背光教材 (2).doc

教材目录-1A. 背光板之构造及基本观念-2一、 背光板之功能-2二、 背光模块的种类-2三、 背光模块的关键材料-31. 冷阴极灯管-32. 导光板-63. 光学膜片(含上、下扩散片、BEF，合称为SHEET)-7四、 背光原的种类与运用-11B. 背光模块之制程-12一、 产品认识及命名规则-12二、 全制程流程说明-13、裁切-13、成型-15、印刷-17、组立-19三、 制程重点及规定说明-20A、 背光板之构造及基本观念篇一、 背光板在LCD上之功能：由于液晶是属于不具发光特性的化学材料，故需外加光源才能使TFT面板得以呈现影像，反射式的TFT面板在光线充足的情况下，可利用自然光线而使影像显现，但在昏暗的状态或对于穿透式TFT面板而言，背光模块便成为不可或缺的零组件，背光模块可以提供充足且均匀的亮度，而让TFT面板的显示而达到最佳的效果。背光模块之结构中主要有光源、导光板、棱镜片、扩散板与反射板等等。光源可为发光二极管(LED)或荧光冷阴极灯管(CCFL)，也有使用有机电激发光显示器(OEL)之情形。背光模块的运作原理不难理解。光线自灯管射出后，经由导光板底部的网点反射，可使光线有效扩散并自导光板正面射出，配合扩散板及棱镜片的增强效果，可产生最佳的光源分布，提高显像品质。而制作方式系将各项材料予以组合，制程主要困难点在于背光模块之设计与导光板的制作。导光板在整体背光模块之成本中占第二位，见图一，但是目前光学膜国内仍倚赖进口，导光板为国内能自行生产的零组件中成本比例最高者，其次，导光板之为整体背光模块之中心，制造之好坏将直接影响背光模块之性能。资料来源：工研院经资中心，2000/11大尺寸面板用途（Large-sized Panel）的背光模块，主要应用在桌上型LCD监视器（Monitor）与笔记型计算机（NB）面板的发光源。一个完整的背光模块包括：铝框底部金属板反射膜（贴在模块底部及侧边）灯管组（灯管灯罩）导光板（Light Guide Panel or LGP）扩散膜（Diffuser）棱镜片（或称光学膜、增光片）等零件，共占大尺寸面板材料成本约18%，其中占成本比重最高者为3M专利品的棱镜片（参考表二），其具有增加亮度（光线集中度高）的效果；然而影响整体亮度表现的关键，还包括品质良好的灯管与布光均匀的导光板。这三项零组件合占背光模块整体材料成本一半以上，在棱镜片、灯管均由少数厂商寡占的前提下，背光模块厂商必须拥有导光板制造能力，才能称得上具有附加价值的背光模块业者表二背光模块主要零组件的成本比重：15 DT PC vs. 14 NB Panelfor 15 DT PCfor 14 PB PC棱镜片增光片42%36%导光板16%8%灯管12%5%扩散板2%3%二、 背光模块的种类：若以灯管的位置做为分类，背光模块可自分为侧光式与直下式两大类：1. 侧光式背光模块：为达到轻、薄与低耗电量的要求，笔记型计算机之TFT面板以采用侧光式背光模块为主，侧光式背光模块的光源，一般仅为单支灯管，灯管的外径通常采用1.8mm，而灯管放置的位置顾名思义为背光模块的侧面，由于光源仅从单边进入，故整体背光模块的亮度均匀性较直下式背光模块更难以控制，且亮度亦较低，通常在笔记型计算机及中、小尺寸之(15”以下)之背光模块上使用单支灯管，17”监视器、侧光式背光模块通常使用2支灯管，图一所示为侧光式背光模块之构造。側光式背光源的構造 = 將線光源變成面光源 = (图一)2. 