TFT-LCD關(guān)鍵材料及技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室

TFT-LCD即薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管LCD，是有源矩陣類型液晶顯示器(AM-LCD)中的一種。

TFT的顯示采用“背透式”照射方式——假想的光源路徑不是像TN液晶那樣從上至下，而是從下向上。這樣的作法是在液晶的背部設(shè)置特殊光管，光源照射時(shí)通過下偏光板向上透出。由于上下夾層的電極改成FET電極和共通電極，在FET電極導(dǎo)通時(shí)，液晶分子的表現(xiàn)也會(huì)發(fā)生改變，可以通過遮光和透光來(lái)達(dá)到顯示的目的，響應(yīng)時(shí)間大大提高到80ms左右。因其具有比TN-LCD更高的對(duì)比度和更豐富的色彩，熒屏更新頻率也更快，故TFT俗稱“真彩”。

TFT-LCD的主要特點(diǎn)是為每個(gè)像素配置一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件。由于每個(gè)像素都可以通過點(diǎn)脈沖直接控制。因而每個(gè)節(jié)點(diǎn)都相對(duì)獨(dú)立，并可以進(jìn)行連續(xù)控制。這樣的設(shè)計(jì)方法不僅提高了顯示屏的反應(yīng)速度，同時(shí)也可以精確控制顯示灰度，這就是TFT色彩較DSTN更為逼真的原因。

目前，絕大部分筆記本電腦廠商的產(chǎn)品都采用TFT-LCD。早期的TFT-LCD主要用于筆記本電腦的制造。盡管在當(dāng)時(shí)TFT相對(duì)于DSTN具有極大的優(yōu)勢(shì)，但是由于技術(shù)上的原因，TFT-LCD在響應(yīng)時(shí)間、亮度及可視角度上與傳統(tǒng)的CRT顯示器還有很大的差距。加上極低的成品率導(dǎo)致其高昂的價(jià)格，使得桌面型的TFT-LCD成為遙不可及的尤物。

不過，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，良品率不斷提高，加上一些新技術(shù)的出現(xiàn)，使得TFT-LCD在響應(yīng)時(shí)間、對(duì)比度、亮度、可視角度方面有了很大的進(jìn)步，拉近了與傳統(tǒng)CRT顯示器的差距。如今，大多數(shù)主流LCD顯示器的響應(yīng)時(shí)間都提高到50ms以下，這些都為L(zhǎng)CD走向主流鋪平了道路。

LCD的應(yīng)用市場(chǎng)應(yīng)該說(shuō)是潛力巨大。但就液晶面板生產(chǎn)能力而言，全世界的LCD主要集中在中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)和日本三個(gè)主要生產(chǎn)基地。亞洲是LCD面板研發(fā)及生產(chǎn)制造的中心，而臺(tái)、日、韓三大產(chǎn)地的發(fā)展情況各有不同。

目前主流的TFT面板有a－Si(非晶硅薄膜晶體管)、TFT技術(shù)和LTPS TFT（低溫復(fù)晶硅）TFT技術(shù)。

在a-Si方面，三個(gè)生產(chǎn)基地的技術(shù)各有千秋。日本廠商曾經(jīng)研制出分辨率高達(dá)2560×2048的LCD產(chǎn)品。因此，有些人認(rèn)為，a－Si TFT技術(shù)完全可滿足高分辨率的產(chǎn)品需要，但是，由于技術(shù)的不成熟，它還不能滿足高速視頻影像或動(dòng)畫等的需要。LTPS TFT相對(duì)可以節(jié)約成本，這對(duì)于TFT LCD的推廣有著重要意義。目前，日本廠商已經(jīng)有量產(chǎn)12.1英寸LTPS TFT LCD的能力。而中國(guó)臺(tái)灣已開發(fā)完成LTPS組件制造技術(shù)與LTPS SXGA面板技術(shù)。韓國(guó)在這方面缺少專門的設(shè)計(jì)人員和研發(fā)專家，但像三星等主要企業(yè)已經(jīng)推出了LTPS產(chǎn)品，顯示出韓國(guó)廠商的實(shí)力。不過，目前LTPS技術(shù)尚不成熟，產(chǎn)品集中在小屏幕，而且良品率低，成本優(yōu)勢(shì)尚無(wú)從談起。

與LTPS相比，a-Si無(wú)疑是目前TFT LCD的主流。日本公司的a－SiTFT投資策略上幾乎都以第三代LCD產(chǎn)品為主，通過制造技術(shù)及良品率的改善來(lái)提高產(chǎn)量，降低成本。日本一直走高端路線，其技術(shù)無(wú)疑是最先進(jìn)的。由于研發(fā)力量有限，臺(tái)灣的a-Si TFT技術(shù)主要來(lái)自日本廠商的轉(zhuǎn)讓，但由于臺(tái)灣企業(yè)一般屬于勞動(dòng)密集型，技術(shù)含量?jī)r(jià)低，以生產(chǎn)低端產(chǎn)品為主。韓國(guó)在a-Si方面有著強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力，比如三星公司就量產(chǎn)了全球第一臺(tái)24寸a-Si TFT LCD—240T，它的響應(yīng)時(shí)間小于25ms，可以滿足一般應(yīng)用需要；而可視角度達(dá)到了160度，使得LCD在傳統(tǒng)弱項(xiàng)上不輸給CRT。三星240T標(biāo)志著大屏幕TFT LCD技術(shù)走向成熟，也向世人展示了韓國(guó)廠商的實(shí)力不容置疑。

