LGP冲击强度有限元分析

TFT-LCD 模組導光板衝擊強度之有限元素分析The Finite Element Analysis for LGP Strength in TFT-LCD Module林茂興Morson Lin奇美電子股份有限公司Chi Mei Optoelectronics Corp.摘要FPD(平面顯示器)具有高解析度、重量輕、厚度薄等優點，經近年來的快速 發展下，已有取代傳統CRT螢幕的實力。然而在FPD的族群中(PDP TFT-LCD、 TN/STN LCD 、OLED 等)，尤以 TFT-LCD 產業最為熱門，而奇美電子所生產的 LCD 面板，至 2005年第二季為止，已佔全球市佔率的 11.3%From DisplaySearch。TFT-LCD 的應用，以 Notebook 面板、 LCD Monitor 、 LCD-TV 三者為主。 其中 LCD 面板搭配背光模組 (Back Light Unit) 的 LCD 模組，乃是各個產品應用 的基礎，倘若 LCD 模組設計不良，將直接影響到整體系統的表現。基本上，模 組中包含有：鐵框、LCD 面板、Film 材(Protector、Lens、Diffuser、Reflector)、 導光板(Light Guide Plate: LGP)、膠框、燈管組、背板等構件。由於目前模組的 結構設計，有往輕薄短小的幾何條件移動的趨勢。因此，對設計者而言，如何在 狹小的空間中，取得結構的平衡，自是不小的挑戰。LCD 或其他 3C 產品，在出貨前，都需經過廠內或客戶端不同測試規範的 驗證，例如：衝擊、落下、振動、高溫高濕、高溫儲存等測試。測試目的有二： 針對產品單體的強度驗證，以及包裝設計對產品強度的驗證。主要在於確保設 計、生產的成品，不會在包裝運送過程或消費者日常使用時，發生結構失效亦或 其他不良的現象，進而造成公司成本、商譽的損失。就Notebook或Monitor LCD模組來說，在測試過程中，使結構產生破壞現 象的測試條件，常見於衝擊測試。其中尤以 LGP 與其他構件間設計匹配不佳， 引起的結構破壞最為頻繁，破壞現象不外乎 LGP 開裂、膠框斷裂、燈管 (CCFL) 破裂等問題。為充分解析 LCD 模組在衝擊測試過程的變化，瞭解各個構件相互影響的關 係，本文使用 MSC.Dytran 做為衝擊分析的求解核心，並將逐步探討 LGP 在衝擊 測試過程中，對 LCD 模組的影響。一、前言TFT-LCD不同於OLED(有機發光顯示器)之處，在於LCD是非自發光的顯 示技術。若要讓消費者看到 LCD 顯示的內容，則必須另加光源，是故 LCD 面板 均需搭配背光模組，而成一完整系統，稱之為 LCD 模組。模組中的主要構件有 : 鐵框、LCD 面板、Film 材(Protector、Lens、Diffuser、Reflector)、LGP(導光板)、 膠框、燈管組、背板等。背光模組設計的優劣，直接影響 LCD 模組的機械強度， 及其光學表現。Notebook 或 Monitor 系統廠商，均有針對其產品單體進行衝擊、落下測試 的測試規範，此測試相對 LCD 模組而言，也是一種衝擊測試。是故， LCD 模組 設計、組裝完成後，必須通過廠內及客戶端指定規格的衝擊測試，才會進入量產 階段並出貨。測試的項目有：衝擊、落下、振動、高溫高濕、高溫儲存等。測試 目的有二：針對產品單體的強度驗證，以及包裝設計對產品強度的驗證。主要在 於確保設計、生產的成品，不會在包裝運送過程或消費者日常使用時，發生結構 失效亦或其他不良的現象。上述的測試項目，以衝擊測試最常發生結構破壞，破 壞的現象為LGP開裂、膠框斷裂、燈管(CCFL)破裂等。通常，實體測試僅能得知最終的測試結果，若產品發生失效現象，有經驗 的工程師，可依據結果，推敲模組在測試過程中可能發生的變化，並提出解決方 案進行變更，以通過測試。但是，設計變更的有效性，卻無法事先評估，使得測 試結果，仍有再次面臨失敗的風險。FPD 產品應用有限元素分析，求解衝擊、落下的行為，近年來已有逐漸普 遍之勢， PDP1、 LCD-TV2 以及 TFT-LCD3-5 的應用，都是開發人員研究的 重點。原因在於，平面顯示器的衝擊耐受性，是產品設計之可靠度評估的一項焦 點。FPD產品有相當大面積的顯示區域、相對上相當小的厚度，故整體結構的勁 度，仰賴於包覆面板的背光模組，在這狹小的空間必須放入各個構件。就可以想 見，衝擊測試時，各構件所面臨的嚴苛條件。利用有限元素法的軟體工具，可以讓設計者有進一步，瞭解衝擊過程的機 會，透過結果分析各構件間相互作用的情況，輸出數據資料以供後續判讀，當作 下次修改的參考。在不增加額外成本的情況下，找出最適合、有效的設計方式。二、問題描述LCD模組在輕薄短小的要求下，模組中各構件的尺寸設計，就有非常大的 限制。又因LCD面板直接面對客戶端，所以光學表現亦成為結構設計必須考量 的一環。故，LCD模組的結構設計，為因應衝擊測試，所能變動的設計方式， 就顯得相當的窘迫。LGP的重量約佔背光模組總重量的 60-70%左右，一般而言，衝擊測試衍生 的強度問題，多半是由LGP搭配之膠框、背板的檔塊設計，匹配不佳所引起。