LCD彩斑问题解析：成因、机理与系统性改善策略

前面几篇文章我们讲了很多协议以及硬件类的知识，有粉丝要求增加一些结构类的案例讲解，今天我们就来讲一篇笔记本电脑可靠性测试中最常见的问题：彩斑（红/绿/蓝等），表现为屏幕上出现局部性颜色异常现象。特别是随着LCD面板分辨率越来越高、厚度越来越薄、面板透过率越来越高，彩斑发生概率也会增加。

在笔记本电脑NPI（新产品导入）阶段，整机可靠性测试中出现的彩斑不良涉及屏幕设计、制程工艺、整机机构和测试规格等多方面因素。通常来说，轻微LCD色斑发生后，不良现象的程度会随着长时间静置（通常要求>24hrs）而有所减轻，一般很难完全消失，严重的彩斑产生后无法恢复，破坏性是不可逆的。

本课题针对笔记本电脑开发阶段可靠性测试过程中出现的彩斑，围绕彩斑的定义、产生机理、优化对策三部分进行探讨交流。

TFT-LCD彩斑的定义

1.彩斑定义：是指LCD显示面板出现局部红色、绿色、蓝色或混合色的异常显示区域，通常表现为不规则的一种或多种色彩斑块或者色偏，属于显示缺陷的一种现象。整机可靠性测试时，由于系统内部结构件对LCD模组施加了非预期的机械应力导致面板局部受到挤压，引起玻璃基板发生变形，使LCD显示面板内部发生物理性损伤（PI层），从而导致其光学特性发生变化，最终发生LCD彩斑不良。这个定义明确了以下几个点：

· 触发条件：整机可靠性测试；

· 根本原因：测试压力&整机机构件导致局部应力集中；

· 产生机理：面板局部区域物理性损伤；

· 分析线索：彩斑位置与整机结构件应力集中（干涉点）或测试点压力对应。

LCD彩斑不良现象一般在黑色画面暗室条件下尤为明显，甚至在LCD显示面板在不加电压的情况下有可能也可以看见。

2.彩斑不良现象：按照LCD彩斑的颜色/种类数量来进行分类，整机可靠性测试中出现的彩斑有单色彩斑和多色彩斑。

a. 单色彩斑：色斑的颜色为单一基色（红，绿或者蓝），如下图1所示

b. 多色彩斑：色斑的颜色由两种或以上基色组成，整机测试中常见为白色彩斑（俗称白斑），如下图2所示

LCD彩斑产生机理

上面已经对LCD红蓝斑彩斑进行分类：单色彩斑不良和多色彩斑不良。谈LCD红蓝斑的产生机理时，我们首先需要知道导致单色彩斑和多色彩斑的原因其实是有差异的。出现什么颜色的彩斑取决于LCD受力变形（大小和方向）后Cell内部发生物理性损伤的位置（PI层）决定的。（这些差异主要受LCD显示面板受外力的大小、Main PS和Sub PS的形变量不同而所有不同）

针对上面所提到的两种彩斑不良现象，其产生机理通过如下原理性阐述进行详细说明，在讲原理之前，我们先记住下面这张图3 CF 侧的结构，方便后面理解。

1. 单色彩斑不良产生机理

单色彩斑的形成机理，可清晰地归纳为以下三个步骤：

a.应力与形变：在整机测试的外力作用下，LCD面板产生形变，导致Main PS同时承受Z轴方向的压缩与X轴方向的位移，使其滑入非BM区；

b.损伤与失效：Main PS的滑动划伤了PI（配向层），导致其失去锚定能力，无法再为液晶分子提供正确的初始配向；

c.漏光与显色：在常黑模式下面板中，PI损伤处的液晶分子排列紊乱，造成该位置像素漏光，最终表现为单色彩斑。

关键在于：当LCD显示面板受到的外力相对较小，Main PS发生形变的形变量<Main PS与Sub PS的断差，也就是说只有Main PS有划伤PI，Sub Main 没有划伤PI，这种情况下会出现单色彩斑。至于是什么颜色的彩斑，取决于面板受力变形后Main PS滑动的方向，下图4单色彩斑产生机理示意图。