TFT型液晶顯示器結(jié)構(gòu)

通常的a-Si TFT主要由玻璃基板、柵電極、柵絕緣層、半導(dǎo)體活性層a-Si,歐姆接觸層n+a-Si、源漏電極及保護(hù)膜等組成，其中柵絕緣層和保護(hù)膜一般采用SiN。

a-Si TFT的結(jié)構(gòu)可分為四種典型結(jié)構(gòu):源、漏、柵三電極位于半導(dǎo)體活性層a-Si同一側(cè)的平面結(jié)構(gòu)，其中源、漏、柵三電極位于a-Si層上側(cè)的稱正柵平面結(jié)構(gòu)，源、漏、柵三電極位于a-Si層下側(cè)的稱倒柵平面結(jié)構(gòu);源、漏、電極與柵電極位于a-Si層兩側(cè)的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，其中柵電極在a-Si層上側(cè)，源、漏電極在a-Si層下側(cè)的稱正柵交錯(cuò)結(jié)構(gòu)或頂柵結(jié)構(gòu)，柵極在a-Si下側(cè)，源、漏電極在a-Si層上側(cè)的稱倒柵交錯(cuò)結(jié)構(gòu)或底柵結(jié)構(gòu)。

從制造工藝上看，交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的SiN,a-Si和n+a-Si三層(或其中二層)可以連續(xù)淀積，適合流水作業(yè)，又可減少交叉污染?，F(xiàn)在，交錯(cuò)結(jié)構(gòu)已成為主流，它不僅對(duì)a-Si,SiN.,n+a-Si可連續(xù)作業(yè)，而且倒柵還可以作遮光層(不需另設(shè)遮光層)，這對(duì)a-Si TFT是重要的，因?yàn)閍-Si對(duì)光敏感，一旦有光流入引起漏電流增加，將會(huì)導(dǎo)致像質(zhì)惡化。

TFT型液晶顯示器的運(yùn)作原理

從TFT-LCD的切面結(jié)構(gòu)圖（下圖）可以看到LCD是由二層玻璃基板夾住液晶組成的，形成一個(gè)平行板電容器，通過嵌入在下玻璃基板上的TFT對(duì)這個(gè)電容器和內(nèi)置的存儲(chǔ)電容充電，維持每幅圖像所需要的電壓直到下一幅畫面更新。液晶的彩色都是透明的必須給LCD襯以白色的背光板上才能將五顏六色表達(dá)出來(lái)，而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白色燈光。因此在TFT-LCD的底部都組合了燈具，如CCFL或LED。

tft-lcd結(jié)構(gòu)及工作原理

TFT-LCD需要背光，由于LCD面板本身并不發(fā)光，因此需要背光，液晶顯示器就必須加上一個(gè)背光板,來(lái)提供一個(gè)高亮度，而且亮度分布均勻的光源。LCD實(shí)際上是打開來(lái)自其后面光源的光來(lái)表現(xiàn)其色彩的。目前的常用背光源是CCFL或LED。

TFT-LCD的市場(chǎng)分析

TFT-LCD是有源矩陣液晶顯示器(AM LCD)的典型代表，其研究最活躍、發(fā)展最快、應(yīng)用增長(zhǎng)也最迅速，在筆記本電腦、攝像機(jī)與數(shù)字照相機(jī)監(jiān)視器等方面的應(yīng)用獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，另外，它在地理信息系統(tǒng)以及飛機(jī)座艙、便攜式DVD、臺(tái)式電腦和多媒體顯示器等方面都得到很好的應(yīng)用。彩色TFT-LCD的構(gòu)思最初由美國(guó)人(西屋公司)于1972年提出、日本東芝公司在1982年率先實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的規(guī)模生產(chǎn)，但那時(shí)的生產(chǎn)技術(shù)還不成熟。自1993年日本掌握了TFT-LCD生產(chǎn)技術(shù)以來(lái)，分辨率已由CGA(320*200)發(fā)展到今天的UXGA(1600*1200),基片尺寸也已有第一代的240*270-32O*400mm2發(fā)展到2001年日本夏普、韓國(guó)三星電子和LG-Philips公司分別上馬的第七代的1350*1700 mm2。目前，TFT-LCD的應(yīng)用主要在小尺寸的移動(dòng)電話市場(chǎng)、中型尺寸的掌上電腦與筆記本電腦市場(chǎng)、大型尺寸的液晶顯示監(jiān)視器和液晶電視市場(chǎng)等五個(gè)方面。2005年TFT-LCD將被主要應(yīng)用于顯示器(39%)、筆記本電腦(25%)、手機(jī)(16%),液晶電視(10%),PDA(6%)五大領(lǐng)域，市場(chǎng)銷售金額將超過250億美元，占LCD市場(chǎng)比例超過90%，成為液晶乃至整個(gè)平板顯示技術(shù)領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)。

TFT-LCD技術(shù)的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)

資金密集，規(guī)模經(jīng)營(yíng):建立一條生產(chǎn)線投資在10億美元左右.技術(shù)密集:涉及到半導(dǎo)體技術(shù)、精密機(jī)械、精密光學(xué)、自動(dòng)控制、大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、光電子、微電子、精細(xì)化工、光源、材料、通訊、計(jì)算機(jī)軟件等。