LCD模組的基本衝擊脈衝波形為：半正弦波(Half-Sine Wave)和方波(SquareWave)，視客戶所指定的最大加速度、作用時間及速度變化等條件，在規定的衝 擊脈衝波形的容許差內，進行測試。5指出，衝擊測試的作用時間(Duration Time) 越短，則構件的內能越高，應力也越高。這解釋了LCD模組的衝擊測試，120G2ms比50G 11ms更容易造成模組測試NG。在有限元素分析的結果中，也得到 相同的結論。目前LCD模組常用的衝擊測試條件，依據產品類別亦有所不同。Monitor模組的衝擊測試規格有二：半正弦波120G 2ms以及50G 11ms。Notebook模組的衝擊測試規格：半正弦波260G 2ms。圖1為半正弦波的衝擊波形，縱軸為加 速度(Acceleration)，橫軸為作用時間(Duration Time)。LEGENDAc?lerationDuration TimeFig. 1: Shock Test Wave Form - Half-Si ne Wave圖2是典型的損壞邊界曲線，DBC(損壞邊界曲線-Damage Boundary Curve)可以用來決定，產品對衝擊的耐受程度，讓設計者瞭解所設計的LCD模組強度。4AccelerationVelocity ChangeFig. 2: Typical Damage Boun dary Curve橫軸代表產品受到的衝擊波的速度變化值，縱軸則代表衝擊波之最高加速 度。DBC將圖中分為兩個區域。DBC的左方區域，代表安全的區域。當產品受 到的衝擊規格落在此一區域時，產品便是安全的。若是衝擊值落在右邊的區域， 則產品便會遭受損壞。損壞邊界曲線有兩個重要的參數，垂直線的部分，表示容 許速度變化(Allowable Velocity Cha nge)，水平線的部分，表示容許加速度 (Allowable Acceleration)。當我們知道產品的DBC，便可以據以設計包裝強度， 或是改善產品強度。但是，產品在各方向的結構強度不盡相同，因此產品的DBC在各方向可能均不同。9三、分析設定本文中所使用之LCD模組的幾何尺寸，是由Pro/ENGINEER所建立，透過 MSC.Patran直接匯入組合件檔案，進行網格劃分、邊界條件設定等步驟，後以 MSC.Dytran為衝擊分析的求解核心，最後再使用 MSC.Patran作後處理，判讀分 析結果。幾何及網格有限元素分析模型，不論是 Notebook或Monitor LCD 模組，其中鐵框、PCB、背板等結構使用 QUAD4元素，面板、膠框、LGP等使用HEXA8元素，CCFL燈管使用BEAM元素進行模擬。圖3是Notebook LCD模組的結構，因Film材的重量不高，且沒有發生結構破壞的問題，故未建入FEM模型中。圖4是Monitor LCD模組的結構，與Notebook模組較大不同之處，在於整體結構多 了一片鐵或鋁製的背板。Fig. 3: Notebook TFT-LCD ModuleFront Metal FramePanelLamp Assy.Rear Metal FrameMold FrameLGPFig. 4: Mo nitor TFT-LCD Module6材料性質LCD模組所應用的材料，不外乎金屬件、塑膠件及玻璃等。鐵框、背板的 材料為SUS304 SUS430、SECC、Aluminum Alloy 等。塑膠件的材料以 PC為 主。LGP的材料是具有良好之耐候性與耐熱性，及極高之透明度與光澤 度，同時具有穩定之物理、化學、光學與電學等特性的塑料：PMMA (光 學用聚甲基丙烯酸甲酯-Poly Methyl Meth Acrylate)，亦即俗稱的壓克力。對於LCD模組的應用來說，Monitor模組的LGP，多半是使用PMMA壓出 板，後經定型裁切、網點印刷而成，少數使用射出成形等；Notebook模組的LGP 楔形板，則經射出成形而得。目前業界常用的LGP壓出板來源有：奇美實業(CME)、旭化成(ASAHI)、住友(SUMITOM0)、三菱(MITSUBISHI)等。不同供應商的材料，其性質亦有不同，所以，分析工程師應充分理解其差異之處，方能對分析結果有正確的判斷。本文分析所用的材料性質，如表1所示。Table 1: Material PropertiesMetal FrameMold FrameLGPYou ng s Modulus (MPa)200,0005,3003,500Poisson Ratio0.30 0.340.343Density (kg/m )7,850 1,250 1,187邊界條件假設衝擊測試平台為剛體，故速度變化的邊界條件，如圖6a-6c,直接加在LCD模組與測試平台鎖附的螺絲孔上，如圖 5。針對模組而言，最常造成結構破 壞的方向是土丫，因此，本文也以土 丫為模擬衝擊測試的作用方向。Velocity Con diti onApplied Poi ntsFig. 5: Velocity Condition for LCD Module7LEGEND3300.-27M.-2SM -1654.