Neue Testmethode für Displays UV-gehärtete Optical Bondings zerstörungsfrei überprüfen

Autor / Redakteur: Klaus Wammes* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit der selektiven Analyse von optischen Verklebungen lässt sich die Qualität des Optical Bondings überprüfen, ohne dabei das Display zu zerstören oder zu delamieren.

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UV-gehärtetes Optical Bonding: Versprödetes Optical Bonding als Resultat ungeeigneter Materialien und/oder ungeeignetem Prozess – ergeben lokale sichtbare und störende Artefakte.
UV-gehärtetes Optical Bonding: Versprödetes Optical Bonding als Resultat ungeeigneter Materialien und/oder ungeeignetem Prozess – ergeben lokale sichtbare und störende Artefakte.
(Bild: Wammes & Partner)

Die Probleme, die beim Optical Bonding durch einen Wechsel der Lichtquelle entstehen, wurden bereits beleuchtet. Die alten Dampflampen ersetzt man durch LEDs, ohne das gesamte System an den Wechsel anzupassen. Auch wenn die Motive für den Wechseln richtig sind, zeigen sich die – stellenweise katastrophalen – Folgen leider oft erst im Feld.

Systemintegratoren, die dann auf die Idee kamen, die Qualität ihres Bondings zu prüfen, mussten die Prüflinge dabei zerstören. Abhilfe verspricht eine selektive und sensitive Analysemethode, um die Bonding-Qualität zerstörungsfrei zu untersuchen.

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Der Bonding-Test zerstört das Display

Wird ein Display klassisch auf die Qualität seines UV-gehärteten Optical Bondings geprüft, stehen mehrere Methoden zur Auswahl. Alle haben eines gemeinsam: Am Ende ist das Display zerstört.

Neue, nicht zerstörende Versuchsmethoden, wie die Farbverteilung über alle Blickwinkel oder die vierseitige Spektralmessung, haben ein anderes Problem: Wie lässt sich der eigentliche Bond samt Grenzflächen selektiv ohne Einflüsse oder Toleranzen des gesamten Displays überprüfen? Außerdem lassen sich die UV-basierten Probleme nur schwer bis gar nicht selektiv erkennen.

Bei Methoden mit zusätzlichen chemischen Markern im UV-Material besteht ein weiteres Risiko einer Materialunverträglichkeit über die Produktlebensdauer. Mit den genannten proprietären Lösungen entstehen zusätzliche Kosten.

Das Problem beim Wechsel der UV-Quellen

Die Hauptursache für UV-Bonding-Probleme ist der erwähnte Austausch von UV-Quellen für das Belichten des UV-Bondings. Denn: Ohne Weiteres möglich ist ein Tausch alte Quecksilber-Dampflampen gegen LEDs nicht. Zum einen muss man die unterschiedlichen Spektren der UV-Quellen bedenken. Denn trotz identischer mittlerer Wellenlänge unterscheidet sich die spektrale Verteilung der Quecksilber-basierten UV-Lampen deutlich von einer LED.

Konkret heißt das: Alte Lampen leuchten im Gegensatz zu den LEDs in vielen simultanen Emissionsmaxima in unterschiedlichen, nicht kontinuierlichen Intensitäten, die sich zudem über einen breiten spektralen Bereich verteilen, in dem sie aktiv sind. Dazu sind im totalen Gegensatz UV-LEDs sehr schmalbandig nur auf ein Emissionsmaximum konzentriert. Darauf muss der Bonding-Prozess, der verwendete Kleber und der Schichtaufbau ausgelegt sein, sonst entstehen unweigerlich Probleme.

Gleichzeitig waren und sind viele Messgeräte auf die Energieverteilung der bisherigen UV-Quellen geeicht und ausgelegt. Wenn nach einem UV-Quellenwechsel das Messgerät nicht kalibriert, ersetzt oder angepasst wird, werden einige – oft die relevanten – Linien aus den Linienspektren ganz oder teilweise von den Messgeräten übersehen oder falsch interpretiert. Werden dann neue und alte Ergebnisse einfach nur verglichen, kommt es zwangsläufig zu Fehlinterpretationen oder gar falschen Entscheidungen.