直下式背光模块：直下式背光模块的灯管是置于背光模块的正下方，且数量通常为2支以上，由于使用的灯管数多于侧光式背光模块，连带使得直下式背光模块的耗电量大增，故大部供应对耗电量较不要求的大型液晶监视器或液晶电视之TFT面板上，以期获得较多的亮度，直下式背光模块的亮度分布较为均匀，不过相对地需占用较大的空间，如图二所示：反射板導光板光行進方向擴散膜稜鏡片冷陰極管(图二) 直下式背光模块构造三、 背光模块关键材料不论是侧光式或直下式的背光模块，即使是各产品间之结构设计或规格要求未必相同，但就各项关键材料所占的成本比例而言，灯管、导光板及光学膜片(上、下扩、BEF)三者合计即占背光模块整体制造成本约70%，故针对此三项关键零组件分别介绍如下：1. 冷阴极管(COLD CATHODE FLUORESLENT LAMP) 简称CCFL。背光模块中所使用之光源常见的有冷阴极灯管(CCFT)与变光两极体(LED)两种，由于LED属于点光源，虽具备体积小与低耗电特性，同时却有亮度偏低与白光色纯度不佳的缺点，因此大尺寸背光模块皆以低压汞荧光灯设计的冷阴极灯管（Cold Cathode Fluorescent Lamp or CCFL）做为光源，目前全球冷阴极灯管的制造厂商多集中于日本，包括有STANLEY，隶属于TOSHIBA集团的HARISON、PANASONIC的子公司WEST与SANKEN，其中因STANLET自有背光模块产品，故外卖冷阴极管数量极为有限，而SANKEN的产品虽性能优异，但价格相对较高，故前生产背光模块厂商的冷阴极管来源大部份为HARISON与WEST，台湾也有如威力盟等厂商投入冷阴极管的制造，不过现阶段台湾背光模块厂商皆未大量使用，其原因除价差与国外有限外，而灯管之品质又对于背光模块的性能有绝对的影响性，故背光模块厂商不愿承担更换灯管来源所潜藏的风险。冷阴极灯管之发光原理与日光灯管相似，皆系利用电极所产生的电场使惰性气体(NE+AR)加速而形成激发态，受激发的惰性气体将再与汞原子碰撞，导致汞原子游离而放出波长为253.7mm的紫外光，当此一紫外光被涂布于灯管管壁的荧光体吸收时，荧光体便可释放出可见光线，冷阴极管的主要规格包含灯管内、外径、长度、填充气的压力、色调与功率等等，在各种参数的搭配下，冷阴极灯管的种类可多达上千种，.转换生产十分耗时，故若各家背光板厂均只走同一TYPE规格之灯管时，灯管厂商供应不及的状况极易发生，下图三为冷阴极管之构造。CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp 玻璃管：- 軟質玻璃 - 硬質玻璃 惰性氣體：- Ne + Ar 混和氣(圖三) 冷陰極燈管的構造1-1：CCFT的辉度与灯管中径、管电流及环境温度有密切关系，如图四。(圖四) CCFL的輝度(圖五) CCFL的壽命1-2：CCFT的寿命如下图五1-3：影响CCFT的因素如下：1. 玻璃管径2. 灯管长度3. 灯管形状(直管、L管、管、管、 管)4. 电极形状及种类5. 水银量(水食蒸气压=6*10-3 Torr时253.7nm幅射效率最大)6. 惰性气体充填压力7. 气体混合比例(Ne+Ar)8. 周围环境温度(影响管壁及电极温度)9. 色度10. 营光剂涂布2.导光板导光板（LGP）作用在于使冷阴极管所发出的光线能均匀分布于整体的背光模块并引导光的散射方向，用来提高面板的辉度，并确保面板亮度的均匀性，因此导光板的设计与制造攸关背光模块光学设计与辉度、均细度的控制，为背光模块最主要的技术与成本所在（自制导光板可增加毛利率4-5%），其使用的材料为光学级的压克力(POLYMETHYL METHALRYLATE)简称PMMA，若依形状分，导光板有楔形及平板两种，其中楔形板多用于笔记型计算机之TFT面板中，平板形则多用于监视器为主，导光板系以网点分布的方式破坏光的干涉，为破坏光线于导光板全反射的现象，以提升亮度(辉度)分布的均匀性，将光源均匀分布在背光模块上。大尺寸面板以CCFL(线光源)为光源，中小尺寸则以LED为主，导光板用射出成形的方式生产，因此愈大尺寸的导光板的射出条件愈难控制。