-HLKI.885 -DOO000duiD01 LJ1 JOuratiom Time (sec)Fig. 6a: Velocity History of 260G 2msLEGEND130G 2msLEGEND50G UmsAcceleration15M.-12M.-iona -750.-5M.-血.血册Acceterstion (nriRs)3M.-3000.- 伽- iew.-1204. HSK -WlSitDuralMn Time ($ec)JQ02OSDuratiofi Time (ec)Fig. 6b: Velocity History of 120G 2msFig. 6c: Velocity History of 120G 2ms四、分析結果及討論圖7是LCD模組經衝擊測試後，發生LGP開裂的現象。該項NG會造成LCD的畫面，在LGP開裂的位置會有亮度不均勻的問題。從分析結果得知，不論 Notebook或Monitor LCD模組之LGP的應力集中 位置，多發生在LGP檔塊的圓角區域附近，其他位置的應力值都非常小，如圖 8a-b、圖9。因此，結構破裂位置，是由該圓角之應力集中處為起始點，此分析 結果與測試結果相吻合。LGP相對於其他塑膠材料而言，可說是脆性材料，其極限應變約在2-4%之間。本文以最大主應力(Max. Principal Stress)，為判斷材料是否發生破裂、失效的準則。8-0000019-000001#Fig. 8a, b: Stress Distribution of LGP (Monitor Module)Al:Cycle 98928. Time 0.00350003. Stress. T, Max Princi阳Fig. 9: Stress Co ntour of LGP (Notebook Module)34.943261 j27.95725 62723.29；18.63316.30：13 979V 6436.9392.32G7-00000110Notebook LCD模組，在高G值的衝擊下，會造成膠框被LGP切入的現象， 並可能伴隨著燈管斷裂的問題。此項 NG將使得燈管無法點亮，進而造成 LCD 畫面沒辦法顯示。Fig. 10: Mold Frame Cut by LGP and Lamp Broke by LGPLGP檔塊的圓角加大，雖然可以降低應力值，如圖11,但是不能消除應力集中的問題。況且，該圓角半徑受限於光學的要求，亦無法隨意變更。如何在狹 小的空間、層層的限制下，取得結構的平衡，是LCD模組結構設計最大的樂趣與挑戰Fig. 11: Radius of LGP Round Corner vs. Max. Principal Stress五、結論LGP在LCD模組中，扮演著傳導光源的任務，透過Dot Screen印刷的網點, 使得呈現在消費者面前之畫面的輝度能夠更均勻。但這個構件對於 LCD 模組在 衝擊測試的過程來說，卻是造成測試失敗的重要因子。如何確保模組設計後，可 以通過實際測試，是設計單位亟欲掌握的領域。以往的經驗均來自於試誤的設計過程，使得經驗累積的速度及能量，受限 於成本、量產時程等因素，而無法大量化。但是，通過運用有限元素法的軟體工 具，設計單位可以讓模組設計與實際測試中間的灰色地帶，得到釐清的機會。且 在不增加設計、開模成本的情形下，多方嘗試、檢討不同的設計方式，建立數據 資料庫，提供設計者對 LGP 與其匹配結構的設計方向。參考文獻1 C.S. Kim, el.,“The Simulation Based Drop/Impact Design of PDP Module”, SID20022 S.S. Choi, J.G. Lee, “Structural Design Review of LCD-TV Module by Impact Analysis ”, 200t3h E4uropean LS-DYNA Users Conference.3 Min-Chun Pan, Po-Chun Chen and Johnson Ho,“Drop Simulation andExperiment Validation of TFT-LCD Monitors”, Electronics Packaging TechnologyConference, 2003, pp.269-2744 C.K. Chang,“The FEM Analysis for Mold Frame Design of TFT-LCD Module”,2004 MSC.Software Taiwan Conference5 C.S. Kim, K.B. Shin, S.W. Booh and W.Y . Soh, “Simplified Impact AnalysisBased on Equivalent Static Analysis for Impact Design of TFT-LCD Panels”, SID20026 Y. J. Kim, J.C. Koo, S.I. 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