2.多种色斑不良产生机理在理解单色彩斑的机理基础上，多色彩斑的成因便清晰可知：当施加于LCD面板的外力进一步增大，致使Main PS的形变量超过其与Sub PS的段差时，玻璃基板的变形将同时引发Main /Sub PS产生滑动，两者都会划伤下方的PI配向层,PI配向层被Main、Sub PS同时划伤所导致的大面积损伤，其产生的具体条件与后果如下，结构示意图如图5所示，损伤实物图如图6所示：

1. 触发条件：外力升级

l 当外力持续增大，使Main PS的形变量超过其与Sub PS的段差。

l 后果：玻璃基板变形加剧，Main/Sub均发生滑动。

2. 损伤模式：双重划伤

l PI层被Main /Sub 同时划伤，产生多个配向失效点。

l 由于Sub PS数量更多，其所形成的斑块也更密集。

通过以上对LCD单色/多色彩斑产生机理及LCD显示面板结构的了解，那我们可以进一步说明为什么随着LCD面板尺寸越来越大、厚度越来越薄、面板透过率越来越高、LCD面板分辨率越来越高，LCD红蓝斑的发生概率及比例也会增加了吧？
①LCD面板分辨率越来越高，黑色BM的宽度也会减小，遮挡能力也会变差，LCD发生彩斑的风险也会增加;
②LCD面板玻璃厚度越薄，在外力作用下抗变形能力会变差，LCD发生彩斑的风险也会增加;
③LCD面板透过率越来越高，对应的Main PS和Sub PS的数量也会减少，在外力作用下抗挤压能力也会变差，LCD发生彩斑的风险也会增加。LCD彩斑优化对策（本章节部分内容引用自知乎@谭你小几几 https://zhuanlan.zhihu.com/p/574557187）

在笔记本电脑NPI阶段，整机可靠性测试中LCD彩斑产生原因主要为：LCD面板受到外力挤压导致。所以，LCD彩斑的改善对策主要围绕提高LCD面板抗压强度、优化整机设计方案等维度展开，主要对策有如下方面：

1. 提升LCD面板抗压强度[引用]

①LCD面内结构设计环节：最核心、最有效的环节，从源头预防

a. PS（Photo Spacer）参数优化：适当增加PS直径尺寸

在满足液晶面板光学特性的前提下，通过增加PS的尺寸使之与配向膜接触面变大，相同负载下PS受到的压强变小，形变量减小，因此压缩后产生的塑性形变减小，挤压出现彩斑的平均临界力值增大（如下图7所示，增加3um出现彩斑的临界压力数据对比），能够清晰的看出，PS 直径的增加能够有效改善挤压彩斑不良。

b.BM（Black Matrix）优化：增加BM宽度

BM的作用是避免邻接RGB三原色像素的散乱光及背光直接投射，增加色彩对比性。通过增加BM的宽度，使面板在挤压过后PS 滑动的距离小于BM宽度从而能够遮挡PI划伤位置透过光线（如下图8所示，增加3um出现彩斑的临界压力数据对比），能够清晰的看出，BM 宽度增加能够有效改善挤压彩斑不良。

c.PS 站位设计：居中设计

液晶面板内PS站位调整为整体居中设计，挤压后偏移距离小，不易出现挤压漏光。参考如下右侧PS不同占位（偏右上 vs居中）出现彩斑的临界压力数据对比数据，图9与图10。

d. 平坦化层PLN(Planarization Layer)的设计:减少PLN厚度

PLN为有机膜层，主要起平坦化作用使配向更均匀，同时减小耦合电容，并对下基板的TFT电场进行屏蔽，避免影响同一基板上的像素电容，防止电场相互干扰。参考右下侧针对不同PLN厚度的产品挤压实验，PLN 厚度为d=3.3μm的液晶面板出现彩斑平均临界值为48 N，而d=2.7μm的平均临界力值为 61 N，图11 和图12 。

e. 消除应力集中点：平整化设计以确保固定LCD的金属支架、塑胶壳体有足够的平面度，避免翘曲产生内应力。

f. 强化背板结构：通过增加加强筋、背板厚度，提升抗弯曲与抗扭转能力。

②材料与部件选择环节

在整机厚度允许下，优先选择采用更厚/强度更高的玻璃基板、背光膜材、金属背板和高密度高弹性模量的PS材质，其自身抗压能力更强。对于Bent PCB上件元器件过高时，整机压力测试中对应区域的应力集中也常常会发生问题。

