Product Development of LCD Module

1. Product Development ofLCD Module Technology Announcement 2012/3/3 Division　：　Electronics Section Name　：　T.Yamaguchi

2. Index (目次) ※本資料はスマートフォン／携帯電話などに用いられる比較的小型の　 LCD Module開発に主眼を置いて作成しています 大型のLCD開発と異なる点がありますことをご了承ください。 • What’s LCD Module • Flow • RFI/RFQ / Initial Study • Design • Layout • Manufacture of FPC • Assembly • Evaluation • Documentation for MP • Episode 1-2. Constructional element of LCM1 1-3. Constructional element of LCM2 4-2. Circuit Design 4-3. Specification of FPC 5-2. Parts Placement 5-3. Routing 8-2. EMI/EMS measurement 10-2. Episode1 10-3. Episode2

3. 1. What’s LCD Module Liquid Crystal Displayの略で、携帯電話やTV、PCなどに 最も良く用いられる画像表示装置です。 LCDパネルには、TN(Twisted Nematic)型、VA(Vertical Alignment)型、IPS(In-Plane Switching)型などがあります。 それぞれの特徴や詳細に関しては多くの書籍がありますので、 ここでは省略します。 最近のTVや携帯電話では、より鮮明な動画表示に対応するため 応答速度の速いIPS型や、高視野角、高コントラストのVA型が 主流となっています。 TV、PC向け（大型） スマートフォン／携帯電話向け（中・小型） ※http://www.e-litecom.com/webapp/jap/research/lcm.jspも参考になるかと思います

4. 1-2. Constructional element of LCM1 (構成部材) BMやカラーフィルタ、共通電極 が作りこまれた基板 ・液晶パネル 　　－基板 　　　－透明電極 　　　－配光膜 　　－液晶材 　　－スペーサ 　　－カラーフィルタ 　　－偏光板 　　－封止材 ・バックライト 　液晶そのものは発光しないため、 CCFLやLEDなどの光源と、 　光源からの光を効率良く均一に 　分布させるための導光板などから 　構成される サブ画素やTFT回路などが 作りこまれた基板 液晶パネルの構造概略 （Wikipediaより引用） CCFL：Cold Cathode Fluorescent Lamp　冷陰極蛍光ランプ

5. 1-3. Constructional element of LCM2 (構成部材) ・LCDドライバ 液晶パネルを駆動するのに必要な電源、 Timing ControllerやRAMなどを持ったLSI ・駆動用プリント基板 セット側とLCD・LCDドライバとの 　接続を担う部分で、データ線だけ 　でなく電源回路を持つ場合もある。 　この例はプリント基板であるFPC 　上にLCDドライバを搭載しているが 　液晶パネル上にドライバを搭載する 　こともあり、前者をCOF（Chip on Film） 　、後者をCOG（Chip on Glass）と呼ぶ。 ・筐体（フレーム） バックライト一体型の場合も 　ある LCDモジュール一例 （Sonyサイトより引用）

6. 2. Flow (開発フロー) RFI/RFQ受領 商談成立 Soft Tooling着手 試作部材納入 Sample入手 Hard Tooling着手 Pre量産(Commercial Sample) 量産 (Mass Production) Initial Study / Cost Study etc.. Design / Layout Vender selection Design Review Manufacturing Assembly Evaluation / Review Evaluation / Review Documentation

7. 3. RFI/RFQ (商品企画) / Initial Study (仕様検討) RFI：Request for Information、情報提供依頼書 RFQ：Request for Quotation、見積もり依頼書 商品開発のはじめは企画から。 この段階では、顧客からのRFI/RFQといった開発検討依頼を受け 社内で要求仕様の把握と開発可否の判断を行います。 最終的なOutputは見積り価格と開発実現可能な仕様の回答になります。 提案型の開発スタイルになると、業界トレンド、市場動向の調査を元に 企画を立てていくことになります。 ずいぶん厚みが厳しい要求ね・・ 一度メカ担当のほうで各部材の図面に落とし込むわ。明日AM中で大丈夫かしら？ 部品エリアと許容高さをまず教えてよ。IC設計者、パネル設計者と 外付け必要部品を決めて、部品配置検討を進めるからさ。 製造担当とも要相談だな・・ お客さんから来た仕様図だ。 各部材の担当で詳細検討とコスト見積りをお願いね。見積り条件とTargetコストは後ほどメール配信するから、顧客への回答期日は1週間後！説明資料も準備しておいて。 それと疑問があれば、まとめて質問しようか。 電気責任者 メカ責任者 光学責任者 見積り用の外形図面だけでも 今日もらえないかな？ すぐにメーカと打合わせするよ。 光学Specも厳しいからLCDパネル部隊とも打合せ設定しなきゃね。 マネージャ

