CELL

主要內(nèi)容

1、認識產(chǎn)品規(guī)格

2、設(shè)計思想與步驟

3、Array基板設(shè)計

4、CF設(shè)計

5、Cell設(shè)計

第一節(jié) 認識TFT-LCD的產(chǎn)品規(guī)格

1、基本規(guī)格 （設(shè)計規(guī)格）

作為一個設(shè)計者，首先對于顯示屏的設(shè)計規(guī)格一定要有所了解。顯示器的規(guī)格，很難有一個完全的定義，因為產(chǎn)品對于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(guī)格，也會有所差別，但是對設(shè)計者而言，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)計的目標，也就是要轉(zhuǎn)化成可設(shè)計的規(guī)格。即設(shè)計規(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的技術(shù)，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(yè)領(lǐng)域的設(shè)計者一同努力所設(shè)計出來的，除了所著重的TFT面板本身以外，以下幾個領(lǐng)域的設(shè)計也是非常重要的。

（1）液晶光學(xué)、色度學(xué)設(shè)計

這個領(lǐng)域需要熟知液晶的物理材料特性和光學(xué)知識，負責設(shè)計產(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)補償膜等等，以符合產(chǎn)品規(guī)格中的視角，亮度，對比和反應(yīng)時間等要求，也要設(shè)計彩色濾光片的三原色之色坐標，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）模組機構(gòu)設(shè)計

該領(lǐng)域要熟知各機械零件和力學(xué)知識，負責設(shè)計產(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)計一起考慮。

（3）電子系統(tǒng)設(shè)計

該領(lǐng)域熟知各電子零件和電學(xué)知識，以及各種顯示界面的定義，以負責設(shè)計產(chǎn)品的驅(qū)動系統(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

對于TFT-LCD，包含很多的專業(yè)領(lǐng)域的知識，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)計時也并不是所有規(guī)格的一個簡單的加和，而是要互相協(xié)調(diào)，明確設(shè)計目標及定位，才能保證產(chǎn)品的最終設(shè)計成功。

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，兩個偏光片，光學(xué)補償膜，光學(xué)增亮膜，背光模組，框架等，如果要減少設(shè)計的厚度以符合產(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險，至于要采取哪一種方法，就要視產(chǎn)品的定位和其他規(guī)格的競爭力而定，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，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％，則得到的亮度會是

為了要達成產(chǎn)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(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)計領(lǐng)域協(xié)調(diào)決定其專業(yè)規(guī)格，此時需要液晶光學(xué)設(shè)計的專業(yè)去努力的將原來的光效提高到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，仍無法達成要求，此時便需要重新進行協(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)計一次畫素，又有新的開口率設(shè)計，可以想象，產(chǎn)品的規(guī)格進步，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)計目標。

（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)計者制定出所采用的液晶單元設(shè)計（液晶材料、模式、間隙、取向等），那么液晶單元所對應(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。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，也會作為設(shè)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(chǔ)。

第二節(jié) 設(shè)計思想與步驟

1、設(shè)計思想

（1）畫素完全相同

我們知道，陣列中每個畫素的大小和形狀是一樣的，但是每個畫素的細部設(shè)計，并不一定要完全一樣，利用畫素設(shè)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(yīng)和信號延遲效應(yīng)，但是這樣設(shè)計會使得整個布局非常復(fù)雜，又會產(chǎn)生其他的問題，因此目前在絕大多數(shù)的TFT設(shè)計中，都是采用完全相同的畫素設(shè)計。

（2）最壞情況設(shè)計

為了使得設(shè)計出來的顯示器在各種情況下都能夠滿足驅(qū)動原理的要求，采用的設(shè)計觀念是“最壞情況設(shè)計”，即在設(shè)計時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(shè)計步驟

從前面的討論我們知道，在設(shè)計過程中，需要將所有的條件要同時考慮，但是同時考慮這么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(shè)計的方法呢？答案是肯定的。先把最重要的設(shè)計參數(shù)作初步估計，找出所要設(shè)計產(chǎn)品的粗坯，結(jié)合該產(chǎn)品的考量重點，尋找合理的設(shè)計參數(shù)，建立畫素初始布局，計算各個電容，開口率等，最后根據(jù)設(shè)計值執(zhí)行最后的布局。

第三節(jié) Array基板設(shè)計

設(shè)計對象及設(shè)計目標的確定

設(shè)計對象：13英寸TFT-LCD面板（下基板、上基板，液晶盒）

設(shè)計目標：基本規(guī)格，開口率、最小視訊電壓差等

具體設(shè)計步驟：基本參數(shù)確定（尺寸、制程、電學(xué)參數(shù)等）；主要參數(shù)計算（Cs、開口率計算）；初始布局確定；驗證；執(zhí)行最終布局

1、基本的專業(yè)規(guī)格參數(shù)設(shè)計

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

（a）制程選擇

設(shè)計一個TFT面板，必須基于一個確定的TFT制程以及制程設(shè)計準則。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）制程準則及制程能力限制

制程確定后，還需了解該制程的能力限制，即制程設(shè)計準則。這些規(guī)則由制程的能力與經(jīng)驗所確定，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)計時，必須符合這些規(guī)則，才能在工藝上實現(xiàn)，典型的TFT設(shè)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(shù)。

（c）材料工藝參數(shù)

