TFT-LCD屏設計思路整合(CF/Array/Cell 設計)

DAS BG CTO知識管理科 出品

第634篇推文

主要內容

1、認識產品規格

2、設計思想與步驟

3、Array基板設計

4、CF設計

5、Cell設計

第一節 認識TFT-LCD的產品規格

1、基本規格 （設計規格）

作為一個設計者，首先對於顯示屏的設計規格一定要有所了解。顯示器的規格，很難有一個完全的定義，因為產品對於消費者而言更多的是主觀的感覺，不同廠商提供的顯示器規格，也會有所差別，但是對設計者而言，需要把客戶的要求、廠商的要求轉化成客觀量化的數據作為設計的目標，也就是要轉化成可設計的規格。即設計規格（專業規格）。下表中給出了一些顯示器件的最基本的規格參數。

2、各專業領域的整合（其它專業規格）

TFT是一種整合多元知識的技術，是「光、電、機」的一個綜合體，牽涉了很多原理，所以一個TFT-LCD也是由各個專業領域的設計者一同努力所設計出來的，除了所著重的TFT面板本身以外，以下幾個領域的設計也是非常重要的。

（1）液晶光學、色度學設計

這個領域需要熟知液晶的物理材料特性和光學知識，負責設計產品的液晶模式，包括其材料，間隙，配向角度，偏光片角度，光學補償膜等等，以符合產品規格中的視角，亮度，對比和反應時間等要求，也要設計彩色濾光片的三原色之色坐標，以符合產品規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，也是該領域要考慮的。

（2）模組機構設計

該領域要熟知各機械零件和力學知識，負責設計產品的外觀，選用各零件的材料與製程，以符合產品規格中尺寸，重量等需求，並使模組組裝生產過程流暢易行，另外，背光模組和光學膜的選用，涉及產品厚度，重量和功率消耗，也需要與其他方面的設計一起考慮。

（3）電子系統設計

該領域熟知各電子零件和電學知識，以及各種顯示界面的定義，以負責設計產品的驅動系統，符合產品規格中系統界面，功率消耗，操作電壓等要求。

3、產品規格的協調製定

對於TFT-LCD，包含很多的專業領域的知識，自然也就涉及很多的專業規格，這些專業規格彼此並不是孤立的，設計時也並不是所有規格的一個簡單的加和，而是要互相協調，明確設計目標及定位，才能保證產品的最終設計成功。

專業規格協調舉例

（1）厚度

產品的厚度，它是很多零組件厚度的總和，包括兩塊玻璃基板，兩個偏光片，光學補償膜，光學增亮膜，背光模組，框架等，如果要減少設計的厚度以符合產品要求，可以採用薄型偏光片而增加成本，也可以選擇減少光學補償膜而犧牲視角，也可以選擇光學增亮膜而犧牲亮度，也可採用薄型框架而增加破損的風險，至於要採取哪一種方法，就要視產品的定位和其他規格的競爭力而定，並沒有一定的答案。

（2）亮度

TFT-LCD模組成品的亮度，是光源強度和光效率的乘積，以表中產品為例，亮度要求為假設既有的產品設計，是使用亮度為的CCFL背光源，而液晶單元的光效為7.35％，像素的開口率為85％，則得到的亮度會是

為了要達成產品要求，可以使用亮度提高到背光源，但是會增加消耗功率，燈管的壽命也會減少，也可以設法增加液晶單元本身的光效率到8.82％，也可以設法增加像素的開口率。此時可以協調成：採用的背光源，使液晶單元的光效率增加為8.1％，像素的開口率為88％，使得到的亮度成為

再由各設計領域協調決定其專業規格，此時需要液晶光學設計的專業去努力的將原來的光效提高到8.12％，也許要採用新的模式，也許要降低色彩飽和度，假設在各專業領域努力之後，仍無法達成要求，此時便需要重新進行協調，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，因此又使像素的充電和電容耦合效應改變，於是又要重新設計一次像素，又有新的開口率設計，可以想像，產品的規格進步，需要各領域一再的設法協調，以定出各專業規格。

4、和面板設計相關的專業規格

在經過產品規格的協調製定後，就可將其中的一些規格，轉換成各領域的專業規格，與TFT面板設計相關的專業規格有：

（1）次像素大小和像素陣列數目

根據產品規格中的Size, Resolution, Aspect Ratio Active Area,可以得知次像素的大小和像素陣列數目，這些規格是不需要進行協調的。