8. 4. Design (設計)

9. 4-2. Circuit Design (回路設計) Output（LCDないしはドライバIC）側 ● ● ● Output （B/LやT/Pなど） Input（セット）側 LCDモジュールのFPC回路は LSIやリジット基板（硬質基板） に比べると非常に回路規模が 小さく、基本的には以下のような 回路を構成するのみです。 ・電源回路のフライングCapや 　パスコンといった外付け回路 ・セット供給電源の平滑Cap ・B/LやT/P用のコネクタ ・発振回路の外付R 仕様によっては、LCDドライバを FPC上へ搭載することもあるのでは？ 確かに、LCDドライバやICを搭載することはあります。 回路図自体は仕様書やIC設計者とのやりとりを経て 描くことができますが、もっとも大変なのはLCDモジュール に用いられるFPCは高々2層のため、レイアウト作業と言えます。 また高精細のFPC（Pitchが狭い）が必要なため、対応できるメーカ がある程度限られ、部品コストの面で不利になることも。 ちなみにドライバICなどは、FPC上にベアチップをACF（異方性 導電フィルム）で搭載したり、WLCSP（Wafer Level CSP）で はんだ接続することが多いです。

10. 4-3. FPC仕様 × 回路設計とほぼ同じタイミングで、セットへ組込まれる 状態を考慮して、FPCの基本要求仕様を決定します。 たとえば、 ・片面で要求実現可能か？両面必要か？多層FPCが必要か？ ・曲げる位置はどこか？想定される曲げRは？ ・寸法公差はどこまで許容できるか？ ・顧客からの特別な環境要求（ハロゲンフリーや難燃グレード） 　はあるか？ ・想定されるパターンのL/S（Line / Space）は？ ・導体露出部の表面処理は？ ・カバーフィルムの種類は？各層の厚みは？ ・1stサンプル数量、量産時期は？量産場所は？ などをリストアップし、サプライヤへ見積り依頼を行います。 メッキ(Ni/Auなど) カバーフィルム(PIなど) カバーフィルム(レジストなど) 導体(Cuなど) 接着剤 接着剤 ベース（PIなど） Double layer FPCの例 導体(Cuなど) カバーフィルム Single layer FPC(片面FPC) Double layer FPC(両面FPC) 製造Capa足りません。Dropします・・ US$0.70 Request all OK! 100円 1stサンプル納期厳しいです。 US$0.71 Request all OK!

11. Break1 (ちょっと一息) ディスプレイ ディジタルカメラ 携帯電話 HDD FPCってフレキシブルプリント基板だから曲げても大丈夫なんでしょ？？ 答えはNO。携帯のヒンジ部やHDDに用いられる種類のものは 繰り返しの屈曲に耐えうる材質と層構成をしていますが 部品実装されたものやディスプレイ用途などの微細 パターンのFPCは多少の曲げには耐えられますが 繰り返しの曲げには向いていません。 用途に応じた材料、層構成を 選ぶことが必要！！ 絵は日本メクトロン㈱ HPより引用

12. 5. Layout (レイアウト)