發(fā)展速度快，核心技術(shù)穩(wěn)定:TFT-LCD產(chǎn)業(yè)化十年來(lái)生產(chǎn)線經(jīng)歷了7次大的發(fā)展，平均1年半生產(chǎn)線就要更新一次。但是TFT-LCD的核心技術(shù)是相對(duì)穩(wěn)定的。

帶動(dòng)的產(chǎn)業(yè)面廣，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有全局意義:上游原料、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)技術(shù)涉及到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的幾十個(gè)領(lǐng)域。新材料的開發(fā)、大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備的制造、先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用，將帶動(dòng)上游產(chǎn)業(yè)群。TFT-LCD模塊是信息產(chǎn)業(yè)的核心器件，涉及到通訊、交通、家電、計(jì)算機(jī)、教育、工業(yè)、醫(yī)療、國(guó)防等幾乎所有的領(lǐng)域。

a-Si TFT-LCD技術(shù)的研究現(xiàn)狀

分辨率:TFT-LCD的分辨率在近幾年中經(jīng)由CGA(320*2 00),VGA(640*4 80),SVGA(1280*1024)。XGA(1024*768).SXGA(1280*1024)發(fā)展到目前的UXGA(1600*1200)、QXGA(2560*2048)的水平。

對(duì)比度:美國(guó)P.P.Muhoray等人推出了波導(dǎo)基LCD技術(shù)，并利用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了174:1的高對(duì)比度，而現(xiàn)在的TFT-LCD對(duì)比度最高可達(dá)到500:1。

視角:由于液晶材料是各向異性的，其分子排列的取向及在電場(chǎng)作用下的重新排列取得均勻影響LCD器件視角的拓寬，這就造成了LCD器件視角上的缺點(diǎn)，現(xiàn)已提出多種寬視角技術(shù)，如同平面切換模式、相對(duì)稱微單元模式、疇垂直模式等，視角可達(dá)到170度。

響應(yīng)速度:當(dāng)幀頻為60%時(shí)，幀周期約為16ms,采用TN型LCD的普通TFT-LCD器件的響應(yīng)時(shí)間可低于20ms。最近推出了一種利用彈性連續(xù)聚合物穩(wěn)定化的平面開關(guān)方法，可使響應(yīng)時(shí)間縮短到10ms，采用光學(xué)補(bǔ)償帶可將響應(yīng)時(shí)間縮短到2～3ms，目前已用本技術(shù)研制出響應(yīng)時(shí)間為8ms的彩色LCD電視機(jī)。

壽命:由于制造技術(shù)的發(fā)展，TFT-LCD的壽命可達(dá)到3萬(wàn)小時(shí)以上。

大屏幕和反射式己出現(xiàn):已研制成功38in的TFT-LCTV,結(jié)束了大屏幕LC的拼接時(shí)代，反射式TFT-LCD彩色顯示器也開始商品化。

由于TFT制作技術(shù)的發(fā)展、液晶材料性能的改善、寬視角技術(shù)的采用、響應(yīng)速度的提高和成品率的提高，TFT-LCD顯示性能已并不亞于CRT。

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主要內(nèi)容

1、認(rèn)識(shí)產(chǎn)品規(guī)格

2、設(shè)計(jì)思想與步驟

3、Array基板設(shè)計(jì)

4、CF設(shè)計(jì)

5、Cell設(shè)計(jì)

第一節(jié) 認(rèn)識(shí)TFT-LCD的產(chǎn)品規(guī)格

1、基本規(guī)格 （設(shè)計(jì)規(guī)格）

作為一個(gè)設(shè)計(jì)者，首先對(duì)于顯示屏的設(shè)計(jì)規(guī)格一定要有所了解。顯示器的規(guī)格，很難有一個(gè)完全的定義，因?yàn)楫a(chǎn)品對(duì)于消費(fèi)者而言更多的是主觀的感覺，不同廠商提供的顯示器規(guī)格，也會(huì)有所差別，但是對(duì)設(shè)計(jì)者而言，需要把客戶的要求、廠商的要求轉(zhuǎn)化成客觀量化的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)，也就是要轉(zhuǎn)化成可設(shè)計(jì)的規(guī)格。即設(shè)計(jì)規(guī)格（專業(yè)規(guī)格）。下表中給出了一些顯示器件的最基本的規(guī)格參數(shù)。

2、各專業(yè)領(lǐng)域的整合（其它專業(yè)規(guī)格）

TFT是一種整合多元知識(shí)的技術(shù)，是“光、電、機(jī)”的一個(gè)綜合體，牽涉了很多原理，所以一個(gè)TFT-LCD也是由各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)者一同努力所設(shè)計(jì)出來(lái)的，除了所著重的TFT面板本身以外，以下幾個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)也是非常重要的。

（1）液晶光學(xué)、色度學(xué)設(shè)計(jì)