（2）開口率

依據產品規格中的Brightness和Color Saturation，在充分協調之後，設定開口率的設計目標。

（3）最小視訊電壓容許誤差

依據產品規格中的View Angle, Contrast Ratio , Response Time, 以及Supply Voltage等等，由液晶光學專業領域設計者制定出所採用的液晶單元設計（液晶材料、模式、間隙、取向等），那麼液晶單元所對應的電壓-穿透度關係，液晶電壓-電容關係基本上就可以確定下來。根據電壓-穿透度關係和產品規格中的灰階數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－電容關係，也會作為設計時考量充電，電荷保持，電容耦合以及信號延遲等的計算基礎。

第二節 設計思想與步驟

1、設計思想

（1）像素完全相同

我們知道，陣列中每個像素的大小和形狀是一樣的，但是每個像素的細部設計，並不一定要完全一樣，利用像素設計的細部改變，可以解決一些問題。比如通過精密計算沿著掃描線改變TFT的寄生電容的大小，可以補償電容耦合效應和信號延遲效應，但是這樣設計會使得整個布局非常複雜，又會產生其他的問題，因此目前在絕大多數的TFT設計中，都是採用完全相同的像素設計。

（2）最壞情況設計

為了使得設計出來的顯示器在各種情況下都能夠滿足驅動原理的要求，採用的設計觀念是「最壞情況設計」，即在設計時考慮在極限情況下能夠使用，那麼其他情形就沒有問題。比如畫面的幀頻在60～75Hz，則以75Hz考慮充電時間，而以60Hz考慮電荷保持時間，這樣在兩個極限條件下如果能夠滿足，其它頻率下肯定能夠滿足。

2、設計步驟

從前面的討論我們知道，在設計過程中，需要將所有的條件要同時考慮，但是同時考慮這麼多的項目會混淆我們的思路，有沒有辦法快速的找到符合設計的方法呢？答案是肯定的。先把最重要的設計參數作初步估計，找出所要設計產品的粗坯，結合該產品的考量重點，尋找合理的設計參數，建立像素初始布局，計算各個電容，開口率等，最後根據設計值執行最後的布局。

第三節 Array基板設計

設計對象及設計目標的確定

設計對象：13英寸TFT-LCD面板（下基板、上基板，液晶盒）

設計目標：基本規格，開口率、最小視訊電壓差等

具體設計步驟：基本參數確定（尺寸、製程、電學參數等）；主要參數計算（Cs、開口率計算）；初始布局確定；驗證；執行最終布局

1、基本的專業規格參數設計

2、製程參數設計（製程選擇、製程準則及能力限制、材料工藝參數等）

（a）製程選擇

設計一個TFT面板，必須基於一個確定的TFT製程以及製程設計準則。和IC的製程相似，製作TFT和各電極所需的形狀，是先將這些形狀製作在掩模版上，通過光刻的方式轉寫到玻璃基板，因此，在設計之前，必須了解TFT的製程，知道Array基板上各種膜層之間的層次關係及用途。若採用的製程不同，設計原理雖然相同，但考慮的重點則有所變化。此處將以top ITO型的五道掩膜（見圖）為例進行說明。

（b）製程準則及製程能力限制

製程確定後，還需了解該製程的能力限制，即製程設計準則。這些規則由製程的能力與經驗所確定，其中規範了相關的能力限制以及製程中所採用的金屬和絕緣體材料的厚度和特性，在設計時，必須符合這些規則，才能在工藝上實現，典型的TFT設計準則可參考下表。共四個表，分別是材料和厚度，線寬限制，對準誤差和TFT的工藝參數。

（c）材料工藝參數

相應於本次設計，採用top ITO製程對應的材料與工藝參數

3 驅動相關參數

幀頻60Hz

幀掃描時間16.7ms

掃描線時間21.7μs

最小視頻電壓容許誤差：8mV

4 面板設計參數的獲得

在前面講過，圖形設計涉及很多參數，需要先定出最主要的參數。結合前面的討論，根據本書作者的經驗，與所有設計關係最密切的兩項設計值分別是存儲電容 的大小和TFT的通道寬度W，其他設計並非不重要，而是輕易不會改變，比如TFT的通道長度，通常會設定在製作能力的最小極限，以得到最大的開電流和最小的柵極負載電容，又如柵極絕緣層或金屬導電層的材料和厚度等，在製程確定後，一般不會去做更動。所以，以上面兩個最重要的參數，結合第二章的四大考量，編寫關於這兩個參數的初始設計方程式，先把存儲電容和通道寬度數值定下來，再進行其它的考慮。

A、四條限制線：如何確定存儲電容 和溝道寬度W

如何編寫計算方程式

（1）TFT開電流的限制線

按照第二章中討論的對充電的要求，有:

