TFT LCD面板及其驱动之三 面板设计实例

1、吴为敬 博士华南理工大学材料科学与工程学院TelFT 面板及其驱动之三：面板设计实例面板及其驱动之三：面板设计实例参考资料参考资料l戴亚翔 著 TFT LCD面板的驱动与设计 清华大学出版社 2008lC.R.Kagan R.Andry 编 薄膜晶体管(TFT)及其在平板显示中的应用 电子工业出版社 2008l谷至华 薄膜晶体管(TFT)阵列制造技术 复旦大学出版社 2007纲要纲要l3.1 从产品规格开始l3.2 TFT LCD像素排列l3.3 像素阵列之外 3.1 从产品规格开始从产品规格开始l3.1.1 认识产品规格l3.1.2 专业整合l3.1.3 产品规格的

2、协调制定l3.1.4 TFT面板相关专业规格 3.1.1 认识产品规格认识产品规格3.1.2 专业整合专业整合TFT LCD是一种整合多元知识的技术，必须由各个专业领域的设计者一同努力才能设计出来的。l液晶光学设计 熟知液晶的物理特性和光学知识，负责设计液晶的模式，设计彩色滤光片的三原色之色坐标，以符合色彩饱和度要求。l模组结构设计 熟知模组中各机械零件和力学知识，负责设计产品外观。l电子系统设计 熟知面板中各电子零件和电学知识，以及各种显示界面的定义，负责产品的驱动系统。3.1.3 产品规格的协调制定产品规格的协调制定 TFT LCD面板的设计，不仅牵涉到许多不同的专业领域，还需要各领域之间

3、良好而即时的互动，才能顺利完成新产品的开发。各成员除了具备本身专业领域的知识，对其他领域知识的了解愈深入，便愈能实现良好的沟通和合作。l厚度 TFT LCD 模组成品的厚度，会是很多零组件厚度的总和，包括两玻璃基板，两偏光片，背光模组、框架等。l亮度 例子: 亮度为4000cd/m2的CCFL背光源，而液晶单元的光效率为7.35%,像素开口率为85%,试计算亮度并判断是否符合表3.1的产品规格。3.1.4 TFT面板相关专业规格面板相关专业规格 根据电压透射率关系可定出最小视频电压容许误差。液晶的电压电容关系，将作为设计时考量充电、电荷保持、电容耦合以及信号延迟的计算基础。3.2 TFT LC

4、D像素排列像素排列l3.2.1 最坏情况设计(Worst Case Design)l3.2.2 初始设计l3.2.3 初始像素布局l3.2.4 布局后模拟l3.2.5 像素设计实例3.2.1 最坏情况设计最坏情况设计(Worst Case Design)l目前，绝大部分的TFT LCD中，每个像素的设计是完全相同的。因此，要考虑完全相同的像素设计可否在各种情形下都可以满足显示驱动原理的要求。这种设计理念就是Worse Case Design。l比如，产品有可能工作在60Hz至75Hz的画面更新频率，则需以75Hz的频率考虑充电时间，而以60Hz的频率考虑电荷保持时间。3.2.2 初始设计初始设

5、计l先把最重要的设计值做个初步估计，找到合理的设计梗概，再建立初始像素布局以计算像素中的各个电容，利用SPICE软件做详细模拟再精细化以得到最大的开口率。l与所有设计考量最密切的两项设计值，一是存储电容Cs的大小，二是TFT的沟道宽度。计算机设计辅助程序计算机设计辅助程序图3.1 TFT 像素阵列初始设计程序TFT 开电流限制线开电流限制线dsthongsoxechVVVLWCI,arg61DelaySyncMdtech*601argLCLCSechAdCC/argdsechVdVarg其中：thongsoxLCLCSVVLCDelaySyncMAdCW,/161*601可得：TFT 关电流限

6、制线关电流限制线WIIleak0601holddtLCLCSechAdCCargmVdVhold860180ImVAdCWLCLCS其中：可得：电容耦合限制线电容耦合限制线gdLCSgdLCSLCLCgdonoffCCCCCCCCCVVVVVmin,max,min,max,minmax注：未采用扫描线三阶驱动时考虑。|V为液晶材料所能忍受的直流电压残留值。thongsonVVV,WCCgdgd0min,max,0min,max,|LCLCgdonoffLCSLCSCCCVVCCCCW其中：可得：信号延迟限制线信号延迟限制线gdpgpgTFTgsgxLCSgdpgpgTFTgsgxSCANCCC