13. 5-2. Parts Placement (部品配置) 基板外形図面に対して、まず部品配置可能エリアへ 大まかに部品を配置していきます。 といっても、最低限のルールはあります。 １．部品間の最小クリアランスは必ず確保する！！ ２．有極性部品は適切な向きで。 ３．後ほど行うRouting（配線）を多少考慮する。 ４．曲げるなどの機械的ストレスがかかる個所には 　　部品を配置しない。 Etc.. 基板外形(Outline) 部品配置可能エリア 最小クリアランスを確保するのはなぜ？ 最小クリアランスは基板上に部品 実装を行う実装機（マウンター） の能力により異なりますが、この ルールを守らないと部品脱落や 未実装、部品ショートが起きます。 部品外形 実装機の能力を知っていれば大丈夫？ 厳密にいうと答えはNoです。基板の製造 能力や部品そのものの外形公差なども 考慮が必要です。ただし、基本的には 実装機の能力<<基板製造能力 ※右図例の場合、部品外形公差は無視できるほど小さい なのでよほど攻めた設計でない限りYesとも 言えます。 携帯機器向けは常に攻めた設計が多い ですが・・・

14. 5-3. Routing (パターン設計) 回路図に合わせて、パターンを引いていきます。 と一言でいっても、この作業が製品の特性を決 める上で重要な作業です。 右図例のような2レイヤーの基板はスペースの 余裕がほとんどなく最悪の場合パターンが引け ない状況も発生します。 Layer A 携帯電話などの通信機器はEMCに関して法規 （顧客によってより厳しい場合も）で規格が定めら れています。パターンの引き回しひとつでアンテナ になり不要輻射を発生させたり、外部ノイズを 受けて特性を満足しないこともあるので、図面 全体をしっかりチェックし設計段階で対策を講じる ことが重要！ Layer B 2次元の図面から頭の中で3次元構造を考えることも重要っと。それに、基板設計においてはどの面視で描かれているのか間違いやすいから、図面を印刷して実製品の模型を作成すると図面全体のチェックがし易いか・・ どうしても懸念箇所があるまま進めるなら、あらかじめFMEAを行い、実験計画をしっかり立てておくこと！ リスクマネージメントをしっかりとな。 EMC: Electromagnetic Compatibility、 電磁環境両立性 FMEA: Failure Mode and Effect Analysis、 故障モードとその影響の解析

15. 6. Manufacture of FPC (FPC製造) ※簡略化のため、イメージ図に接着剤層を描いていません このフローはあくまで一例で、超微細FPCは エッチングでパターン形成せず、積み上げで 形成するものもあります。（セミアディティブ法） 半導体の製造と大きく 変わらないの～ フローは日本メクトロン㈱ HPより引用

16. 7. Assembly (組み立て) あくまで一例であり簡略化していますが、LCDモジュールの基本的な組立工程は各部材のロスを抑え歩留まりUpを 実現するため随所に検査を行います。 偏光板貼り付け 画出し検査 バックライトの不良（反射シート/ 拡散シートのしわなど）のチェック と製品状態でのあらゆる不良 のチェック 偏光板のキズ、 異物挟み込み などのチェック パネル映像検査 ラベル貼り付け FPC貼り付け（FOG） 出荷検査 製品仕様どおりにモノが 出来上がっているかを最終検査 Pre画出し検査 FOG実装不良 のリジェクト 梱包 バックライト組み込み 出荷 FOG：Flex on Glass COG：Chip on Glass

17. 8. Evaluation (製品評価) ごく一般的な電気特性評価（電源電圧特性、温度特性、周波数特性etc.）も行いますが、携帯電話向けの製品特有の 試験としてはオーディオノイズ測定や次ページのEMC測定などがあります。また信頼性評価、品質評価においては 通常の環境試験や静電気試験、落下試験などを行うのはもちろんのこと顧客にもよりますが“コカコーラ試験”なるものがあります。 ノイズが入って 聞こえづらいな・・ オーディオノイズ測定とは LCDモジュールから20Hz～20KHzの周波数成分のノイズを 放射していないかチェックします。携帯電話の使用状態を 想像していただけるとわかりやすいかと思いますが、人の 耳に接するのが画面、つまりLCDとなるため、この評価が 実施されます。 モジュールの評価とは別にFPC単体での評価もあります。 主に屈曲試験や耐折試験、剥離強度試験があげられますが 耐折試験（MIT試験）は試験装置を保有しているサプライヤ にて実施することが多く、設計者は ・試験実施箇所 ・試験方法 ・規格 を提示します。 製造工程での取り扱い、出荷後のセットAssy時の取り扱いを十分考慮して、条件を設定するのじゃぞ！ MIT試験(耐折試験) 携帯電話のヒンジ部などに 用いられるFPCの耐折評価方法。 高精細FPC、柔らかい仕様の FPCには向かない 屈曲試験の一例

