液晶显示器基本理论与生产管理技术培训(pdf 48页).pdf

液晶显示器基本理论与生产管理技术 液晶显示器基本理论与生产管理技术 CDT 技术人员培训教材 CDT 技术人员培训教材 姚伏恒 2007 年 10 月 15 日 目 录 目 录 一 液晶显示器基本理论 一 液晶显示器基本理论 二 扭曲向列型液晶显示器 TN LCD 生产技术 二 扭曲向列型液晶显示器 TN LCD 生产技术 三 前工序 玻璃输入至热压成盒 废品成因及对策 三 前工序 玻璃输入至热压成盒 废品成因及对策 四 中后工序 切割至包装入库 废品成因及对策 四 中后工序 切割至包装入库 废品成因及对策 五 液晶显示器产品的品质控制 五 液晶显示器产品的品质控制 六 液晶显示器生产条件 设备 动力与环境 的要求与维护 六 液晶显示器生产条件 设备 动力与环境 的要求与维护 一 液晶显示器基本理论 1 1 液晶显示器 LCD 用液晶 1 1 1 什么是液晶 最早报告发现液晶的是奥地利植物学家 F Reinitzer 他在研究胆甾醇酯 类化合 观察到胆甾醇苯甲酸酯在加热到 145 5 C 时 晶体熔化了 但得到的不 是透明的各向同性液体 而是一种浑浊粘稠的液体 具有流动性 同时又象晶体 那样表现出各向异性的特征 继续加热 温度升到 178 5 C 时 这种浑浊粘稠的 液体变得透明了 各向异性的特征也消失 另外 在加热和冷却过程中还观察到 有颜色的变化 液态的胆甾醇苯甲酸酯冷却时 最初呈现浅绿色 随着温度的降 低 依次呈现深绿包 深藏青色 黄绿色 黄色 橙红色和鲜红色 凝固后成为 无色固体 1888 年 他把所观察到的现象和自已的观点写成论文发表在化学杂 志上 因此 国际上把发现液晶的时间定为 1888 年 1988 年在北京召开了庆祝 液晶发现 100 周年国际会议 我们把这种既具有液体的流动性 又具有晶体的各向异性特征的物质状态 称为液态晶体或简称液晶 液晶可分为二大类 溶致液晶和热致液晶 前者要加 入一定的溶剂 例如水 才呈现液晶性 后者要在一定的温度范围内 才呈现液 晶性 在人体内就存在溶致液晶 生物医学工作者对它感兴趣 作为显示应用的 主要的热致液晶 显示用的液晶都是一些有机化合物 其分子为棒状 象 香烟 一样 分 子的长度约为直径的 4 8 倍 分子量一般在 200 500 范围内 棒状分子的基本结 构如图 1 1 所示 图中 X 为连接两个苯环的基团 位于分子的中心 称为中央基 团 Y Y 位于分子的两端 称为末端基团 其特点是具有极性或容易变成极性基 团 例如 西佛碱 schiffbase 类液晶的中央基团 X 为 CH N 苯叉基 酯 基 ester 类液晶的 X 为 C02 酯基 氧化偶氮基 azoxy 类液晶的 X 为 N N 氧化偶氮基 联苯 biphenyl 类液晶和苯基环已烷 PCH 类液晶没有中央 基团 常用的末端基团有 CH3 CH2 n 正烷基 CH3 CH2 No 烷氧基 CN 氰基 NO2 硝基 F CF3 OCF3 OCHF2 含氟基团 等 液晶的各种 物理 化学性质完全是这些基团所决定的 因而 可通过改变分子中某个基团的 种类改善液晶的某种性质 X Y Y 图 1 1 液晶分子的基本结构 1 1 2 液晶的结构类型 液晶化合物分子中由于含有极性基团 分子间互相吸引并按照一定的规律 有序的排列 这也是液晶为什么具有晶体各向异性牲的原因 按液晶分子排列不 同 可将液晶分成以下三种类型 近晶型 或称近晶相 棒状分子按分子的长轴方向互相平行或接近 平行分层排列 图 1 2A 分子只能在层内转动或滑动 不能在层间移动 分子 运动受到的约束较大 因而粘度较大 向列型 或称向列相 棒状分子按分子的长轴方向互相平行或接近 平行交错排列 图 1 2B 分子除了可以转动 来回滑动外 还可以上下滑动 显然 与近晶型比 向列型液晶的粘度较低 流动性较好 它是目前显示应用的 主要类型 胆甾型 或称胆甾相 胆甾型液晶分子也作层状排列 但与近晶型液 晶的层状排列不同 层内分子的排列方式与向列型液晶类似 但分子的长轴与层 的平面平行 而且层与层间分子取向不同 相互偏转一定角度 图 1 2C 旋转 360 的层间距离称为胆甾型液晶的螺距 图 1 2 液晶的结构类型 胆甾型液晶有一个有趣的特性 这就是在白光照射下 它的反向光波长与 