导光板的表面均有光学设计山之凸点或凹点分布，通常系采用印刷式非印刷式两种方式进行制作，兹分别说明如下：(a)印刷式印刷式乃是在压克力平板上使用具高反射率且不吸光的光源物质(SiO2&TiO2)印刷材料，适当地分布于导光板底面，并在导光板底面利用网板印刷（Screen Printing）印上圆形方形之扩散点，藉由印刷材料对光源吸收再扩散的性质，破坏全反射效应造成的内部传播，使光由正面射出并均匀分布于发光区，因为出光的散射角较大及印刷点亮度对比较高，必须使用较厚的扩散板覆盖。在制程上，印刷式导光板的良率虽然较非印刷式高，但是多了印刷、烘烤的制程，因此日本已开发出非印刷式导光板技术，并开始制作生产，预料两年后非印刷式导光板将取代印刷式制程。通常平板式之导光板以采用印刷式为主，当然平板式的导光板也可自行射出成型，但需额外添购射出成形机，且15”以上的平板每台射出成型产出约1400片/日，再扣除不良率，实际产出通常不及1000片，故为大量生产，通常以购入压克力平板，而后处理过裁切、研磨、洗净、印刷来完成，目前有能力供应压克力平板的除有日本的MITSUBISHI、ASAHI及SUMITOMO三家厂商外，国内奇美实业亦有大量平板供应国内业者及自家奇美电子使用，至于裁切、研磨、洗净、网版制作、印刷以及印刷所使用之油墨调配，将在后续之制程中叙述。(b)非印刷式无印刷式则是利用精密模具，在导光板射出成型（蚀刻Etching、电铸Stamper、Slot CutV-Cut）之际，在材料中加入不同折射率的少量颗粒材质，直接形成具扩散作用的凸点或凹点（前者考量亮度；后者考量均匀性），可谓一体成型。非印刷式有蚀刻(Etching)、模具射出(Stamper)与精密加工(slot-cut)三种方式，形成网点或长沟形两侧的反射镜面破坏原来全反射的作用，其制作方式与优缺点比较如表一。楔型的导光板，因受到Notebook轻薄化影响，要求导光板的出光处厚度不断下降，网点更形明显，对印刷式、非印刷式-蚀刻法的制程比较不利，前者印刷后再烘烤的技术困难度提高，后者所形成网点过大。通常楔形板及小尺寸的导光板均采用射出成型方式来完成，其中凸点或凹点的形成是以射出成型模具上之蚀刻(ETHING)板或电铸射出板(STAMPER)的方式产生凸点或凹点，一般来说，在整体背光模块的辉度表现上凸点胜过凹槽。光学材料的尺寸安定性对光学机构设计亦有影响，目前主要的导光板材料为PMMA，取其价廉、易加工的优点；另外，日商Nippon Zeon亦积极提供Zeonor给导光板厂商试用，Zeonor为环烯烃聚合物(Cyclo Olefin Polymer)，不仅吸水性低于0.01%，光学特性不受环境的温湿度影响，比重1.01(PMMA为1.19)更符合面板轻薄化的技术趋势。表一 非印刷式导光板制程比较非印刷式方 式优 缺 点Etching以曝光显影制程形成网点(200-300m)网点大于印刷的网点，全反射被破坏的程度不如印刷式，辉度亦不如印刷成型的导光板Stamper以模具射出形成网点(40-50m)，乱射面设计能破坏光源之全反射并控制光源射出导光板面角度的分布，网点的数量多寡对光源作有效率的控制技术较纯熟，网点可随模具任意设计形状，若网点为极小的平滑镜面，可使光在网点及导光板内部的损失减至最小Slot-cut以切削的方式制造出一条条长沟形的结构(沟宽50-200m、深度15-100m)，使光源由导光板正面射出，由长沟之宽度及深度控制出光面之光学强度及性质辉度较印刷式多10%(光源扩散角较小，使正面光源增强)及制造方便，另外在出光面亦使用切削的方式制造与棱镜片结构相似的镜面结构，更能增加辉度，但在均一性上仍待加强内部扩散将具扩散性质的颗粒材料如MMA在射出成型时直接注入导光板内部，利用浓度的不同对光源作有效率的射出调制均匀分布在导光板并降低光源仍留在导光板内损耗的可能，制造方便，但技术未成熟资料来源：工研院经资中心，2000/11由于印刷式导光板具有开发成本低及生产快速的优点，因此目前多数国内厂商仍采用印刷式制程来生产导光板；无印刷式的技术难度虽然较高，但结构较为精密且辉度表现优异。