這個(gè)領(lǐng)域需要熟知液晶的物理材料特性和光學(xué)知識(shí)，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的液晶模式，包括其材料，間隙，配向角度，偏光片角度，光學(xué)補(bǔ)償膜等等，以符合產(chǎn)品規(guī)格中的視角，亮度，對(duì)比和反應(yīng)時(shí)間等要求，也要設(shè)計(jì)彩色濾光片的三原色之色坐標(biāo)，以符合產(chǎn)品規(guī)格中色彩飽和度的要求，還有如液晶的操作電壓，抗反射膜的選用等等，也是該領(lǐng)域要考慮的。

（2）模組機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該領(lǐng)域要熟知各機(jī)械零件和力學(xué)知識(shí)，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的外觀，選用各零件的材料與制程，以符合產(chǎn)品規(guī)格中尺寸，重量等需求，并使模組組裝生產(chǎn)過程流暢易行，另外，背光模組和光學(xué)膜的選用，涉及產(chǎn)品厚度，重量和功率消耗，也需要與其他方面的設(shè)計(jì)一起考慮。

（3）電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該領(lǐng)域熟知各電子零件和電學(xué)知識(shí)，以及各種顯示界面的定義，以負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，符合產(chǎn)品規(guī)格中系統(tǒng)界面，功率消耗，操作電壓等要求。

3、產(chǎn)品規(guī)格的協(xié)調(diào)制定

對(duì)于TFT-LCD，包含很多的專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)，自然也就涉及很多的專業(yè)規(guī)格，這些專業(yè)規(guī)格彼此并不是孤立的，設(shè)計(jì)時(shí)也并不是所有規(guī)格的一個(gè)簡(jiǎn)單的加和，而是要互相協(xié)調(diào)，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)及定位，才能保證產(chǎn)品的最終設(shè)計(jì)成功。

專業(yè)規(guī)格協(xié)調(diào)舉例

（1）厚度

產(chǎn)品的厚度，它是很多零組件厚度的總和，包括兩塊玻璃基板，兩個(gè)偏光片，光學(xué)補(bǔ)償膜，光學(xué)增亮膜，背光模組，框架等，如果要減少設(shè)計(jì)的厚度以符合產(chǎn)品要求，可以采用薄型偏光片而增加成本，也可以選擇減少光學(xué)補(bǔ)償膜而犧牲視角，也可以選擇光學(xué)增亮膜而犧牲亮度，也可采用薄型框架而增加破損的風(fēng)險(xiǎn)，至于要采取哪一種方法，就要視產(chǎn)品的定位和其他規(guī)格的競(jìng)爭(zhēng)力而定，并沒有一定的答案。

（2）亮度

TFT-LCD模組成品的亮度，是光源強(qiáng)度和光效率的乘積，以表中產(chǎn)品為例，亮度要求為假設(shè)既有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，是使用亮度為的CCFL背光源，而液晶單元的光效為7.35％，畫素的開口率為85％，則得到的亮度會(huì)是

為了要達(dá)成產(chǎn)品要求，可以使用亮度提高到背光源，但是會(huì)增加消耗功率，燈管的壽命也會(huì)減少，也可以設(shè)法增加液晶單元本身的光效率到8.82％，也可以設(shè)法增加畫素的開口率。此時(shí)可以協(xié)調(diào)成：采用的背光源，使液晶單元的光效率增加為8.1％，畫素的開口率為88％，使得到的亮度成為

再由各設(shè)計(jì)領(lǐng)域協(xié)調(diào)決定其專業(yè)規(guī)格，此時(shí)需要液晶光學(xué)設(shè)計(jì)的專業(yè)去努力的將原來(lái)的光效提高到8.12％，也許要采用新的模式，也許要降低色彩飽和度，假設(shè)在各專業(yè)領(lǐng)域努力之后，仍無(wú)法達(dá)成要求，此時(shí)便需要重新進(jìn)行協(xié)調(diào)，增加背光源亮度或液晶單元的光效，有可能需要更換液晶材料，因此又使畫素的充電和電容耦合效應(yīng)改變，于是又要重新設(shè)計(jì)一次畫素，又有新的開口率設(shè)計(jì)，可以想象，產(chǎn)品的規(guī)格進(jìn)步，需要各領(lǐng)域一再的設(shè)法協(xié)調(diào)，以定出各專業(yè)規(guī)格。

4、和面板設(shè)計(jì)相關(guān)的專業(yè)規(guī)格

在經(jīng)過產(chǎn)品規(guī)格的協(xié)調(diào)制定后，就可將其中的一些規(guī)格，轉(zhuǎn)換成各領(lǐng)域的專業(yè)規(guī)格，與TFT面板設(shè)計(jì)相關(guān)的專業(yè)規(guī)格有：

（1）次畫素大小和畫素陣列數(shù)目

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格中的Size, Resolution, Aspect Ratio Active Area,可以得知次畫素的大小和畫素陣列數(shù)目，這些規(guī)格是不需要進(jìn)行協(xié)調(diào)的。

（2）開口率

依據(jù)產(chǎn)品規(guī)格中的Brightness和Color Saturation，在充分協(xié)調(diào)之后，設(shè)定開口率的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（3）最小視訊電壓容許誤差

