显示面板设计的方法学

显示面板设计的方法学

0显示面板设计流程概述经过多年的努力，中国的日化行业（fsd）取得了很大进步。人们过去常说的“芯少脉少”现在变成了“芯少魂”。字的差异反映了绘画的问题，该问题得到了解决。我国液晶面板（LCD)和集成电路设计一样，电子设计自动化（EDA）也是显示面板电路设计的基石。显示面板设计流程包括面板电路原理图设计、版图设计、电路仿真、电路版图寄生参数提取、电路设计验证等，和模拟集成电路设计流程相似，但也有其独特的设计流程与设计方法学，如图1所示。早期国内显示面板的设计流程将就国外EDA工具拼凑实现。要完成一个上述流程的设计，需要多家国外厂商的EDA工具。由于用户需要在这些厂商EDA工具之间频繁切换，造成设计流程繁琐，数据的兼容性、保密性都不够好，出了问题不易追查，造成相互扯皮，效率低下，耽误工期，并影响产品质量的提升。另外，这些工具基本都是来自集成电路设计的工具，在解决显示面板特有的专业需求及定制化开发方面都有明显欠缺。因此，为解决用户的各种难题，急需开发出显示面板设计的EDA全流程解决方案，所有工具有机地整合在统一的EDA平台，使显示面板设计流程变得高效平滑，确保设计质量，提升设计效率。同时，为满足日新月异的高端及新型显示面板的设计要求及国内客户的定制化要求，需要不断地开发新功能和新产品，提高显示面板EDA工具在全球的先进性和竞争力。1高效的设计及分析本团队推出了全球唯一的显示面板EDA设计全流程系统。图2列出了该系统的主要工具，包括TCAD、SPICE建模、电路原理图设计、版图设计、电路仿真、电路仿真波形分析、寄生RC提取、版图物理及电学验证、全面板级版图分析，及掩膜版分析等，实现了全流程覆盖，数据传递平滑，极大地提升了设计效率。除了实现了全球唯一的显示面板设计全流程解决方案，在满足LCD常规设计基础上，为满足中国大陆面板产业飞速发展的需要，华大九天紧跟面板设计需求的前沿，特别是针对目前热门的异形设计、OLED高端显示、触控屏下面介绍其中的一些主要工具与技术。2器件特性分析方法EsimFPDModel是专门为显示面板设计的SPICE模型参数提取优化软件。传统的薄膜晶体管（TFT)RPI模型在非晶硅（A-Si)考虑到工艺波动对器件特性带来的影响，在传统建模方法学上进行了改进，基于大量采样数据，对器件特性进行统计分析，提取出考虑了工艺各批次扰动的工艺角模型及统计模型，为后续的显示面板电路设计预留尽量小的合理余量，提高产品性能及良率。为进一步提高模型的精度，基于器件物理的几何依赖性，考虑了器件特性随TFT器件长宽方向的变化规律，开发出可支持器件尺寸扩展的bin模型本团队的工作已扩展到支持OLED、氧化物半导体TFT(IGZO)另外，支持TFT器件可靠性建模3异形面板电路的实现显示面板设计主要包含电路原理图设计和版图设计。原理图设计主要用于对显示面板的像素单元、控制（GOA）单元以及面板整体的电路设计。原理图设计一方面提供用于对设计进行电路仿真所需的电路输入，另一方面也作为电路数据提供给后续的原理图与版图（LVS）验证工具验证两者的一致性。传统矩形面板设计其电路相对比较简单，阵列设计很规则，只是重复规模较大。例如4K显示面板，需要支持4096×2160约八百万个像素的电路规模。为了方便电路描述，原理图设计工具提供了级联（Cascade）模式专门用于描述阵列电路，极大地方便了设计人员进行仿真和LVS验证。以下是一个4K的矩形阵列电路的Cascade描述形式：显示面板长期以来都是矩形的。所谓异形是指异于矩形的含有曲线形的显示面板。近几年来，异形手机面板层出不穷，刘海屏、水滴屏、四面曲面屏、屏下摄像头等，宣告主流手机屏幕进入了异形时代。其他的异形面板应用包括圆形的手表及形状各异的汽车表盘等。显示面板EDA工具基本是从集成电路EDA工具沿袭而来。由于集成电路的设计方法是基于电路的矩形设计，异形面板需求的出现使得早期的面板EDA工具不能应对，异形设计被迫以人工手工完成，费时费力，严重影响效率，且容易做错，质量也不易保证。因此，原理图设计工具需要提供新的技术和方案来支持异形面板的电路。本研究团队开发的电路原理图设计工具EsimFPDSE根据异形形状定义自动产生异形面板电路，并同步应用于电路仿真和LVS验证，大大提高了设计人员原先通过手工编写异形电路的极低的工作效率。例如，图4为一个异形面板形状的定义。基于此定义，原理图设计工具直接产生Cascade的层次式电路来描述此电路，并可自动提供电路符号的互联与定义，支持RGB、RGBW、RGBY等多种像素结构。面板设计人员利用此技术可以很方便地完成异形电路图设计。同时，EDA平台通过电路原理图设计、电路仿真，及波形查看等技术的无缝集成，为显示面板电路设计提供了完整高效的交互式设计流程。