7、CCCCCCCCCCCCCC0101串联其中：oxoxoxTFTWLCtWLCWCCgdgd0WCCgsgs0DelayCRtscanscanscan 3300013gdgsoxpgpggxscanCCLCCCCCRDelayW可得：3.2.3 初始像素布局初始像素布局lTFT 制程 在像素布局前，必须先了解TFT制程，知道各层次之间的相互关系及用途。l制程设计规则(Process Design Rule) TFT的制程设计规则也称为版图设计规则(Layout design rule),这些规则是由制程的能力与经验所决定的。TFT像素布局必须完全符合这些规则，才能顺利的制造出TFT Array

8、。l执行初始像素布局 利用Layout软件，基于初始设计所决定的存储电容大小和TFT的尺寸，即可开始初始像素布局。TFT 制程制程TFT 制程制程(续续)制程设计规则制程设计规则(Process Design Rule)线宽定义限制线宽定义限制对准误差限制对准误差限制TFT特性特性执行初始像素布局执行初始像素布局l利用Layout软件，基于初始设计所决定的存储电容大小和TFT的尺寸，即可开始初始像素布局。l像素布局大多属于各家公司的秘密。 例如：同样的存储电容，可以布局成环绕像素的U字形，或横跨像素的一字形。像素布局需要不断积累经验，尽可能地避免不良的效应。3.2.4 布局后模拟布局后模拟l初

9、始像素布局完成后，根据各绝缘层介电常数和厚度，即可计算出各个寄生电容的大小。l随着TFT LCD面板的不断改进，TFT像素尺寸变得越来越小，此时，就必须考虑更多不可忽略的边际电场效应，必须利用电容模拟软件(如Synopsis公司的Raphael,Cadence 公司的Assura等)，才能精确计算出电容值。lTFT的开关电压，Output Enable时间的长短，都要通过模拟来确定适当的值。l利用Spice软件做精确的模拟，以确认是否同时满足四项设计考量以及综合效应。3.2.5 像素设计实例像素设计实例l3.2.5.1 制程选择l3.2.5.2 TFT面板设计规格l3.2.5.3 像素初始设计

10、l3.2.5.4 像素初始布局l3.2.5.5 像素等效电路l3.2.5.6 像素阵列模拟l3.2.5.7 设计调整方式的思考l3.2.5.8 像素阵列再设计直到设计完成3.2.5.2 TFT面板设计规格面板设计规格3.2.5.3 像像素初始设计素初始设计3.2.5.4 像素初始布局像素初始布局3.2.5.5 像素等效电路像素等效电路表3.4 17英寸SXGA产品TFT像素初始布局的像素等效电阻电容单元像素单元像素等效电路等效电路图3.6 像素等效电路3.2.5.6 像素阵列模拟像素阵列模拟图 3.7 阵列等效电路扫描线的等效电阻电容电路计算注：把除了扫描线本身以外的信号源都视为接地。两端都接

11、地的电容以灰色方块遮蔽，不需计算。LCpdpdSpggdTFTgsgxSCANCCCCCCCCCCC01串联扫描线的等效电阻电容串接电路扫描线的等效电阻电容串接电路数据线的等效电阻电容电路计算数据线的等效电阻电容电路计算注：把除了扫描线本身以外的信号源都视为接地。两端都接地的电容以灰色方块遮蔽，不需计算。SLCpdpggdpdSLCpdpggdpdTFTgsdxdataCCCCCCCCCCCCCCCCC01串联串联数据线的等效电阻电容串接电路数据线的等效电阻电容串接电路充电和电容耦合效应模拟充电和电容耦合效应模拟电荷保持模拟电荷保持模拟相邻数据线电容耦合效应相邻数据线电容耦合效应3.3 像素阵

12、列之外像素阵列之外l3.3.1 扫描线与数据线布线l3.3.2 下板共电极布线l3.3.3 共电极金胶点与共电极电源布线l3.3.4 对准标示l3.3.5 测试键l3.3.6 电荷分享预充电设计l3.3.7 静电防治、阵列测试与激光修补设计l3.3.8 其他设计项目3.3.1 扫描线与数据线布线扫描线与数据线布线TFT LCD模组中驱动IC（扫描，数据）IC一般以自动卷带(带载)封装(Tape automatic bonding,TAB)的方式作封装。扫描线和数据线要布线聚缩与对应的TAB式驱动IC相连接连接端子(bonding pad)的节距比亚像素的节距更小，尤其是在数据线方面，连接端子的

13、数目更多且节距更小，大约在60-45um之间。3.3.2 下板共电极布线下板共电极布线下板共电极线在像素阵列之外，需要将所有的共电极布线连接在一起，而且为使整个像素阵列的共电极电压尽可能一致，会将共电极布得很宽且环绕像素阵列。3.3.3 共电极金胶点与共电极电源布线共电极金胶点与共电极电源布线通过掺有金或银得导电胶，在上下两片基板贴合时，实现上下板共电极的导电连接。这些共电极金胶点直径2mm左右置于像素阵列周边。3.3.4 对准标示对准标示对准标示对准标示l我们会把制作TFT的玻璃基板称为玻璃母板(Mother Glass),原因在于空白玻璃基板一旦投入制作TFT的第一层薄膜之后，后续各制程的