液晶分子的螺距有关 入 PN 式中入 反射光波长 P 胆型液晶分子的螺 距 N 液晶的折射率 由于螺距对外界因素 如电压 压力 温度等的影响 非常敏感 这些因素稍有变化就会引起螺距的变化 当螺距改变时 反射光的波 长也随之变化 从而显示的颜色也发生变化 这就是本文开始所述 F Reinitzer 在加热和冷却过程中 观察到液态胆甾醇苯甲酸酯颜色变化的原因 利用胆型液 晶的这种特性 做成薄膜温度计 根据所显示的不同颜色确定被测物体的温度变 化 通常向列型液晶随温度变化遵从如下规律 固态 近晶相 向列相 各向同性液体 Tsn Tc T 向列相液晶状态随温度的变化 Tsn 相变温度 Tc 清亮点 Tsn 是从近晶型转变为向列型的相变点温度 Tc 是从液晶态转变为各向同 性液体的温度 此时液体从浑浊不透明状态变为清澈透明 故 Tc 称为清亮点 Tsn Tc 作为显示应用 当然希望材料的液晶态温度范围宽且具有阀值电压 低 响应快 高的多路传输能力等特性 但一般单质液晶无法满足这些要求 显 示器实际使用的液晶材料都是多种单质液晶的混合系 1971 年开发的第一个扭 曲向列型液晶显示器 TN LCD 产品 所用液晶材料就是由分子结构几乎相同的 二种西佛碱类单质液晶组成 而今天用于彩色电视机的薄膜晶体管有源矩阵液晶 显示器 TFT LCD 和用于计算机终端的超扭曲向列型液晶显示器 STN LCD 的 最新液晶材料通常由 20 种以上的单质成分组成 其大部分单质成分都是最近几 年新开发的 在选择显示器的液晶材料时 应保证 显示器储存温度下限 Tsn 显示器储存温度上限VTH P11 亮 与 此同时 在P12 P21 上也加有电压V0 若V0足够高 使P12 P21 上的电压也大于 VTH时 这些非选象素也会亮 这种现象称为串扰 俗称 鬼影 显然 串扰会 降低显示对比度 V0 0 X1 X2 Y1 Y2 P11 P12 P22 P21 P11 被选象素 P12 P21 半选象素 P22 非选象素 图 1 9 串扰说明 0 0 为了解决串扰问题 呆采用 1 3 偏压法 即扫描电极加电压 V 非扫描电极 则加电压 V 3 被选象素的信号电极加电压 0 非选象素的信号电极加电压 2V 3 这样 被选象素上加的电压为 V 其他半选和非选象素上加的电压绝对值均为 V 3 是被选象素电压的 1 3 帮称为 1 3 偏压法 V 0 X1 X2 Y1 Y2 P11 P12 P22 P21 P11 被选象素 P12 P21 半选象素 P22 非选象素 图 1 10 1 3 偏压法 V 3 2V 3 由于液晶显示是基于液晶分子排列状态的改变 因而是一种分子排列改变 的过程 其响应速度比原子过程 电子运动过程自然要慢得多 因此 液晶光学 性能 透光率 T 不是随所加电压波形瞬时值发生变化 而是随所加电压的均方 根值变化 这样 对于一个 N 行矩阵 采取 1 3 偏压法和一次一行寻址方式 可 写出 ON 态 和非选 OFF 态 象素上的方均根电压比值关系 1 N 1 V 2 N 8 V VON V2 1 1 N 1 3 N 3 1 2V 2 N 1 V 2 V VOFF V 1 2 N 3 1 3 3 VON N 8 电压比 1 3 VOFF N 多路动态驱动 被选 com 加电压 V 非选 com 加电压 V b 被选 seg 加电压 0 非选 seg 加电压 2V b 这样 对于一个 N 行 com 矩阵 采取 1 b 偏压法和一 次一行寻址方式 可写出被选象素 ON 态 和非选象素 OFF 态 上的方均根电 压 VON V 2 N 1 V b 2 N 1 2 V 1 N 1 b2 N 1 2 1 4 VOFF V 2V b 2 N 1 V b 2V b 2 N 1 2 V b 2 2 N 1 b2N 1 2 1 5 则电压比 VON VOFF b 2 N 1 b 2 2 N 1 1 2 1 6 求极值 d db 0 可求出最大电压比 对应最大对比度 的最佳偏压比为 b N 1 对应的最大电压比为 max 1 1 NN 1 7 另外 从 1 7 看出 随着扫描行数增加 电压比趋近于 1 具体计算结果如 表 1 1 所示 表 1 1 电压比 max随扫描行数N的变化 N 2 4 8 16 32 64 128 ma 2 41 1 73 1 45 1 