18. 8-2. EMI/EMS measurement シールドルーム/シールドBox Spectrum Analyzer RF Pre Amp’ アンテナ LCDモジュール LCDモジュールから1cm程度離れた位置でモジュール全体を スキャンし、LCDモジュールが非駆動状態でのノイズ （暗ノイズ）と駆動状態のノイズを測定し、差分が製品か ら放射される不要ノイズとなります。 全体をスキャンすることにより、どの位置が放射源かを 特定し適切な対策を講じるのに役立ちます。 最終製品の測定では3m法や10m法などが用いられますが LCDモジュール単体での評価は、影響を及ぼす（受ける） 部品が非常に近傍に常に存在するため、測定方法を 少しカスタマイズして評価しています。 駆動周波数の高調波成分が 放射（不要輻射）されている 私もまだまだ勉強中。。。 あまり質問しないでねm(-_-)m 少なくともこのレンジでは 輻射ノイズが見えていない。 念のため、レンジを変えて 確認する必要がある

19. Break2 (ちょっと一息) テストPADって？ こんなタイミングで不良多発！！ 写真はEDSの様子で、 プローブ（針）が電気的 に触れている箇所が テストPADになります。 ちなみに写真のプローブの 付いた円盤状のもの をプローブカードと呼びます。 製品PAD テストPAD ダイシング時の テストPADのバリ ベアチップをFPCへCOFした際、ベアチップのテストPADが ダイシング（Wafer状態からEDS後、個片へ切り離す工程）時に 生じたバリでFPCの銅箔に突き刺さりショート！量産直前に問題発覚！！ なぜ気づかなかったの？？ 試作数量が極端に少なく、バリが原因の 不良が出ていなかったため誰も気づかず・・・ 量産設備のチェック、歩留まり確認 にとどまらず未知の不良を洗い出す。 ⇒Pre量産の重要性はここにある！ COF：Chip on FilmFPC上に部品（主に半導体）を搭載する技術 EDS：Electric Die Sort詳しくは[エレ研修資料]LSI・ICの設計・開発参照

20. 9. Documentation for MP (仕様書作成) いよいよ量産に向けて、製造移管するための各種指示書を作成します。 最終版の設計情報をわかりやすく、かつ必要情報を完全に網羅した書類とする必要があります。 LCDモジュールの場合では ・構成部材一覧（部品名、調達先など） ・LCDパネル仕様書 ・各部材の仕様書 ・組み立てフロー ・検査仕様書 ・梱包仕様書 ・FPC基板回路図 ・FPC実装部品リスト（員数、Ref、調達先など） などなど多岐にわたります。 不良を出さず、高品質の製品を製造していきます。引き続き協力をお願いします。 これで量産準備OKですね。ヒット商品になることを願いましょう！ これ以外に製品仕様書の作成、手直しや必要に応じて 不良解析業務をサポートするためのドキュメント類の 作成も行います。

21. 10. Episode【2006～2009年頃】

22. 10-2. Episode1 失敗事例～動かない～ 2006～2007年頃 ＜背景＞ 　開発当初、8モデルの設計を担当。猫の手を借りたいほど日々の業務が 　忙しい中で回路設計時に“たった”数本の結線をミス ＜問題発覚＞ 　納期どおりにサンプル出荷ができたものの顧客評価にて 　全数で動作不良の指摘。 ＜原因＞ 　１．サンプル試作前のDRを行わなかった！！ 　２．サンプル試作時の検査が簡易検査で問題に誰も気づかず・・・ ＜対応＞ 　新たにサンプル試作は構成部材の不足により不可。　 　不具合理由とリカバリー案を顧客へ提示するも全数修正の指示。 　技術面での難易度と日本は大型連休間近でリワーク対応してくれる 　協力サプライヤがなかなか見つからない。。 ＜再発防止策＞ １．DR未実施でのサンプル試作禁止 　　　　各設計者へ大きな権限が与えられている中では DRの目的は第3者チェック。『忙しい』、『納期が 　　　　間に合わない』は言い訳に過ぎない！ 　２．設計FMEA・チェックシートの充実 　　　　何か起きてから考えるのでは遅い！起こりうる 　　　　故障モードとそれにより生じる影響を明文化し、 　　　　信頼失墜、機会損失を防ぐ。 ３．意識の改革（精神論？） 　　　“サルも木から落ちる”、“河童の川流れ”のことわざ 　　　どおり『自分は大丈夫』は通用しない！ 自分でリワークしたものと、作業方法を示し 立会いの下作業指導を行い、協力サプライヤ1社を見つける。 また、リワーク後のサンプル検査を含めた後工程を管理し 何とかリカバリー成功に至る。