依據(jù)產(chǎn)品規(guī)格中的View Angle, Contrast Ratio , Response Time, 以及Supply Voltage等等，由液晶光學(xué)專業(yè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)者制定出所采用的液晶單元設(shè)計(jì)（液晶材料、模式、間隙、取向等），那么液晶單元所對(duì)應(yīng)的電壓-穿透度關(guān)系，液晶電壓-電容關(guān)系基本上就可以確定下來(lái)。根據(jù)電壓-穿透度關(guān)系和產(chǎn)品規(guī)格中的灰階數(shù)就可以決定出最小視訊電壓容許誤差（最小灰階電壓差如何確定？）。液晶的電壓－電容關(guān)系，也會(huì)作為設(shè)計(jì)時(shí)考量充電，電荷保持，電容耦合以及信號(hào)延遲等的計(jì)算基礎(chǔ)。

第二節(jié) 設(shè)計(jì)思想與步驟

1、設(shè)計(jì)思想

（1）畫素完全相同

我們知道，陣列中每個(gè)畫素的大小和形狀是一樣的，但是每個(gè)畫素的細(xì)部設(shè)計(jì)，并不一定要完全一樣，利用畫素設(shè)計(jì)的細(xì)部改變，可以解決一些問題。比如通過精密計(jì)算沿著掃描線改變TFT的寄生電容的大小，可以補(bǔ)償電容耦合效應(yīng)和信號(hào)延遲效應(yīng)，但是這樣設(shè)計(jì)會(huì)使得整個(gè)布局非常復(fù)雜，又會(huì)產(chǎn)生其他的問題，因此目前在絕大多數(shù)的TFT設(shè)計(jì)中，都是采用完全相同的畫素設(shè)計(jì)。

（2）最壞情況設(shè)計(jì)

為了使得設(shè)計(jì)出來(lái)的顯示器在各種情況下都能夠滿足驅(qū)動(dòng)原理的要求，采用的設(shè)計(jì)觀念是“最壞情況設(shè)計(jì)”，即在設(shè)計(jì)時(shí)考慮在極限情況下能夠使用，那么其他情形就沒有問題。比如畫面的幀頻在60～75Hz，則以75Hz考慮充電時(shí)間，而以60Hz考慮電荷保持時(shí)間，這樣在兩個(gè)極限條件下如果能夠滿足，其它頻率下肯定能夠滿足。

2、設(shè)計(jì)步驟

從前面的討論我們知道，在設(shè)計(jì)過程中，需要將所有的條件要同時(shí)考慮，但是同時(shí)考慮這么多的項(xiàng)目會(huì)混淆我們的思路，有沒有辦法快速的找到符合設(shè)計(jì)的方法呢？答案是肯定的。先把最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)作初步估計(jì)，找出所要設(shè)計(jì)產(chǎn)品的粗坯，結(jié)合該產(chǎn)品的考量重點(diǎn)，尋找合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，建立畫素初始布局，計(jì)算各個(gè)電容，開口率等，最后根據(jù)設(shè)計(jì)值執(zhí)行最后的布局。

第三節(jié) Array基板設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)對(duì)象及設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定

設(shè)計(jì)對(duì)象：13英寸TFT-LCD面板（下基板、上基板，液晶盒）

設(shè)計(jì)目標(biāo)：基本規(guī)格，開口率、最小視訊電壓差等

具體設(shè)計(jì)步驟：基本參數(shù)確定（尺寸、制程、電學(xué)參數(shù)等）；主要參數(shù)計(jì)算（Cs、開口率計(jì)算）；初始布局確定；驗(yàn)證；執(zhí)行最終布局

1、基本的專業(yè)規(guī)格參數(shù)設(shè)計(jì)

2、制程參數(shù)設(shè)計(jì)（制程選擇、制程準(zhǔn)則及能力限制、材料工藝參數(shù)等）

（a）制程選擇

設(shè)計(jì)一個(gè)TFT面板，必須基于一個(gè)確定的TFT制程以及制程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。和IC的制程相似，制作TFT和各電極所需的形狀，是先將這些形狀制作在掩模版上，通過光刻的方式轉(zhuǎn)寫到玻璃基板，因此，在設(shè)計(jì)之前，必須了解TFT的制程，知道Array基板上各種膜層之間的層次關(guān)系及用途。若采用的制程不同，設(shè)計(jì)原理雖然相同，但考慮的重點(diǎn)則有所變化。此處將以top ITO型的五道掩膜（見圖）為例進(jìn)行說(shuō)明。

（b）制程準(zhǔn)則及制程能力限制

制程確定后，還需了解該制程的能力限制，即制程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。這些規(guī)則由制程的能力與經(jīng)驗(yàn)所確定，其中規(guī)范了相關(guān)的能力限制以及制程中所采用的金屬和絕緣體材料的厚度和特性，在設(shè)計(jì)時(shí)，必須符合這些規(guī)則，才能在工藝上實(shí)現(xiàn)，典型的TFT設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可參考下表。共四個(gè)表，分別是材料和厚度，線寬限制，對(duì)準(zhǔn)誤差和TFT的工藝參數(shù)。

（c）材料工藝參數(shù)

相應(yīng)于本次設(shè)計(jì)，采用top ITO制程對(duì)應(yīng)的材料與工藝參數(shù)

3 驅(qū)動(dòng)相關(guān)參數(shù)