C、初始布局

基於初始設計所決定的存儲電容大小和TFT的尺寸，就可以進行像素的初始布局。在滿足基本參數的前提下，在合乎TFT的設計準則下，便可繪製像素初始布局。布局的方式，不同的人，不同的公司都會有所不同。比如，同樣的存儲電容，可以布局成環繞像素的U字型或一字型，工字型，H型等，相同的溝道寬度，TFT也會有不同的形狀。如圖所示。無論如何改變，關鍵參數必需要滿足，且常常為了光學特性或製程良好率，也會調整TFT或存儲電容的形狀。作為初學者，選擇一種最簡單的布局方式，底部一字型為例作介紹。

D、分析及次像素的繪製

為了繪圖準確和方便，對各部分進行粗略估算，將繪圖尺寸參數列出來，然後開始繪圖。

計算分析：

次像素大小為258×86μm，定義開口率為70％，這一部分完全依靠ITO的面積大小來實現，根據計算，存儲電容的面積佔次像素的面積是9.8%，也是依靠ITO的面積來實現，所以，在次像素的範圍內，ITO的面積應佔整個次像素麵積至少約80％。那麼掃描線與數據線及TFT所佔的面積不能超過20％。我們知道，對於掃描線和數據線，掃描線的信號延遲要遠大於數據線的信號延遲，且在高度方向的尺寸大於寬度方向的尺寸，所以數據線的寬度

E、陣列及像素陣列之外布線

次像素繪製好以後，就可進行像素陣列，按照前面設置的1024×RGB×768，需要將次像素陣列為3072列、768行，由於AUTOCAD對如此多的數目幾乎無法運行，所以將行列數目按倍數縮小，這裡將數目確定為16×3×12。運行結果如下。

陣列區域的總長度為412.8mm，寬度為309.6mm

一個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，上面已經完成了90％面積的設計。在像素陣列之外的10％，還有很多的細節項目需要設計。

1、掃描線和數據線布線

在像素陣列中，掃描線與數據線是以次像素的大小為間距平行排列，但是在陣列之外，就需要與驅動IC進行連接，所以掃描線和數據線會根據所採用的連接方式而進行布線。下圖是其中的一種布線方式。

2、下板共電極布線

除了掃描線和數據線以外，下板共電極在陣列外也需要連接在一起並且通過金膠點與上板共電極相接在一起。

至此，Array基板的內容就設計完成了。所有這些圖形最後都是要轉移到玻璃基板上，因此在這裡還需要將Array玻璃基板的尺寸定下來，除了將陣列像素和陣列外布線能夠放下以外，製程中還需要一些對準標記，這些標記一般放在玻璃的邊緣或角落處。所以，顯示區的尺寸如果是13寸，考慮陣列外布線和對準標記，Array基板的尺寸應大於13寸。由於這裡對單個次像素進行了放大，而數目又有減少，所以我們這裡就以所畫圖形為準來確定尺寸。但是如果以後在企業或是條件具備，應該按照前面設計好的既不能放大也不能減少數目來確定。

例圖中顯示區的尺寸為412.8和309.6，陣列外布線後尺寸為458.53和320.01，因此玻璃尺寸定為461.91和324.37。具體見下圖。

F、五張掩模版設計

根據設計好的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，便可得到相應的掩模版。例圖中對應的五張掩模版GE、SE、SD、CH、PE如圖所示。

第四節 CF設計

1、CF結構及工藝流程

2、CF設計（上玻璃尺寸的確定，黑色矩陣的設計，色層位置的確定等）

1、CF結構及工藝流程

結構及作用：

彩色濾色片基本結構是由玻璃基板（Glass Substrate），黑色矩陣（Black Matrix），彩色層（Color Layer，即RGB），保護層（Over Coat），ITO導電膜組成。通過施加不同的電壓和選擇不同的像素，能夠實現彩色化顯示。

各層功能及製作過程：

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，提高顯示對比度；第三，防止光造成TFT誤動作及工作參數發生變化；第四，防止背景光的寫入（從而造成對比度低下），可明顯提高對比度等。因此，對於彩色濾色片基板來說，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，採用黑色顏料來形成黑矩陣產品越來越多。首先利用濺射鍍膜法，在洗淨的玻璃基板鍍金屬鉻的薄膜。而後進入黑色矩陣工序，在前道工序形成的黑鉻層表面，利用塗膠機均勻地塗布正光刻膠，再將全表面塗有光刻膠的玻璃基板在隧道烘乾機中進行預烘烤。之後，在玻璃基板之上放置光刻掩膜，經過掩膜，通過紫外線對正型光刻膠照射，進行曝光，再經顯影。這樣，可僅保留掩膜遮蔽部分的光刻膠。再經過刻蝕製取相應於掩膜的黑鉻圖形，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塗布、預烘烤（預焙）、曝光、顯影、洗淨、後烘烤（後焙）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立形成的。也就是說，這樣的過程需要重複三次，才能形成所需要的RGB三色著色層。以紅色為例，首先要在已經形成了黑矩陣的玻璃基板全表面塗布紅色顏料層，經烘烤固化。之後，在玻璃基板之上放置光刻掩膜，經過光刻掩膜用紫外線對顏料照射，進行曝光，再經顯影。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，藍色和綠色顏料膜的形成也按同樣的工序進行。至此，就完成了RGB彩色濾光片成膜工序。