29 1 20 1 13 1 09 这就是说 简单矩阵型 TN LCD 存在显示对比度随扫描行数增加而降低的缺 点 但扫描行数增加是提高显示器分辨率和增大显示信息容量所要求的 想要克 服这个局限是十分重要的 解决这个问题有多种方案 1 高扭曲和超扭曲向列 型液晶显示 HTN LCDT 和 STN LCD 2 源矩阵液晶显示 AM LCD 4 铁电和反 铁电液晶显示等 还应指出的是 为了避免液晶产生电化学反应 降低显示器寿命 必须采 用交流工作电压 严格限制工作电压的直流分量 一般应小于 50mV 1 3 高扭曲和超扭曲向列型液晶显示器 HTN LCD 和 STN LCD 从扭曲效应的电光特性知道 如果能想法使电光特性曲线的陡度增大 对 同样的电压差 V 可产生更大的透光率变化 V 图 1 11 因而 在维持同样 对比度要求时 允许的扫描行数可增大 T Vrms V STN TN 图1 11 STN 和 TN 的电光特性比较 T1 T2 图 1 11 提高电光特性曲线的陡度 对同样的电压差 V 可产生更大的透光 率变化 T1 T2 计算机模拟指出 将扭曲角从 90 增加 直至 270 可 使电光特性曲线的陡度单调增加 图 1 12 给出了一组对不同扭曲角计算得到的 液晶层中央平面处液晶分子倾角与电压的关系曲线 可以看出 曲线的陡峭程度 随扭曲角的增加而增大 直到某一临界扭曲角 270 曲线中央部分的斜率 达到无限大 图 1 12 中间层液晶分子倾角与归一化电压的关系 一般 扭曲角在 90 180 之间称为高扭曲 在 180 270 之 间称为超扭曲 高扭曲向列型液晶显示器 HTN LCD 除液晶材料外 可采用 TN LCD 相同的材料和设备 工艺条件完成 因而 成本增加很少 而性能优于 TN LCD 显示也接近黑白显示 对 1 8 1 32 占空比最适合 超扭曲向列型液晶 显示器 STN LCD 由于底色与液晶盒盒厚关系密切 甚至对 TN 玻璃的表面波纹 这种不平整度都有敏感反应 因此 它对材料 设备和工艺条件都提出了苛刻的 要求 成本比 TN LCD 有较大增加 同时 显示存在底色问题 为了得到黑白和 彩色显示 还必须加补偿膜 因而主要用于 1 32 1 240 占空比的场合 STN LCD 的工作模型可用图 1 13 说明 白 光 线性偏光片 白 光 线偏光 液晶盒 椭圆偏光 线偏光 线性偏光片 色光 暗态 VOF VON 图 1 13 STN LCD 的工作模型 1 4 液晶显示器的理论计算 八十年代 H L Ong 和 A Lien 用 Jones 矩阵法推导出的结果 然后 根据 此结果进行讨论 1 4 1 A Lien 的计算结果 假设玻璃基板平行 X Y 平面 液晶分子指向矢和偏振片取向关系如图 1 14 所示 Y X P2 n2 P1 n1 exit ent 图1 14 液晶分子指向矢和偏振片取向关糸 对垂直入射光 通过 LCD 后透光率 T 可表示为 T 1 sin sin ent exit cos cos ent exit 2 2 2sin2 cos2 ent exit 1 8 其中 1 2 1 2 d ne 1 sin2 s 1 2 no ne no 2 1 式中 ne 非常光折射率 no 寻常光折射率 s 预倾角 d 盒间隙 即液 晶层厚度 光波长 当预倾角 s很小时 如 s 10 ne 1 sin 2 s 1 2 n o n n 液晶 的双折射 可简化得 nd 2 1 1 2 1 9 1 4 2 讨论 1 4 2 讨论 1 4 2 1 T 0 的情况 最小透光率 1 4 2 1 T 0 的情况 最小透光率 首先考虑 T 0 最小透光率 的情况 此时 要求式 1 右边两部分分别等 于 0 由第二部分 2 2sin2 cos2 ent exit 0 则 sin 0 或cos ent exit 0 假设 sin 0 则 k k 为整数 代入式 1 9 得 nd k 2 1 1 2 1 10 对 TN LCD 将 2 代入式 1 10 有 k 1 2 nd 23 215 对人的视觉响应峰值波长 0 55 m而言 nd 23 0 48 0 5 m nd 215 1 07 1 m 即通常所说的第 1 极小与第 2 极小的设计原 则 再由第一部分 1 sin sin ent exit cos cos