幀頻60Hz

幀掃描時(shí)間16.7ms

掃描線時(shí)間21.7μs

最小視頻電壓容許誤差：8mV

4 面板設(shè)計(jì)參數(shù)的獲得

在前面講過，圖形設(shè)計(jì)涉及很多參數(shù)，需要先定出最主要的參數(shù)。結(jié)合前面的討論，根據(jù)本書作者的經(jīng)驗(yàn)，與所有設(shè)計(jì)關(guān)系最密切的兩項(xiàng)設(shè)計(jì)值分別是存儲(chǔ)電容 的大小和TFT的通道寬度W，其他設(shè)計(jì)并非不重要，而是輕易不會(huì)改變，比如TFT的通道長(zhǎng)度，通常會(huì)設(shè)定在制作能力的最小極限，以得到最大的開電流和最小的柵極負(fù)載電容，又如柵極絕緣層或金屬導(dǎo)電層的材料和厚度等，在制程確定后，一般不會(huì)去做更動(dòng)。所以，以上面兩個(gè)最重要的參數(shù)，結(jié)合第二章的四大考量，編寫關(guān)于這兩個(gè)參數(shù)的初始設(shè)計(jì)方程式，先把存儲(chǔ)電容和通道寬度數(shù)值定下來(lái)，再進(jìn)行其它的考慮。

A、四條限制線：如何確定存儲(chǔ)電容 和溝道寬度W

如何編寫計(jì)算方程式

（1）TFT開電流的限制線

按照第二章中討論的對(duì)充電的要求，有:

C、初始布局

基于初始設(shè)計(jì)所決定的存儲(chǔ)電容大小和TFT的尺寸，就可以進(jìn)行像素的初始布局。在滿足基本參數(shù)的前提下，在合乎TFT的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下，便可繪制像素初始布局。布局的方式，不同的人，不同的公司都會(huì)有所不同。比如，同樣的存儲(chǔ)電容，可以布局成環(huán)繞像素的U字型或一字型，工字型，H型等，相同的溝道寬度，TFT也會(huì)有不同的形狀。如圖所示。無(wú)論如何改變，關(guān)鍵參數(shù)必需要滿足，且常常為了光學(xué)特性或制程良好率，也會(huì)調(diào)整TFT或存儲(chǔ)電容的形狀。作為初學(xué)者，選擇一種最簡(jiǎn)單的布局方式，底部一字型為例作介紹。

D、分析及次像素的繪制

為了繪圖準(zhǔn)確和方便，對(duì)各部分進(jìn)行粗略估算，將繪圖尺寸參數(shù)列出來(lái)，然后開始繪圖。

計(jì)算分析：

次像素大小為258×86μm，定義開口率為70％，這一部分完全依靠ITO的面積大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)計(jì)算，存儲(chǔ)電容的面積占次像素的面積是9.8%，也是依靠ITO的面積來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以，在次像素的范圍內(nèi)，ITO的面積應(yīng)占整個(gè)次像素面積至少約80％。那么掃描線與數(shù)據(jù)線及TFT所占的面積不能超過20％。我們知道，對(duì)于掃描線和數(shù)據(jù)線，掃描線的信號(hào)延遲要遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)線的信號(hào)延遲，且在高度方向的尺寸大于寬度方向的尺寸，所以數(shù)據(jù)線的寬度

E、陣列及像素陣列之外布線

次像素繪制好以后，就可進(jìn)行像素陣列，按照前面設(shè)置的1024×RGB×768，需要將次像素陣列為3072列、768行，由于AUTOCAD對(duì)如此多的數(shù)目幾乎無(wú)法運(yùn)行，所以將行列數(shù)目按倍數(shù)縮小，這里將數(shù)目確定為16×3×12。運(yùn)行結(jié)果如下。

陣列區(qū)域的總長(zhǎng)度為412.8mm，寬度為309.6mm

一個(gè)TFT-LCD面板，90%以上的面積是作為顯示用的像素陣列，也就是說(shuō)，上面已經(jīng)完成了90％面積的設(shè)計(jì)。在像素陣列之外的10％，還有很多的細(xì)節(jié)項(xiàng)目需要設(shè)計(jì)。

1、掃描線和數(shù)據(jù)線布線

在像素陣列中，掃描線與數(shù)據(jù)線是以次像素的大小為間距平行排列，但是在陣列之外，就需要與驅(qū)動(dòng)IC進(jìn)行連接，所以掃描線和數(shù)據(jù)線會(huì)根據(jù)所采用的連接方式而進(jìn)行布線。下圖是其中的一種布線方式。

2、下板共電極布線

除了掃描線和數(shù)據(jù)線以外，下板共電極在陣列外也需要連接在一起并且通過金膠點(diǎn)與上板共電極相接在一起。

至此，Array基板的內(nèi)容就設(shè)計(jì)完成了。所有這些圖形最后都是要轉(zhuǎn)移到玻璃基板上，因此在這里還需要將Array玻璃基板的尺寸定下來(lái)，除了將陣列像素和陣列外布線能夠放下以外，制程中還需要一些對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，這些標(biāo)記一般放在玻璃的邊緣或角落處。所以，顯示區(qū)的尺寸如果是13寸，考慮陣列外布線和對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，Array基板的尺寸應(yīng)大于13寸。由于這里對(duì)單個(gè)次像素進(jìn)行了放大，而數(shù)目又有減少，所以我們這里就以所畫圖形為準(zhǔn)來(lái)確定尺寸。但是如果以后在企業(yè)或是條件具備，應(yīng)該按照前面設(shè)計(jì)好的既不能放大也不能減少數(shù)目來(lái)確定。