近年来随着导光板技术的进步，利用特殊的成型技术（ex. V-Cut）可以在减少使用扩散膜及棱镜片（各一片）、直接产生更为强化的扩散及增亮作用，使背光模块厂商的自主能力提高。因此，拥有完整的导光板设计与制造能力的背光模块厂商，不但有利于争取客户订单，并有助于在价格竞争的趋势下维持甚至提升利润率。材料方面，导光板所使用的材料为光学级的压克力板（以PMMA颗粒成型），按光源位置不同，分为平板（直下式）及楔型板（侧光式），分别应用于监视器及NB。在制作过程方面，导光板可以自行射出成型，也可以向其它供货商购买成品、再裁切为所需要的尺寸。一般而言，平板式产品因厚度较大，用料及成型时间相对较长（每部450吨射出机台每日15吋平板产出不及1,000片；若为楔型薄板则约可达1,500片），基于产能效率考量问题，楔型板通常为自行射出，而平板则采外购裁切生产；但一模两穴的模具技术已有部分厂商采用（如瑞仪），在产量及速度上已大有改进，对于提高利润率也有正面效益2-3 导光板之材料除前述之PMMA外，尚有(POLYCARBONATE)PC ZEONOR、ARTON几种，其物性供参考如下：导光板材料及物性物 性PMMAPCZeonorArton比 重1.21.21.01.1吸水率%0.30.20.010.24全光线透过率3mm厚%93909292折射率1.491.591.531.51热变形温 度Tg()901051451051713. 光学膜片(含上、下扩散片、BEF，合称为SHEET)3-1扩散片扩散片分上、下扩散片，而下扩散片之功能，顾名思义即是使导光板之光线透过下扩散片，使光线扩散，其构造及基材如下图六，其中ORGANIC FILLER似有机填充物一般，系压克力球所组成。 PET：(POLYESTER)PET 基材抗靜電塗佈擴散層Organic FillerBinder(图六)3-2 增光胶卷(BEF)：BRIGHTNESS ENHANCEMENT FILM由英文字可了解增光胶卷之功能在强化辉度之胶卷，各取其首字母，简称BEF，又增光片或棱镜片（Prism Sheet；同义名词包括增亮膜、光学膜）的主要作用在于增加背光源所产生的亮度，其原理与导光板的聚光效果雷同，主要以多元脂PET（Polyester）或聚碳酸脂PC（Polycarbonate）为基材原料，利用直接射出成型或黏贴上压克力树脂的方式、制作锯齿状的板面，藉由上下两片、垂直交错地压合于两片扩散膜中间，使光线于扩散板扩散后再利用BEF之锯齿状纹路再行收敛以使光线能更加集中，而可让原已扩散开来的光线再度集中、减少光耗损率，背光模块的亮度则可因此随之多。虽然不同板面间距设计的棱镜片会有不同的亮度增强效果，但估计至少可增加亮度超过60%（甚至1倍）。由于多数关键专利为3M所握有，全球超过半数以上的棱镜片都是由3M供应；惟因部份专利将于今年陆续到期，3M在市占率考量下，并未因面板需求回升而调高价格，供应能力亦未打折。下图为现有BEF与BEF之比较。BEF和BEF比較31m50m24m31m50mPETModified AcrylicBEFBEF(現有標準品) 230m 145m 202m90 or 100 Degrees一般在使用上，各放置一张水平及垂直方向之增光片，与未放置增光片的背光模块相比，具增光片的背光模块之亮度的可增加60-160%，另依据锯齿状纹路夹角及间距的不同，增光片也有数种不同的规格，不同规格产品间的售价与增亮效果则不属于相同，目前增光胶卷主要的供应来源有3M、NITTO与MITSUBISHI等，由于3M的产品性能较佳，并具大量供应的能力，加以拥有众多专利的保护，故于全球的BEF供应上，几乎已成独占的厂商。