14、相对位置也会被确定下来。lTFT LCD的大部分制程，包括TFT的全部制程，取向膜涂布、框胶、切割等液晶单元制程，以及彩色滤光片的组合和驱动IC的黏合，都必须精确地定位在相对应的位置上。l为了确保定位的精确度，便需要在TFT的玻璃基板上，预先制作好后续各制程所对应的对准标示，利用自动仪器来定位。3.3.4 对准标示对准标示光学微影光学微影(光刻光刻)lTFT制程需要使用曝光仪器，需要设置对准标示图案，将曝光机放置在合适的位置。 光学检查装置光学检查装置l思考杂物颗粒对TFT制程的影响。l自动光学检查（Automatic optical inspection,AOI）装置扫描基板上的影像图形与无

15、杂质物颗粒的理想影像做比对。lAOI装置把可能是缺陷的坐标记忆起来，然后将显微镜移动到所记忆的坐标进行人工判断。l为了精确定位像素位置，需要在适当的位置设定AOI的对准标示图案。阵列测试装置阵列测试装置lTFT 阵列测试，一方面可能需要记忆缺陷的坐标；另一方面，为了使探针与电极作很好的接触。所以需要放置对准标示图案至适当的位置一配合阵列测试。元件特性测量元件特性测量lTFT 的特性是否正常，是TFT制程是否稳定的重要指标，为了以探针组连接TFT测试键来测量元件特性，需要精确地将探针组定位在TFT测试键所放置的位置上，所以需要放置对准标示图案至适当的位置。激光修补激光修补l激光修补技术可以修复缺

16、陷，或将人眼较敏感的亮点缺陷修改成较不敏感的暗点。l为了精确地定位至对应的缺陷像素位置，需要将配合所用激光修补仪器设定的对准标示图案，放置在适当的位置。封接框胶涂写与导电胶涂点封接框胶涂写与导电胶涂点l要在像素阵列的区域形成液晶灌注的空间，需要在像素阵列之外涂写封接框胶，另外需要在共电极金胶点位置涂上导电胶。l为了定位施加封接框胶与导电胶的位置，需要设定对应的对准标示图案。取向膜涂布取向膜涂布l像素阵列的区域，需要定义液晶取向的方向以做成液晶光阀控制亮度，但是在像素阵列以外的区域，需要避开封接框胶和导电胶，以及扫描线与数据线终端的连接端子，以免影响框胶的黏着以及电极的导电性连接。l为了定位取向

17、膜涂布的位置，需要设置相应的对准标示图案。上下板对准标示上下板对准标示lTFT LCD的上下板玻璃贴合制程中，需要精准地对位，一般会有两组对准标示，第一组具有较大的尺寸，用较低的显示镜倍率来做粗略的对准；第二组则较小，再用较高的放大倍率来精确定位。因此，需要设置上下板的对准标示。切割位置标示切割位置标示lTFT LCD上下板玻璃贴合之后，便要切割成一片片的显示面板。l需要将切割线标示出来，根据这些标示采用下轮刀或用激光进行切割。3.3.5 测试键测试键l关键尺寸(ciritical dimension)测试键l叠合(overlay)测试键l电性测试键关键尺寸关键尺寸(ciritical dim

18、ension)测试键测试键 目的：检测所设计的形状在各层制程的光学微影(曝光)与蚀刻之后，与原来的设计值有多少误差，特别是在所设计的形状很小时候，这个误差影响就显得很重要，故称为关键尺寸(Critical Dimension ,CD)。关键尺寸的误差称为CD loss。叠合测试键叠合测试键目的：监测所设计的相对叠合区域，在二层制程的曝光和蚀刻之后，与原来的设计值有多少误差。这个测试键是在两层制程掩模的形状上设计成间距不同的游标尺(Vernier),再计算对准误差，在水平方向和垂直方向上都需要放置叠合测试键。电性测试键电性测试键比如：TFT的元件特性；金属布线的电阻，电极间的电容都需要设计电性测试键以实行电性测量。TFT 元件金属电阻电容3.3.6 电荷分享预充电设计电荷分享预充电设计如果利用电荷分享的预充电方式，可以利用TFT作为开关，设计在TFT 面板上，置于数据线端子的一边。3.3.7 静电防治、阵列测试与激光修补设计静电防治、阵列测试与激光修补设计l无法导电的玻璃基板很容易积累电荷而产生静电放电而对像素造成破坏，所以必须设法保护基板免于静电放电的破坏。l一个显示面板，只要有一条线有缺