③生产、组装、包装、储运环节

严格的来料检验：避免物料变形/翘曲导致应力集中

规范的装配工艺：使用治具与定位，确保LCD模组组装无偏移

落实作业SOP：防止LCD因操作不当受到挤压

包装设计：包装内衬（泡沫、纸托）必须有足够的支撑和缓冲

仓储与搬运：遵守堆叠层数限制，避免野蛮搬运，防止产品受到撞击

 ④LCD单体压力验证

目前，屏厂家和终端客户针对LCD的抗挤压能力也有各种测试及监控手段，目的是为了能够评估单体的抗压力状况，而不是等到组装上整机后才能知道是否满足整机的压力测试要求。通过定义一些方法对LCD显示面板进行挤压，提前评估LCD抵抗红蓝斑发生的能力，例如下面图13示所定义的其中一种方法：

2. 优化整机设计方案

① 提高整机机构件强度：最简单、最直接的方式！

在满足设计要求的前提下，选择强度更高的机构件材料（特别是A件），最大限度地降低可靠性测试过程中对LCD的挤压力，以提供最强的支撑和保护。如下表1 列举了常见A壳常见材料及其强度数据，涵盖ABS塑料、PC塑料、PC/ABS合金、镁合金和碳纤维复合材料这几种主流材料：

② 优化整机结构设计：最核心、最有效的环节，日常工作中使用最多

a.优化C件接触面：减少KB凸台边缘的棱位置坡度（并加以较大倒角设计）及touchpad downset深度，避免应力集中。下图14 为C件KB边缘凸台位置压力测试后出现彩斑，C件凸台棱干涉导致LCD接触位置应力过于集中。

b.A件预留充足缓冲gap

屏背部与A壳保持充足的间隙，进行全面的公差分析，保证LCM在测试过程有一定的缓冲。下图16 为A壳logo灯位置金属部件与LCM“零”gap，在压力测试过程中因LCM直接受力挤压导致彩斑。

c.A件sponge优化

通过调整A 壳上泡棉位置/尺寸/形状/厚度/材质等以达到最佳应力分散的效果。下图17 为压力测试过程中LCM在A件Sponge边缘与KB凸台边缘棱共同作用下因应力过于集中导致彩斑不良的发生。

通过在A件上合适位置增加sponge，实现LCM上原issue位置处过度集中的应力得以分散，彩斑不良得以完全改善，如下图18，改善方案及改善后的效果。

核心知识点快速总结学习

一、 什么是彩斑？

l 定义：LCD屏幕上出现的局部性、不规则的红/绿/蓝或混合色异常斑块，是一种显示缺陷。

l 触发场景：多发于笔记本电脑整机可靠性测试阶段。

l 根本原因：整机内部结构件对LCD模组施加了非预期的机械应力，导致局部挤压。

二、 彩斑如何产生？（核心机理）
      关键在于机械应力导致PI配向层被划伤，使其失去锚定液晶分子的能力，造成局部漏光：

1.单色彩斑：

条件：外力较小。

过程：仅Main PS 发生滑动并划伤PI层。

现象：产生单一颜色的斑块。

2.多色彩斑：

条件：外力较大，形变加剧。

过程：Main PS 和Sub PS 同时滑动并划伤PI层。

现象：由于Sub PS数量更多，会形成更密集的多色斑块（常见为白斑）。

四、 如何系统性改善彩斑？

需从两个层面双管齐下：

1. 提升LCD面板自身强度

l 设计端：优化PS尺寸、站位，增加BM宽度，减薄平坦化层。

l 材料端：选用更厚/更高强度的玻璃、背板及高模量PS。

l 验证端：实施精准的LCD单体抗压力能力测试，提前评估风险。

2. 优化整机结构设计

l 强化机构：采用高强度材料（如镁合金，碳纤维等）制作A壳。

l 分散应力：优化C件（键盘面）接触形状、在A件与屏幕间预留缓冲间隙、精准设计泡棉的位置与材质以分散压力。

五、为何高端面板风险更高？
       三大技术趋势共同导致了面板抗压能力的“娇贵化”：

l 高分辨率 → BM黑矩阵宽度变窄 → 遮挡能力下降。

l 轻薄化 → 玻璃基板变薄 → 抗变形能力变差。

l 高透过率 → PS数量减少 → 内部支撑能力减弱。

总结
      彩斑是一个典型的“屏-机”匹配性问题。解决它需要贯穿从屏幕设计、材料选型、整机集成到测试验证的全流程系统性协作，而非单一环节的调整。

来源：系统显学