仪表液晶显示器的加固设计

0 引言

仪表液晶显示器(liquid crystal display,LCD)通常安装在系统仪表板上，为操作者显示相关参数和各种摄像图像，例如各路信号的切换显示、多路信号的叠加显示等。其中，某些车载、机载、舰载、矿井、军用、航天等仪表液晶显示器，经常工作在各种严酷环境中，例如高温、低温、潮湿、淋雨、盐雾、沙尘、振动冲击、强烈阳光、低气压、真空、辐照以及电磁干扰等[1-3]。

针对上述环境，目前的仪表液晶显示器很少能做到协同设计。例如，要达到好的屏蔽效果，就要牺牲亮度；要达到好的加热效果，就必须增加功耗等[4]。为了实现仪表液晶显示器低功耗、重量轻、体积小、环境适应性好、安全、可靠性高的设计目标，本文从结构与工艺两个方面对仪表液晶显示器进行多环境下的协同设计。

1 总体设计

某款仪表液晶显示器结构如图1所示。其零部件之间使用螺钉和结构胶进行连接。高度模块化设计不但使其结构紧凑，而且具备良好的维修性。外壳材料采用铝2A12，具有极好的强度和导热性能，表面喷涂天津油漆厂灯塔牌聚氨脂清漆S01-3。

图1 仪表液晶显示器结构

Fig.1 Structure of instrumentation LCD

1.1 三防设计

液晶显示器在使用时受湿度影响较大。尤其是当器件的密封性被破坏时，空气中的水汽和氧气进入器件内部，使金属电极发生氧化或使有机层发生水解等。研究表明：密封性破坏后，空气中的水汽和氧气可在数小时内降低，甚至直接破坏显示器的发光性能[5]。

因此，在设计时优选密封性能好的陶瓷芯片，在个别塑封器件表面喷涂有机/无机双层防潮膜。对印刷电路板组件(printed circuit board assembly,PCBA)涂敷三防漆。整机安装时涂密封胶。

1.2 隔振缓冲设计

图1中，液晶模块及视频控制板均采用四边固定安装。因此，其固有频率的计算式为[6]：

(1)

式中：ST为模块或控制板的刚性系数；P为单位面积的动量；L、B分别为长和宽。

由此可见：增大模块或控制板的刚性，可以提升ST，从而提高其固有频率F0。在设计产品时，考虑到安全裕度，F0的取值不小于环境振动频率的2倍，从而避免谐振的发生。

1.2.1 印制电路板及元器件的加固

液晶显示器的印制电路板(printed circuit board,PCB)主要包括电源板、主控板等。在对印制电路板进行加固时，可采用在印制电路板中间加导柱、增加固定点等方式，使印制电路板的固有频率进一步提升，进而提高抗振动冲击能力。同时，采用胶体材料对印制电路板上易损元器件作固定处理。通过整机加固，对振动、冲击应力进行吸收、缓解，尽可能减小或吸收作用于各模块的应力。

1.2.2 液晶显示屏的隔振加固

液晶显示屏的隔振加固是将显示基板与前后钢化玻璃绑定在一起[7]，极大地提高其刚性，从而远离谐振频率，避免共振损坏。液晶显示屏的四周用金属外框支撑固定，中间安装硅橡胶条作为减震器，并填充柔性有机密封胶。

1.3 宽温设计

1.3.1 低温加热

加热玻璃通过绑定技术与液晶基板紧密贴合，位置在液晶屏内部，热耗散减小，加热效果明显[8]。该设计的重点是缩短了加热时间，减小了加热功耗，从而提升了整机可靠性。

1.3.2 散热设计

考虑到航空仪表液晶显示器往往处于低气压环境，而航天器、空间站仪表显示器则处于真空环境，不宜应用风冷散热[9]，因此显示器中的主要发热元器件全部采用传导散热。在设计时，将液晶模块和电气模块的主要热源分别紧贴于金属结构件，使金属结构件连接成一个导热良好的整体，最终通过金属的热容及辐射进行散热。

1.4 电磁兼容性设计

显示窗口安装屏蔽玻璃。显示器壳体全部采用铝合金密封方式设计，接缝处全部搭接，涂抹导电密封胶并喷涂导电三防漆DJB-823。全封闭的金属外壳能有效屏蔽和吸收显示器内DC-DC电源模块、高频集成电路、晶振等产生的电磁干扰，同时也能很好地屏蔽外界电磁辐射对显示器内部敏感器件和信号的干扰。

1.5 安全性设计

显示器采用了防爆设计，在LCD最外面绑定一块镀有减反射膜的钢化玻璃(相对普通玻璃强度可增加6～8倍)进行层叠加固。该设计能保证在特殊情况下即使玻璃和液晶屏破裂，减反射膜也能将液晶屏破裂后的碎片固定，不会造成碎片飞溅到空间中而危害操作员身体。