ent exit 0 并代入sin 0 cos 1 的结果 可得cos ent exit 0 则 exit ent 2k 1 2 1 11 式中 k为整数 将 2 代入式 1 11 有 exit ent k 即要求偏振片 平行配置P1 P2 再假设cos ent exit 0 也成立 则 ent exit 2k 1 2 k为整数 对 P1 P2配置 exit ent 代入上式可得 ent 2 2k 1 4 1 12 将 2 代入式 5 有 k 0 1 ent0 2 即入射基板上偏振片相对摩擦方向可以是平行 ent 0 也可以是垂直 ent 2 配置 1 4 2 2 T 1 的情况 最大透光率 1 4 2 2 T 1 的情况 最大透光率 此时 要求式 1 8 右边两部分满足如下关系 1 xsin x sin ent exit cos x cos ent exit 0 u 2 x2sin2 x cos2 ent exit 1 或 1 xsin x sin ent exit cos x cos ent exit 1 u 2 x2sin2 x cos2 ent exit 0 对前一组方程 因sin 2 x cos2 ent exit x2 u2 1 u2 u2 1 不能成 立 不予考虑 下面讨论后一组方程 由方程组的第二式 可得 sin 2 x 0 cos x 1 代入方程组的第一式 得 cos ent exit 1 则 ent exit 2k k 整数 exit ent 2k 对 TN LCD 2 情况 exit 2 ent 2k 即要求偏振片垂直配置 P1 P2 另外 因sin x 0 4 2 1 中式 1 10 仍然成立 即第一 第二极小设计原则 仍成立 同样 假设cos 2 ent exit 0 也同时成立 即式 1 12 仍然成立 偏振片相对摩擦方向可以是平行 也可以是垂直配置 归纳 对扭曲角 2 的 TN LCD 情况 透光率 T 1 要求 nd 的设计应满足第 一极小或第二极小原则 两偏振片透光轴垂直配置 而偏振片透光轴与摩擦方向 起偏振片透光轴与该基板上摩擦方向 可以是平行 也可以是垂直配置 总上 4 2 1 和 4 2 2 的讨论 有结论 对TN LCD 2 的设计应遵从 1 nd的选取应满足第一极小 nd 0 5um 或第二极小 nd 1um 原则 2 对常 黑型 不加电场时T 0 偏振片平行配置P1 P2 对常白型 不加电场时T 1 偏振 片垂直配置P1 P2 3 起偏振片的透光轴相对该基板上摩控方向可以是平行 也 可以是垂直 4 2 3 对 HTN 情况 4 2 3 对 HTN 情况 上述讨论中 无论考虑T 0 或T 1 时 我们都是在假设sin 2 x 0 的前提下进 行的 如果我们从假设cos 2 ent exit 0 出发来处理问题 此时sin2 x 不一定为 0 对T 0 的情况 有 1 xsin x sin ent exit cos x cos ent exit 1 cos 2 ent exit 0 1 15 假设偏光片的透光轴平行配置 P1 P2 则 ent exit 代入上式得 1 xsin x sin cos x cos 0 cos 2 2 ent 0 1 16 由cos 2 2 ent 0 则 2 ent 2 k k 整数 得 ent 2 2k 1 4 k 0 1 ent 2 4 2 4 K 0 K 1 110 150 110 150 ent 10 30 100 120 由 1 xsin x sin cos x cos 0 则 tg x xctg 对 110 求解 式 1 18 可得 x 1 959 代入式 1 10 得 nd 0 57um 取入 0 55um 同样要算 出 150 的 nd 0 62um 实际制作的 HTN LCD 偏振片透光率是采取垂直配置方式 即 P1 P2 此时对 110 扭曲 ent 10 exit 100 110 x 1 959 代入式 1 9 可分 别计算得 sin x sin 1 959 110 180 0 5806 sin ent exit sin 110 10 100 sin20 0 3420 cos x cos 1 959 110 0 8142 cos ent exit cos20 0 9397 cos ent exit cos 