4异形面板面板设计在异形面板时代，非传统矩形形式的面板发光区以及极端狭窄的边框对面板版图设计提出异常艰巨的挑战，开发面向异形面板的专用设计工具已经成为了当代显示面板领域的紧迫需求。在异形面板的设计中，首当其冲的是如何打破传统EDA工具的限制，在异形轮廓图形里全自动准确地填充像素阵列单元，并自动提取异形面板电路仿真网表。在Fanout布线领域，布线概念发生了巨大的变化。传统的矩形面板是三段式path布线，但是异形面板要求是沿着发光（AA）区开关端口外的弧形轮廓进行布线。这需要在弧形布线时确保满足设计规则检查（DRC）并且空间没有浪费任何一个格点的布线引擎技术。同时，异形面板边框设计需要版图数据库能支持任意角度旋转的单元，能够在屏幕圆角位置旋转摆放GOA单元以避免空间浪费，实现更窄的边框。在刘海屏、水滴屏等摄像头导致的像素缺失区域，必须重新连接因像素缺失导致的开关线网分离的端口。同时，像素缺失导致所在的像素行负载异常，需要补偿。面对异形面板设计的上述诸多挑战，本研究团队的AetherFPDLEXP应运而生。该工具提供适用于异形显示面板的版图设计，满足手机、手表、汽车表盘等消费电子领域对显示面板的要求。AetherFPDLEXP可根据异形轮廓产生像素阵列，根据环境批量化正交/旋转摆放外围单元，在基于传统的布线算法AetherFPDLEXP阶梯方案可实现A-Si/IGZO工艺1.1mm边框异形版图设计要求，紧密排布及规则走线，保证产品稳定性。异形版图阶梯设计效果图如图6所示。应对异形的轮廓，AetherFPDLEXP提供了可紧贴圆弧的极其紧凑的捆线形式，如图6中的外围Fanout绕线。AetherFPDLEXP旋转方案可实现LTPS工艺GOA单元任意角度均匀布局，连线圆滑美观紧凑，提升产品良率。异形版图旋转设计效果如图7所示，AetherFPDLEXP对传统EDA数据库进行了精密的改进，完美支持了圆角处以任意角度摆放的旋转GOA单元。这是异形版图设计工具极为重要的关键技术突破。在刘海屏幕的Notch区，AetherFPDLEXP提供了自动电容补偿功能，成功实现对数据端口根据缺失的电容进行电容补偿。5旋转前先合并版图验证工具的作用是检查版图是否满足设计规则、电学规则、版图与原理图是否一致等(1）异形DRC的挑战在版图中使用网格来确定图形的位置，图形的顶点在网格点上。版图的旋转可能导致图形的顶点和网格点错位，导致原本垂直的两条边不再垂直。以图8为例，旋转之后，“a”和“c”,及“a”和“e”不再保持90゜，DRC可能报假错，如“a-c”及“d-e”最小距离不够。这时需要增加支持角度容差规则，如将带有“小边”“小角”等特征的错误过滤掉，避免报假错。当然，这个方法有一定风险，用户可以将这些错误输出到特定的文件中，将这些微小错误和重要错误区分开，用户优先检查重要错误。另外，如果能在旋转前先对图形进行合并，也可避免错误。(2）异形LVS的挑战由于版图旋转，导致误差增大，LVS在提取电路网表时可能会导致器件提取失败。以图9为例，旋转之后,同样由于图形的顶点和网格点错位，导致源漏端和栅极不相交，晶体管提取失败。以上DRC消除假错的方法如支持容差、图形旋转前先合并等也适用于LVS。本研究团队开发的ArgusFPD并行层次式版图验证工具，专注于显示面板市场，面向超大规模版图及先进的设计方法如异形设计的验证需求，为客户提供版图验证的解决方案，可以满足显示面板设计的签核需求。6显示面板电路的结构优化仿真算法传统上的显示面板电路的SPICE仿真和集成电路的SPICE仿真，除了要支持面板电路所用的TFT模型之外，没有什么特殊之处。随着显示面板解析度的提高，面板电路的规模越来越大，要实现全面版的电路仿真采用传统的SPICE电路仿真是不现实的。电路仿真的计算消耗主要分为两大部分，即SPICE器件模型计算和电路矩阵求解电路仿真器加速的另一个方法是要考虑到显示面板电路的结构去优化仿真算法。显示面板的结构是由发光像素单元排成一个二维的阵列所组成，如图10所示，cell即为像素单元。cell里面有红（R）、绿（G）、蓝（B)3个子像素。从电路层面来讲，FPD就是顶层电路，而cell就是下一级的子电路，子像素电路又是下一层的子电路。每个cell都具有相同的电路结构，cell里面每个子像素电路也具有相同的电路结构。这些具有相同的电路结构，并且在工作时其状态也相似的单元，可以定义为基本单元。相同结构、相同状态的电路部分只需存储并只仿真一个基本单元，仿真数据对其他单元共享，这可以极大地降低仿真时间及所需内存。另外，CPU+GPU的异质计算结构是提高全面版电路仿真速度的新方向73rcexpl采用问题求解算法本研究团队的寄生RC提取工具RCExplorerFPD针对多种显示面板设计应用场景，提供像素及触摸屏电容电阻模拟分析工具。