例圖中顯示區(qū)的尺寸為412.8和309.6，陣列外布線后尺寸為458.53和320.01，因此玻璃尺寸定為461.91和324.37。具體見下圖。

F、五張掩模版設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)好的Array基板圖形，下一步就可以獲得五道掩模版的圖形。利用AUTOCAD的圖層功能，在原始圖形上，將某一層保留，而將其他圖層刪掉，便可得到相應(yīng)的掩模版。例圖中對(duì)應(yīng)的五張掩模版GE、SE、SD、CH、PE如圖所示。

第四節(jié) CF設(shè)計(jì)

1、CF結(jié)構(gòu)及工藝流程

2、CF設(shè)計(jì)（上玻璃尺寸的確定，黑色矩陣的設(shè)計(jì)，色層位置的確定等）

1、CF結(jié)構(gòu)及工藝流程

結(jié)構(gòu)及作用：

彩色濾色片基本結(jié)構(gòu)是由玻璃基板（Glass Substrate），黑色矩陣（Black Matrix），彩色層（Color Layer，即RGB），保護(hù)層（Over Coat），ITO導(dǎo)電膜組成。通過施加不同的電壓和選擇不同的像素，能夠?qū)崿F(xiàn)彩色化顯示。

各層功能及制作過程：

A、黑色矩陣

黑色矩陣主要有以下作用：第一，遮蔽像素區(qū)域（開口部分）之外的背光源的漏光；第二，防止相鄰RGB亞像素的混色，提高顯示對(duì)比度；第三，防止光造成TFT誤動(dòng)作及工作參數(shù)發(fā)生變化；第四，防止背景光的寫入（從而造成對(duì)比度低下），可明顯提高對(duì)比度等。因此，對(duì)于彩色濾色片基板來(lái)說(shuō)，形成黑色矩陣是必不可少的重要工序。

形成黑色矩陣的材料一般是黑鉻（Cr），近年來(lái)，采用黑色顏料來(lái)形成黑矩陣產(chǎn)品越來(lái)越多。首先利用濺射鍍膜法，在洗凈的玻璃基板鍍金屬鉻的薄膜。而后進(jìn)入黑色矩陣工序，在前道工序形成的黑鉻層表面，利用涂膠機(jī)均勻地涂布正光刻膠，再將全表面涂有光刻膠的玻璃基板在隧道烘干機(jī)中進(jìn)行預(yù)烘烤。之后，在玻璃基板之上放置光刻掩膜，經(jīng)過掩膜，通過紫外線對(duì)正型光刻膠照射，進(jìn)行曝光，再經(jīng)顯影。這樣，可僅保留掩膜遮蔽部分的光刻膠。再經(jīng)過刻蝕制取相應(yīng)于掩膜的黑鉻圖形，剝離光刻膠，得到的黑鉻圖形正是黑色矩陣。

B 、彩色色層

形成RGB著色層的照相刻蝕工程由光刻膠涂布、預(yù)烘烤（預(yù)焙）、曝光、顯影、洗凈、后烘烤（后焙）等工序組成。在著色層的形成過程中，每種顏色的著色層是獨(dú)立形成的。也就是說(shuō)，這樣的過程需要重復(fù)三次，才能形成所需要的RGB三色著色層。以紅色為例，首先要在已經(jīng)形成了黑矩陣的玻璃基板全表面涂布紅色顏料層，經(jīng)烘烤固化。之后，在玻璃基板之上放置光刻掩膜，經(jīng)過光刻掩膜用紫外線對(duì)顏料照射，進(jìn)行曝光，再經(jīng)顯影。這樣，可僅保留所需要紅色顏料膜的部分，由此形成紅色著色層。同理，藍(lán)色和綠色顏料膜的形成也按同樣的工序進(jìn)行。至此，就完成了RGB彩色濾光片成膜工序。

C、保護(hù)層和透明導(dǎo)電薄膜

保護(hù)膜的作用主要有兩個(gè)方面，一是防止由于彩色濾色片的污染物侵入液晶盒而引發(fā)誤動(dòng)作，二是對(duì)各色層進(jìn)行平坦化，方便在其上面進(jìn)一步制作ITO電極。保護(hù)層通過材料混合涂布，脫泡，烘烤等工序形成。而ITO薄膜通過濺射法形成。CF的形成過程可參考下圖。

2、CF設(shè)計(jì)

在TFT-LCD中，作為TFT面板對(duì)應(yīng)的上玻璃基板，色層以及黑色矩陣應(yīng)該與下板即Array基板的像素之間有一定的位置關(guān)系。即色層應(yīng)該與Array基板上液晶電容的電極，即像素電極除去存儲(chǔ)電容電極的那一部分電極對(duì)應(yīng)起來(lái)，而其他的部分應(yīng)該由黑色矩陣進(jìn)行遮蔽。這也是CF各功能層的形狀在設(shè)計(jì)時(shí)的主要依據(jù)。若是黑色矩陣設(shè)計(jì)還不能將漏光等完全遮蔽，可以計(jì)算一下漏光面積，若是不嚴(yán)重，則可以采用，若是漏光嚴(yán)重，那么就要調(diào)整Array基板的設(shè)計(jì)了。