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

3 驅(qū)動相關(guān)參數(shù)

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(shè)計參數(shù)的獲得

在前面講過，圖形設(shè)計涉及很多參數(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，與所有設(shè)計關(guān)系最密切的兩項設(shè)計值分別是存儲電容 的大小和TFT的通道寬度W，其他設(shè)計并非不重要，而是輕易不會改變，比如TFT的通道長度，通常會設(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，一般不會去做更動。所以，以上面兩個最重要的參數(shù)，結(jié)合第二章的四大考量，編寫關(guān)于這兩個參數(shù)的初始設(shè)計方程式，先把存儲電容和通道寬度數(shù)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

基于初始設(shè)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(shù)的前提下，在合乎TFT的設(shè)計準則下，便可繪制像素初始布局。布局的方式，不同的人，不同的公司都會有所不同。比如，同樣的存儲電容，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也會有不同的形狀。如圖所示。無論如何改變，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，也會調(diào)整TFT或存儲電容的形狀。作為初學(xué)者，選擇一種最簡單的布局方式，底部一字型為例作介紹。

D、分析及次像素的繪制

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(shù)列出來，然后開始繪圖。

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(xiàn)，根據(jù)計算，存儲電容的面積占次像素的面積是9.8%，也是依靠ITO的面積來實現(xiàn)，所以，在次像素的范圍內(nèi)，ITO的面積應(yīng)占整個次像素面積至少約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，對于掃描線和數(shù)據(jù)線，掃描線的信號延遲要遠大于數(shù)據(jù)線的信號延遲，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對如此多的數(shù)目幾乎無法運行，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。運行結(jié)果如下。

陣列區(qū)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(jīng)完成了90％面積的設(shè)計。在像素陣列之外的10％，還有很多的細節(jié)項目需要設(shè)計。

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IC進行連接，所以掃描線和數(shù)據(jù)線會根據(jù)所采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(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與上板共電極相接在一起。

至此，Array基板的內(nèi)容就設(shè)計完成了。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，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(qū)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(yīng)大于13寸。由于這里對單個次像素進行了放大，而數(shù)目又有減少，所以我們這里就以所畫圖形為準來確定尺寸。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)計好的既不能放大也不能減少數(shù)目來確定。

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

根據(jù)設(shè)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(yīng)的掩模版。例圖中對應(yīng)的五張掩模版GE、SE、SD、CH、PE如圖所示。

第四節(jié) CF設(shè)計

1、CF結(jié)構(gòu)及工藝流程

2、CF設(shè)計（上玻璃尺寸的確定，黑色矩陣的設(shè)計，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，提高顯示對比度；第三，防止光造成TFT誤動作及工作參數(shù)發(fā)生變化；第四，防止背景光的寫入（從而造成對比度低下），可明顯提高對比度等。因此，對于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，采用黑色顏料來形成黑矩陣產(chǎn)品越來越多。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中進行預(yù)烘烤。之后，在玻璃基板之上放置光刻掩膜，經(jīng)過掩膜，通過紫外線對正型光刻膠照射，進行曝光，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立形成的。也就是說，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顏料照射，進行曝光，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(dǎo)電薄膜

保護膜的作用主要有兩個方面，一是防止由于彩色濾色片的污染物侵入液晶盒而引發(fā)誤動作，二是對各色層進行平坦化，方便在其上面進一步制作ITO電極。保護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

在TFT-LCD中，作為TFT面板對應(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電容電極的那一部分電極對應(yīng)起來，而其他的部分應(yīng)該由黑色矩陣進行遮蔽。這也是CF各功能層的形狀在設(shè)計時的主要依據(jù)。若是黑色矩陣設(shè)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，則可以采用，若是漏光嚴重，那么就要調(diào)整Array基板的設(shè)計了。

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色層需要與Array基板的每一個次像素或像素對應(yīng)。那么在Array的顯示區(qū)范圍上，CF基板需要形成和Array對應(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

這里采用每一個色層單元與每一個次像素一一對應(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，且上下對應(yīng)，這樣可將一個像素對應(yīng)的CF基板上的色層位置和大小確定下來。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板的右上角對應(yīng)，因此，還需將圖形進行鏡像。三張色層掩模版設(shè)計過程如圖所示。

C、黑色矩陣設(shè)計

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)計上與色層掩模版是互補的，所以這里在設(shè)計黑色矩陣時，直接使用三張色層套構(gòu)在一起的互補圖形。如圖所示。

第五節(jié) 單個產(chǎn)品CELL掩模版設(shè)計

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），對位壓合、液晶注入等，是液晶顯示器所獨有的制作工程，對顯示器的顯示質(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。

1、PI掩模版設(shè)計

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版的對應(yīng)于一個產(chǎn)品的圖形了，即PI版的圖形。例圖中，將顯示區(qū)域直接作為一個產(chǎn)品的PI版。 如圖所示。

2、SEAL掩模版設(shè)計

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(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，封框膠會涂敷在以小玻璃（此處對應(yīng)CF板）邊緣向內(nèi)0.5mm的范圍內(nèi)，這樣，一個產(chǎn)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(shè)計完成后，還需要制作相應(yīng)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(wǎng)與玻璃對位標記，PI涂敷標記，上下板壓合對位標記；

*內(nèi)容摘自小胡講觸控技術(shù)

主辦