Testergebnisse hängen vom Leuchtmittel ab

Schließlich kann man Tests und Testergebnisse nicht einfach übernehmen. Da historisch fast alle UV-Quellen auf Quecksilber basierten, waren damit die Kalibrierungen, Messungen, Tests und alle Erfahrungswerte darauf ausgelegt. Es ergaben sich konkrete Regeln, Normen, Einschätzungen und Handlungsanweisungen in Abhängigkeit zu Quecksilberspektren. Daher kann es zu zusätzlichen Fehlinterpretationen kommen, wenn Testergebnisse nach und vor dem Wechsel einfach nur verglichen und nicht neu verifiziert werden.

Die Qualität des Optical Bondings direkt nach dem Bonding-Prozess zu untersuchen wäre effizient und wünschenswert. So ließen sich Probleme schnell erkennen und man könnte noch technisch nacharbeiten. Jedoch hatte die qualitative Prüfung eines Displays auf seine Bonding-Qualität bislang die Folge, dass das Display zerstört werden musste. Mit der neuen Methode sind Analysen jedoch möglich, ohne das Gerät zu zerstören oder delaminieren und ohne das integrierte Display zu beeinträchtigen. Zusätzlich bietet die Methode eine sehr hohe Empfindlichkeit und ist mit einem Zeitbedarf für die Datenerfassung beginnend bei ungefähr 500 ms außerdem sehr schnell.

Pattern-Approach erfordert aufwendige Berechnungen

Möglich wird das durch die spezielle Auswertung der Messung optisch klarer Strukturen, die leider prinzipbedingt nur ein recht schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis ergibt. Bei derart verrauschten Signalen ist es sehr schwierig, ein Signal nach seiner Amplitude zu bewerten und ein stabiles Muster zu finden. Abhilfe verspricht das sogenannte Pattern-Approach, das durch leistungsfähige mathematische Algorithmen unterstützt wird. Denn: Auch wenn die Analyse sehr leicht verständliche RAW-Daten liefert, sind für jede Aufnahme aufwendige Rechenprozesse notwendig. Denn nur so lassen sich die relevanten Informationen aus dem Rauschen heraus filtern.

Die nicht-destruktive Analyse richtet dabei den strikten Fokus auf die Klebeschicht samt den Grenzflächen und liefert ein breites Spektrum an hochauflösenden Details, sowohl bei mikroskopischer als auch makroskopischer Anwendung. Zudem ist diese neue Analyse auch für sehr viele andere Bonding-Probleme als nur für Verklebungen auf UV-Harzbasis verwendbar. Aktuell werden mehr als zehn Problemschwerpunkte als kritische Muster erkannt und dargestellt.

Diese Muster wurden detailliert mit klassischen Methoden unter Verwendung von Delamination, Cryotechnik, Gaschromatographie, Massenspektrometer, TGA , FTIR-ATR und vielen weiteren Labormethoden analysiert und korrelieren sehr gut mit den berechneten Ergebnissen der neuen zerstörungsfreien Methode. Die sehr hohe Verlässlichkeit der Ergebnisse konnte bisher an mehr als 2.000 unterschiedlichsten Problemfällen aus dem Feld bewiesen werden.

Ein Fazit: Selektive Analyse mit stabilen Ergebnissen

Ein Wechsel der UV-Lichtquellen beim Optical Bonding von Quecksilber zu LED ist sinnvoll. Allerdings wurde bisher nur die alte Lichtquelle durch LED-Komponenten ersetzt. Vielmehr muss die neue LED-Lichtquelle zusammen mit den Messgeräten angepasst werden. Hinzu kam, dass die Testergebnisse aufgrund fehlender schneller, genauer und bezahlbarer Analysemethoden vernachlässigt wurden. Das hatte fatale Folgen für die Systeme, die diese gebondeten Displays enthalten. Denn solche Fehler und Ausfälle werden erst im Feld auftreten.

Eine nachträgliche Analyse der Qualität des Optical Bondings eines Displays war bisher ziemlich sinnlos, da sie entweder wenig aussagekräftig war oder aber bei genauer Untersuchung das Display zerstörte. Durch eine neue Methode können nun Halbzeuge und Geräte auf ihr Bonding analysiert werden, ohne sie zu zerstören, zu delaminieren oder das integrierte Display zu beeinträchtigen. Möglich wird dies durch eine neuartige schnelle, sensitive und selektive Analyse mit sehr detaillierten und stabilen Ergebnissen. Gleichzeitig spart die Analyse weitere Kosten, da sie präziser und zeitsparender ist.

* Klaus Wammes ist Geschäftsführer bei Wammes & Partner.

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