下图七：增光胶卷的增光效用图七下图八：增光胶卷的视角(VIEW ANGLE)及辉度增益(BRIGHTNESS GAIN)之曲域图凌参考。图八3-3DBEF：DUAL BRIGHTNESS ENHANCEMENT FILM，字意为双重亮度强化胶卷，又称反射式增光胶卷。其功能在于光的向位P.S.，当通过LCD面板时，约只有50%之P向位光线可通过，另50%之S向位反向，时透过DBEF则可使反向之S光向位再反射回LCD面板上，如此反复，只加装BEF与再加装DBEF之背光模块可增加20%以上的光，如图九所示：DBEF(Dual Brightness Enhancement Film)如何增光psppp p p s s sDBEF上偏光片液晶面板下偏光片傳統背光板裝DBEF之背光板50%更多的光图九于图八中可看曲线可减少视角增加亮度，故通常在NOTEBOOK上采用水平垂直各一片之增光胶卷，而MONITOR本身只需一片即可如曲线。3-4上扩散片就其本身来说，无太大功能，目的只在保护BEF，一般俗称为”保护片”3-5各光学组件的效率，由图十可看出其光源效率中，上、下扩散片及上、下BEF所表现之相对辉度视角(VIEW ANGLE)之状况图十：光学组件的效率表四全球背光模块零组件主要供应厂商主要零组件冷阴极灯管CCFL x 1-2Toshiba-HarisonPanasonic-WestSankenStanley导光板LGP x 1StanleyDenyoHitachi ED茶谷富士通化成Otsutaiya增光片Prism Sheet x 23M SumitomoMitsubishi Reyon扩散板Diffuser x 2KeiwaTsujidenKimoto四、 背光源的种类与运用汇总4-1直下式与侧光式，而侧光式又有单侧光式、对侧入光式及多侧入光式，另导光板(LGP)又分平板及楔形板。TFT LCD MODULE各部材之尺寸结构：4-2其应用上在A. MONITOR/TV：高辉度、广视角、大型化B. NOTEBOOK：高效率省电化、轻薄化C. 另可应用在车用卫星导航、车用TV：高辉度、坚固性、耐性D. 掌上型装置：从数字相机、手机等运用、小尺寸、轻薄化、省电化表一背光模块产业结构上游零组件供应CCFL or LED导光板棱镜片塑料外框其它零件中游背光模块关键技术导光板设计与成型网点制作下游面板制造与应用影视产品信息产品通讯产品消费性电子仪表产品掌上型电视笔记型计算机行动电话家电产品工业仪表激光视盘机液晶监视器汽车导航电子表医疗仪表投影机数位相机呼叫器计算器飞行仪表数字助理视讯电话背光模块制程篇一、 产品认识及命名规则、客户需求之背光模块之命名原则A B C D E F GA：表厂别 (B表LCD厂之成品)B：工程别 (I：成型 C：裁切)C：类 别 (P：印刷 U：非印刷)D：尺 寸 (整数2位、小数1位)E：客户代HU：翰宇彩晶CH：中华映管ZL：日立电子CY：昌益科技KL：光林电子DG：帝晶光电CA：全亚特电子SH：夏普电子QH：广辉电子LS：连硕F：流水号G：表版别变更例：（）在厂内简称150XG08表示15”华映裁切印刷背光板 (IN HOUSE)、厂内制造卷标之命名原则说明：例： K：表科穚 150XG08：机种名A：更改号码 2：表制造年(公元年个位数)8：制造月：19.X.Y.Z 06：表生产日期：0131H：灯管厂商别(H : HARISON , P : PANASONIC , N : NEC , W : WEST) 0001：序号二、 附件一为全工程之全制程流程图将依此全制程之流程图对制程逐一简介、裁切课：原料裁切磨厚磨光(抛光)崁合处加工洗净成品检验说明：1. 