23. 10-3. Episode2 成功事例～薄型・小型化への貢献～ 2008～2009年頃 ＜背景＞ 従来機種に比べ顧客要求厚みが厳しく、セットコンセプトからも 　仕様変更提案ができる状況ではない。。。 ＜対応＞ 関係各署からの情報収集でFPC上に搭載する部品の高さが 　許容できるレベルになく部品の再選定とより薄いFPC仕様への 　変更、製造部門との部品実装の仕様詰めを行い社内で初めて 0603サイズ（0.6mm x 0.3mm）チップ部品の量産導入に踏み切る。 　（ちなみに当時FPCに搭載されるチップ部品の主流サイズは1005や1608） ＜導入にあたって＞ この仕様になると、部品の外形公差、FPCのマスク開口精度、部品実装精度が 　非常に重要。また、導入当時は0603サイズ部品が主流ではなく、部品単価が 　高くなるため、部品サプライヤを呼んで価格交渉も行った。 ＜背景＞ 社内で初めて、高速シリアルI/F（Flatlink3Gなど)を使用した製品開発の受注 ＜課題＞ ドライバICも同時開発となり、システムの事前検証ができず、 FPCの回路図がかけない。。テスト開発部隊も量産設備の開発に着手できず。 ＜対応＞ 高速シリアルI/Fのトランスミッタ（パラレル-シリアル変換IC）と 　レシーバ（シリアル-パラレル変換IC）を入手し、量産中モデルの評価ボードを 　加工して動作検証を行い、社内へ展開。 ＜導入にあたって＞ ICやFPC、LCDパネルの開発スケジュールが受注時点で切迫しており 　ボード改造と動作検証の期間は1週間弱。評価ボードのプログラム作成担当含め 　関係者との密な連携で課題クリアに至る。

24. 11. 続Episode【2011年度】

25. 11-1. 不具合事例～バックライトが消える～ 絶縁層 FPC メッキリード（配線） ベース基材 導体（GND） 金属フレーム ＜概要＞ 　顧客セットAssy時、LCDモジュールに加重ストレスを掛けると バックライトが消える不具合が発生！発生率は非常に低い ＜原因解析＞ ～発生当初～ 　試作では発生が無く、顧客返品サンプルも 　非常に数が少ない。外的要因による配線と金属 　フレームとの接触を推測するも、原因究明には 　至らず。 ～数日後～ 発生率が徐々に上がり、返品サンプルも 　増えてくる。詳細解析の結果、右写真のように メッキリード(配線)が金属フレームと接触する 　ようにFPC端面がめくれ上がっていることを発見。 メッキリード(導体) 金属フレーム 絶縁層 【通常品】 【不具合品】 Stress Short Stress

26. 11-1. 不具合事例～バックライトが消える～ 設計変更を軸に 工程へ改善依頼 ＜対応＞ 　・設計上は、FPCのめくれ上がりを想定してはいない ・umレベルのため、製造工程で完全にリジェクトするのは困難 変更 FPC最外形 導体端部 FPC最外形 メッキリード配線 ＜再発防止策（設計的観点）＞ FPC最外形 メッキリードの引き出し方についての設計フローを制定(明文化) メッキリード配線 内側へ移動 併せて・・ 　　　絶縁層 絶縁層 　　　配線（メッキリード） 　　　ベース基材 設計時のこれまでの考え方を見直し、他設計メンバーとも 情報共有、認識統一を実施 　　　導体 　　　絶縁層 　　　導電物 導体端部 FPC最外形 左記構造は配線と導電物とが 近接していると考える

27. ご清聴ありがとうございました