A、上玻璃基板尺寸的確定以及與Array基板的位置關(guān)系

從TFT的結(jié)構(gòu)和原理我們知道，CF板即上玻璃基板的每一個(gè)色層需要與Array基板的每一個(gè)次像素或像素對(duì)應(yīng)。那么在Array的顯示區(qū)范圍上，CF基板需要形成和Array對(duì)應(yīng)的部分，而在Array基板陣列外，即顯示區(qū)外的掃描線和數(shù)據(jù)線布線區(qū)域，CF板是不需要和其對(duì)應(yīng)的，且必須是將下板的陣列外布線區(qū)域露在外面以便和IC連接。而對(duì)于下板共電極布線區(qū)域，需要與上板共電極相接，所以CF在這部分應(yīng)該與Array對(duì)應(yīng)。這樣基本可以確定出CF基板的位置和大概尺寸。CF基板左邊緣和上邊緣與下板平齊，而右邊緣和下邊緣將掃描線和數(shù)據(jù)線布線露出。具體如圖所示。

B、色層的設(shè)計(jì)

這里采用每一個(gè)色層單元與每一個(gè)次像素一一對(duì)應(yīng)，所以將色層的形狀和尺寸確定為與液晶電容的電極相同，且上下對(duì)應(yīng)，這樣可將一個(gè)像素對(duì)應(yīng)的CF基板上的色層位置和大小確定下來(lái)。然后分別陣列即可獲得三張色層掩模版。這里要注意的是，上下基板是面對(duì)面貼合在一起的，所以，CF板的左上角像素應(yīng)該與Array板的右上角對(duì)應(yīng)，因此，還需將圖形進(jìn)行鏡像。三張色層掩模版設(shè)計(jì)過程如圖所示。

C、黑色矩陣設(shè)計(jì)

理論上，除了色層部分外，其余區(qū)域必須通過黑色矩陣遮蔽，所以黑色矩陣在設(shè)計(jì)上與色層掩模版是互補(bǔ)的，所以這里在設(shè)計(jì)黑色矩陣時(shí)，直接使用三張色層套構(gòu)在一起的互補(bǔ)圖形。如圖所示。

第五節(jié) 單個(gè)產(chǎn)品CELL掩模版設(shè)計(jì)

Cell盒的制作工程是利用前兩節(jié)陣列制作工程所述的Array陣列基板和CF基板，使二者對(duì)位貼合而組裝成LCD盒。這種液晶盒制作工程，包括取向膜形成（常用聚酰亞胺薄膜，即PI膜）、取向處理、絲印邊框（邊框膠涂敷），對(duì)位壓合、液晶注入等，是液晶顯示器所獨(dú)有的制作工程，對(duì)顯示器的顯示質(zhì)量有決定性的影響，是十分重要的工程。在這些工序中，取向劑涂敷和絲印邊框還需要兩張掩模版，分別為取向劑掩模版（PI版）和絲印邊框掩模版（Seal版），這兩張板也需要提前設(shè)計(jì)。

1、PI掩模版設(shè)計(jì)

取向膜形成工程，即PI涂布，是為了使液晶分子沿特定方向取向排列，該取向膜采用聚酰亞胺樹脂材料，厚度為10~100nm，其形成一般采用印刷法。取向膜形成之后，還要在取向膜上形成按一定方向排列的溝槽，以使液晶分子按一定方向取向排列，一般是通過摩擦進(jìn)行。我們知道，取向劑主要是幫助液晶分子進(jìn)行取向的，所以其涂敷范圍應(yīng)該將液晶分子所到之處全部覆蓋，這樣就可以確定出PI版的對(duì)應(yīng)于一個(gè)產(chǎn)品的圖形了，即PI版的圖形。例圖中，將顯示區(qū)域直接作為一個(gè)產(chǎn)品的PI版。 如圖所示。

2、SEAL掩模版設(shè)計(jì)

在完成取向處理后，需要將兩塊玻璃基板在保持一定間隙的條件下對(duì)位貼合，所以首先在CF基板上散布隔離子，該隔離子決定了液晶盒的厚度，一般散布的是粒徑分布集中的塑料圓球。同時(shí)，為防止貼合的兩塊基板間隙中的液晶材料流出，在液晶盒的四周構(gòu)筑“圍墻”，即封接材料。，這里采用滴入式液晶注入，所以不需要留液晶灌注口。一般情況下，封框膠會(huì)涂敷在以小玻璃（此處對(duì)應(yīng)CF板）邊緣向內(nèi)0.5mm的范圍內(nèi)，這樣，一個(gè)產(chǎn)品的Seal板的圖形就可以確定了。

對(duì)位標(biāo)記

無(wú)論上板或下板，所有的圖形在基板上的位置必須嚴(yán)格套準(zhǔn)，所以在設(shè)計(jì)完成后，還需要制作相應(yīng)的對(duì)位標(biāo)記，這些標(biāo)記主要有：

1、Array基板：光刻掩模版對(duì)位標(biāo)記（5個(gè)），下板標(biāo)記；

2、CF板：光刻掩模版標(biāo)記（4個(gè)）上板標(biāo)記；

3、CLEE盒：邊框位置標(biāo)記，絲網(wǎng)與玻璃對(duì)位標(biāo)記，PI涂敷標(biāo)記，上下板壓合對(duì)位標(biāo)記；

*內(nèi)容摘自小胡講觸控技術(shù)

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