裁切课所裁切之导光板皆系裁切印刷使用，其材料属透明光学压克力板，厚度依各机种设计不同，有3mm、4mm 、6mm及8mm，材料来源：ASAHL(旭化成)2. 导光板以15”为例，其原材尺寸为1100*1380，其在裁切时最大裁切量为17片板，如右图示3. 裁切后之检验依每栈板首切之前、中、后迭各1pcs抽验，检验项目为尺寸与外观(使用目视与光标卡尺)，外观部份需确实确认保护膜是否有破损磨厚4. 磨厚：依任一长、短边成垂直方向磨厚处理如右图，磨厚刀速约2-3rpm5. 抛光：抛长边二侧(入光侧)6. 崁合处加工：立铣卧铣每次加工数量预估：材厚6mm10片迭 4mm16片迭 ： 类推7. 洗净：以市水洗净(热水约40)，将导光板平放2片于洗净机输送带上洗净吸附烘干净电消除器吹风取出用手(戴手套)擦拭边缘水渍，每10片放置一迭。8. IPQC检验(外观、尺寸)、成型依全制程流程图中可了解分二行，一行是以导光板出荷，另一行则直接变成至肯光板模块。 说明：导光板原材 80NH.GRADE POLYMETHYL METHERCYCATE SOURCE：旭化成(ASAHL KASEI)IQC免验上线入料至TANK(TANK*3) 入除湿烘干机 M/C*3 压力：200PA (19010PA) T=85 (85-90)经输料管至成型机成型 t=8hrs (TANK内原材从入口至出料时间)成型M/C*7 成型机也分两种(一为镜面，另一为蚀刻面)M/C TYPE：JSW5450E-SP原材(塑料粒)计量由M/C螺杆位置调整取决射出成型机M/C分六段 TOTAL CYCLE TIME FOR 14.1”54.9”其它射胶压力、时间、冷却时间等，请自行实习时细部了解 成型后切料头 放入托盘(每盘2片) 抽检(确认尺寸及外观)在线抽检，一般不良问题以污染(油污)、白点、流痕、翘曲、气泡、毛边等不良为主，自然与原材粉尘及射出机各设定条件未完全调妥，以及STAMPER不洁等因素造成需再逐项确认，找出问题发生源，实时处理，目前成型不良过多，需列为重点改善之项目，有关不良现象之原因及对策，请参效附件二在抽检时，有些固定白点或流痕，用SHEET盖上点灯查，若看不出来则可使用，否则NG 抛光 M/C*7(其中一台缺平衡力，请购中)为二道工程0.15mm0.05mm入光側第一道：先切削0.15mm第二道：金钢刀切削及抛光0.05mm成镜面 (入光侧)待印刷免印刷 点灯检查成品检验 辉度测试 出荷检查点灯检查：确认导光板是否有刮痕、白点、擦伤、污点不良，若只销售导光板，则进行辉度测试OK后出荷。其它则分待印刷品免印刷品免印刷品直送前加工、组立另则送印刷课进行印刷工程、印刷谈到印刷前，先说明印刷网版之制作。A. 网版制作：1. 15”以下(含15”)使用60*60铝框15”以上20”使用70*80铝框细部制程，请自行了解，这里只叙述重点a. 张网之网布为300mesh规格b. 张网后之张力需保持在1.051.30之间c. 张网完成后涂树脂，并静置20分钟确保黏着，始能放松气 压，再静置24hrs后，才能继续下一工程d. 清洗干燥乳胶涂布(厚度：1012)干燥(24hrs 40)贴底片曝光(1分钟)浸泡水(1分钟)显像冲洗检查烘干(1015分钟)检查网孔待印刷取用d项皆在无尘室中进行B. 印刷制程领料(待印刷之导光板) 检验(平板导光板先撕去待印刷面之保护膜)黏尘滚轮滚过 当印刷网版发现异物时先 清理滚轮(使用YC-722溶剂擦拭)印 刷 YC-779擦拭网版在大量印刷前，先用未撕去保护膜之导光板先印刷三片