①电源采用了双熔断器加限流电阻的过流保护。该设计能保证在特殊情况下，一旦设备出现故障，熔断器随即将设备与一级电源断开，不会影响其他仪器设备的正常工作。

②显示器金属外壳部分搭接构成良导体，不会造成静电电荷累积。

③产品为(27±3)V供电，内部电路为降压供电，所有操作按键均采用绝缘键帽。产品的表面以及操作员接触到的部分均进行了抛光和阳极氧化处理，无棱角和毛刺。

④所使用的原材料均为无毒、阻燃材料。

2 关键模块设计

2.1 液晶模块设计

采用真空气相沉积工艺，在2.3 mm钢化玻璃的某一面覆盖一层具有电磁屏蔽功能的氧化铟硒(indium-tin oxides，ITO)。该致密导电膜透过率高、无光学畸变。然后在玻璃四周镀银边，形成屏蔽加固玻璃。石墨烯价格便宜，也具有同样性能，但当暴露于紫外辐射下会发生降解。

传统加固显示器采用高亮屏实现强光下可读，导致功耗很大。最佳方法是降低显示模块的反射率；在上述加固玻璃的另一面，采用溶胶-凝胶化学镀膜法，形成8层结构的减反射膜，以达到既增透又防眩的效果。经测试，该方法的表面反射率小于0.5%，强光对比度达到6∶1(100 000 lx 照度)，有效提高了强光下的可视效果。

传统的后天加固方式不改变内部结构，液晶基板单薄，各层膜之间仅靠挤压固定，所以在严酷振动条件下，无法避免液晶屏内部基板的自身抖动与各层膜之间的移位、摩擦，极易导致破损、开路。为了提高液晶模块的刚性，同时考虑到真空环境对液晶显示器密封器件的影响，在10万级防静电洁净室内，首先在玻璃上印刷一层300 μm的光学双组份硅胶，然后压合液晶屏并固化，从而形成一个单独的绑定加固模块，可防止在严酷环境中变形或破裂。用作副面板的金属面框内侧，四周用镀铜导电硅橡胶条隔离减振。上述加固块与驱动板、电源板、驱动线缆、驱动板屏蔽盖一起安装于金属围框内。后面以加固背框，在4个角上用柱头螺钉进行固定。背框内表面用双面胶带3M-9731粘贴1 mm厚的导电橡胶板。

2.2 背光模块设计

背光源选用白光LED[10-11]。其驱动电压低，在低气压和真空下可正常工作，光源稳定。LED为非玻璃材料，可承受高强度的振动和冲击，可靠性高，使用寿命长。白光LED体积小，采用侧装式可以减少整机的厚度，节省空间。透过扩散膜、增亮膜、棱镜膜、色温补偿膜后，背光源的亮度为24 000 cd/m2。

3 关键装配工艺设计

3.1 PCBA敷形涂覆

将调试合格后的各类PCBA的焊点、元器件及印刷电路板与外界的腐蚀因素隔离开，使之不受外界因素的腐蚀、侵蚀，从而提高单机产品的防潮、防霉和防盐雾能力。这也能对元器件、焊点起加固作用，并对PCBA中可能残存、但没起破坏作用的微细多余物起固定作用。其操作步骤依次为：准备、清洗、保护、预烘、涂料配置、涂覆、烘干、清理、检验及转序。

表面敷形涂覆材料选用道康宁DC1-2577。该有机硅树脂三防漆有弹性，耐湿热性能好，能耐高温200 ℃、低温-60 ℃。喷涂前，用3M-2214胶带纸与镊子配合，对电气连接部位进行保护。选用喷嘴直径为1～1.5 mm的喷枪，涂层厚度控制在20～30 μm。

3.2 液晶模块装配工艺

撕去液晶模块金属面框上双面胶的透明保护膜，安装至前面框(注意：液晶屏的有效显示区必须处于前面板显示窗口的居中位置，前面板各边不得遮挡液晶屏的有效显示区)。操作时，注意液晶屏的安装方向；LED背光灯的安装槽为液晶屏的上边，安装时与前面板的上边在同一方向。

在液晶屏金属侧外框与前面框之间用703硅橡胶条密封,将液晶模块与面框粘固起来，室温固化时间约24 h。

3.3 视频控制板安装

将连接线缆按照设计要求焊接至视频控制板。在PCB固定板的散热块上涂抹一层导热硅脂，并清除机壳内的多余物，如胶渣、线头，多余硅脂等，保证机壳内部的清洁。将焊接有线缆的视频控制板安装在PCB上，并用螺钉固定。

4 结论

随着国家间的技术封锁加剧，高环境适应性仪表显示器的自主研发显得十分重要。本加固显示器集抗振动、抗冲击、防潮湿、防霉菌、防盐雾、防眩增透、低温工作、超低气压工作、电磁屏蔽等多种功能于一体。整机试验过程按照GJB 1032等一系列国标、军标的要求进行。其结果验证了显示器设计及工艺方案的有效性：图像清晰不抖动，输出的图像稳定，在低温环境下加热可靠、高效，高温下不死机、不出现黄斑，强光下可视不炫目，低可见光夜视兼容。该设计达到了预期效果，可用于多种因素并存的极端严酷环境，例如野外、航空航天甚至空间站。