C、保護層和透明導電薄膜

保護膜的作用主要有兩個方面，一是防止由於彩色濾色片的汙染物侵入液晶盒而引發誤動作，二是對各色層進行平坦化，方便在其上面進一步製作ITO電極。保護層通過材料混合塗布，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設計

在TFT-LCD中，作為TFT面板對應的上玻璃基板，色層以及黑色矩陣應該與下板即Array基板的像素之間有一定的位置關係。即色層應該與Array基板上液晶電容的電極，即像素電極除去存儲電容電極的那一部分電極對應起來，而其他的部分應該由黑色矩陣進行遮蔽。這也是CF各功能層的形狀在設計時的主要依據。若是黑色矩陣設計還不能將漏光等完全遮蔽，可以計算一下漏光面積，若是不嚴重，則可以採用，若是漏光嚴重，那麼就要調整Array基板的設計了。

A、上玻璃基板尺寸的確定以及與Array基板的位置關係

從TFT的結構和原理我們知道，CF板即上玻璃基板的每一個色層需要與Array基板的每一個次像素或像素對應。那麼在Array的顯示區範圍上，CF基板需要形成和Array對應的部分，而在Array基板陣列外，即顯示區外的掃描線和數據線布線區域，CF板是不需要和其對應的，且必須是將下板的陣列外布線區域露在外面以便和IC連接。而對於下板共電極布線區域，需要與上板共電極相接，所以CF在這部分應該與Array對應。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據線布線露出。具體如圖所示。

B、色層的設計

這裡採用每一個色層單元與每一個次像素一一對應，所以將色層的形狀和尺寸確定為與液晶電容的電極相同，且上下對應，這樣可將一個像素對應的CF基板上的色層位置和大小確定下來。然後分別陣列即可獲得三張色層掩模版。這裡要注意的是，上下基板是面對面貼合在一起的，所以，CF板的左上角像素應該與Array板的右上角對應，因此，還需將圖形進行鏡像。三張色層掩模版設計過程如圖所示。

C、黑色矩陣設計

理論上，除了色層部分外，其餘區域必須通過黑色矩陣遮蔽，所以黑色矩陣在設計上與色層掩模版是互補的，所以這裡在設計黑色矩陣時，直接使用三張色層套構在一起的互補圖形。如圖所示。

第五節 單個產品CELL掩模版設計

Cell盒的製作工程是利用前兩節陣列製作工程所述的Array陣列基板和CF基板，使二者對位貼合而組裝成LCD盒。這種液晶盒製作工程，包括取向膜形成（常用聚醯亞胺薄膜，即PI膜）、取向處理、絲印邊框（邊框膠塗敷），對位壓合、液晶注入等，是液晶顯示器所獨有的製作工程，對顯示器的顯示質量有決定性的影響，是十分重要的工程。在這些工序中，取向劑塗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計。

1、PI掩模版設計

取向膜形成工程，即PI塗布，是為了使液晶分子沿特定方向取向排列，該取向膜採用聚醯亞胺樹脂材料，厚度為10~100nm，其形成一般採用印刷法。取向膜形成之後，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，一般是通過摩擦進行。我們知道，取向劑主要是幫助液晶分子進行取向的，所以其塗敷範圍應該將液晶分子所到之處全部覆蓋，這樣就可以確定出PI版的對應於一個產品的圖形了，即PI版的圖形。例圖中，將顯示區域直接作為一個產品的PI版。 如圖所示。

2、SEAL掩模版設計

在完成取向處理後，需要將兩塊玻璃基板在保持一定間隙的條件下對位貼合，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，為防止貼合的兩塊基板間隙中的液晶材料流出，在液晶盒的四周構築「圍牆」，即封接材料。，這裡採用滴入式液晶注入，所以不需要留液晶灌注口。一般情況下，封框膠會塗敷在以小玻璃（此處對應CF板）邊緣向內0.5mm的範圍內，這樣，一個產品的Seal板的圖形就可以確定了。

對位標記

無論上板或下板，所有的圖形在基板上的位置必須嚴格套準，所以在設計完成後，還需要製作相應的對位標記，這些標記主要有：

1、Array基板：光刻掩模版對位標記（5個），下板標記；

2、CF板：光刻掩模版標記（4個）上板標記；

3、CLEE盒：邊框位置標記，絲網與玻璃對位標記，PI塗敷標記，上下板壓合對位標記；

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文章來源：國際全觸與顯示展 

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