基于精确三维场求解器的寄生电容电阻提取技术，采用自适应网格划分技术，精确模拟耦合电容。三维场求解器基于电场分析，利用数值计算方法求解拉普拉斯方程。电容求解问题可以转化为求解一定偏置电压下导体的感应电荷，此问题可以通过求解如下电磁场方程解决RCExplorerFPD工具同时支持像素级的液晶电容提取，如图11所示。同时可以支持Gate-on电容提取。此外，RCExplorerFPD在触摸屏设计中可以进行触摸屏的电容模拟，如图12所示。由于触摸屏设计尺寸较大，对于电容精度要求很高，技术上需要同时保证精度和性能要求。工具采用包括基于三角形元和梯形元混合的网格剖分方法，智能网格剖分引擎自动判定疏密程度，高效率的自适应的网格加密根据RCExplorerFPD提取的寄生电容电阻，用户可以进行后仿真分析，确认设计负载是否在可接受范围内，帮忙设计人员优化版图负载设计。8全面板级布置结构式快速计算方法高精度的OLED器件电流控制对OLED面板的发光均匀性极为重要，而保证电源及地电位的稳定性至为关键该套工具采用了精确电阻计算方法，Cascade阵列网表输出，层次式快速计算方法，热传导热对流等先进技术，可以快速精确地作全面板的分析。整个流程运用二维场求解器计算获得最高精度的电阻网络，并利用像素阵列层次式快速计算整体电阻网络的电压和电流分布，如图13所示。由此计算得到每一个TFT的电源及地的电位。根据电阻网络节点之间的走线电阻值以及节点的电压结果，配合器件电压电流信息，可以计算整个面板各个位置的功率值。有了功率分布，根据热传导与热对流混合模型，可以得到面板的热分布，如图14所示。9splitpanel功能掩膜版分析技术提供Mask高级分析模拟功能，包括MRC检查（markrulecheck）、SplitPanel、JobFile自动产生等技术。(1)MRC检查MRC检查是设计流程中掩膜版图完成以后的重要一环。本研究团队的MRC工具为Mask和Glass图纸设计工程师提供了检查Mark摆放正确性的工具。Mark是曝光、刻蚀等机台进行工艺对位的重要基准，对失误零容忍。MRC工具提供了自动化的Mark检查手段，提升Mark设计可靠性。MRC工具能够进行禁空区、对称性、标准Mark位置比对等十多种规则及其组合的检查，并提供清晰易理解的返标卡通以标志出错位置，例如禁空区检查错误，如图15所示。SplitPanel功能为大尺寸面板设计工程师提供了将面板版图切割为多块Mask版图的功能。SplitPanel是大尺寸拼接设计里必不可少的功能。当Panel的尺寸超过曝光机尺寸时，一次曝光无法完成大尺寸Panel的生产，需要拼接设计进行多次曝光才能最终完成一个Panel的生产。基于大尺寸Panel的版图，SplitPanel根据Mask大小，通过Guideline或卡通直接切割的方式对Panel进行切割，从而分为多块Mask版图，如图16所示。SplitPanel功能可以自动调用马赛克（Mosaic）功能。如果相邻两次曝光边界处是笔直的切割，成品后人眼就能够清晰辨别屏幕发光区内的曝光分割线，因为人眼对长条形的形状比较敏感。为了规避以上问题，需要专门在曝光边界处进行模糊切割，方法是在发光区（AA）区内的曝光分割线（divisionline）两侧与分割线平行的范围内，随机选择像素进行光刻。比如，对于某个层来说，某个像素如果要在shotA内曝光，则在shotAcell内保留其层图形。反之，用与pixeloutline等大小的同层矩形完全遮盖。目标就是让分割线变得非线性且没有规律，规避人眼能识别规则边界的问题。如图17所示，随机分割像素到两个或更多个shotcells的功能被称为为马赛克功能。(3)JobFile自动产生在Mask和Glass版图均完成之后，需要提取Mark信息给生产部门，此时需要JobFile功能。JobFile功能为版图后设计环节提供了自动提取指定的Mark的坐标列表并按照指定的模板或者规则输出工艺文件的功能。一般而言，输出的工艺文件将作为机台工作和其他生产工艺的基准坐标文件，输出结果如图18所示。10系统仿真平台华大九天未来不仅仅关注电学仿真部分，更着眼于未来建立完善的系统级仿真体系，如图19所示。结合电学仿真平台优势，与光热模块整合，实现光电混合仿真；与流体、力学模块互补，创建FPD柔性设计系统；在扩展工艺仿真，与FPD工艺产业链连接，加速工艺问题定位并解决，提升产品良率。11我国显示面板产业的发展现状本文介绍了华大九天的显示面板设计全流程解决方案，包括电路原理图设计，版图设计，SPICE器件建模，SPICE电路仿真，版图寄生RC参数提取，电路IR-drop分析及热分析，设计验证