界面端不存在应力集中现象，即能够提高界面端的结合强度.又由式(4)～(8)可知，界面端的奇异性不仅与材料组合有关，还与界面端的几何形状有关.合适的材料组合和界面端形状，能够降低界面端奇异性，提高结合材料的力学性能，达到结构优化的目的.一般来说，界面端几何形状对奇异性的影响较为明显.特征值λ与材料复合系数α、β关系如图9(a)所示，改变封框胶材料来减小奇异性.若增大λ，则需要减小α或者增大β.图9(b)为材料复合系数α与封框胶弹性模量E的关系图，α的值随着弹性模量E的增大而减小.图9(c)为材料复合系数β与封框胶弹性模量E、泊松比ν的关系图，若想增大β，且增大弹性模量E，则需要减小泊松比ν.改变界面端几何形状，即改变结合角.研究表明，若适当减小结合角的角度，能够增大特征值λ，进而提高界面结合强度[25].

通过相关技术尽可能的减少胶层缺陷或者对胶接表面进行特殊处理.工程中实际使用的材料表面会存在一定的缺陷或者空洞，又因界面两侧材料性质不同，不可避免的会存在结合残余应力，其会对界面强度、结合材料的强度产生较大影响.因此，对胶接表面进行特殊处理增大界面间的结合力，从而提升界面强度.

本文针对薄膜晶体管液晶显示器行业中液晶面板的封框胶断裂强度预测模型进行了理论研究.首先，采用单轴拉伸实验，分别测试了封框胶和应用于液晶面板封框胶的断裂性能，得到了断裂拉力和断裂强度.然后，基于异种材料界面端应力模型和回归分析对封框胶进行了理论建模，计算了封框胶胶接结构的临界应力强度因子，分别推导了不考虑胶层缺陷和残余应变影响下封框胶和应用于液晶面板封框胶的断裂强度预测模型.将模型预测结果与实验对比，预测值的最大测试误差仅在±20%以内，验证了断裂预测模型的准确性及可靠性.最后，提出了增大封框胶断裂强度的改善意见：选择弹性模量较小、泊松比较大的封框胶材料；
适当减小界面端结合角；
对胶接表面进行特殊工艺处理.该模型和改善方法为工艺改善和质量提升提供理论参考，在工程应用上具有较大实用价值.

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