110 10 100 cos0 1 u 2 x2 x2 1 x2 1 1 x2 1 1 1 9592 0 7394 T 1 xsin x sin ent exit cos x cos ent exit u 2 x2sin2 x cos2 ent exit 1 1 959 0 5806 0 3420 0 8142 0 9397 2 0 7394 0 5806 1 0 7508 0 2492 1 看出 按上述设计 偏振片透光轴垂直配置时 显示器透光率 T 1 与实际情况相 符 对 150 扭曲 u 2 x2sin2 x cos2 ent exit 1 ent 30 exit 120 150 x 1 6731 代入式 1 9 可分别计算 得 sin x sin 1 6731 100 0 9453 sin ent exit sin 150 30 120 sin60 0 8660 cos x cos 1 6731 150 0 3262 cos ent exit cos60 0 5 cos ent exit cos 150 30 120 cos0 1 u 2 x2 x2 1 x2 1 67312 1 1 67312 0 6428 T 1 xsin x sin ent exit cos x cos ent exit u 2 x2sin2 x cos2 ent exit 1 1 6731 0 9453 0 8660 0 3262 0 5 2 0 6428 0 0 94532 1 0 4256 0 5744 1 仍得到同样结果 结论 HTN LCD的设计按 tg x xctg ent 2 2k 1 4 计算 偏振片透光轴垂直配置 1 4 2 4 对 STN 情况 1 4 2 4 对 STN 情况 像HTN一样 仍从假设cos 2 ent exit 0 出发来处理问题 但考虑T 1 的情况 此时有 1 xsin x sin ent exit cos x cos ent exit 1 cos 2 ent exit 0 1 19 假设 ent exit 即偏光片透光轴之间的夹角正好等于扭曲角方式配置 则 上式可简化为 1 xsin x sin cos x cos 1 cos x 1 cos 2 2 ent 0 cos2 ent 0 1 19 得 ent 2k 1 4 k 整数 x 2k k 0 1 ent 4 4 将x 2k 代入式 1 10 得 nd 2K 2 1 180 220 240 nd m 0 95 0 87 0 82 结论 STN LCD的设计按 nd 2 2 1 1 2 exit ent ent 4 计算 按此条件设计制作的STN显示模式为黄模式 若将面 底偏振片之一 旋转 90 则变为蓝模式 1 5 HTN 和 STN LCD 用液晶中掺杂手性材料浓度的计算 所谓手性材料实际上就是一种胆甾相液晶 在向列液晶中掺杂手性材料的目 的 是诱导液晶分子按规定的旋转方向和扭曲角度进行扭曲排列 使 不发生 畴 向错缺陷 现象 根据旋转方向不同 手性材料可分成二类 左旋和右旋 目前 实用的左右旋手性材料及其化学结构分别如表 1 2 和图 1 15 所示 表 1 2 手性材料 分子量 融点 C 螺旋性 HTP P60 P30 CB 15 249 4 右 6 9 1 10 1 20 611R 300 75 右 7 10 1 00 1 08 CN 527 81 左 4 6 1 10 1 20 S 811 455 46 左 9 12 1 04 1 10 617L 422 100 左 10 13 0 95 1 00 注 HTP 值表示手性材料诱导液晶分子旋转的能力 它与螺距 P um 和手性材 料的掺杂浓度 C 有关系 HTP 1 PXC P60 P30表示 60 C温度时的螺距对 30 C温度时的螺距比值 该比值反映螺距 的温度稳定性 对 TN LCD 要求液晶的螺距 P 比盒 d 大很多 d p 0 因此 手性材料的掺 杂浓度很小 一般掺杂 0 1 S 811 或 0 2 CB15 0 2 CN 就足够了 对 HTN 和 STN LCD 由于扭曲角大 必须掺杂较多的手性材料才能实现对向列 型液晶分子的旋转诱导 此时 液晶分子实际呈胆甾型排列 故满足条件 d p 2 即液晶分子指向矢旋转2 与螺距P对应 见1 1 2 3 扭曲角增大和有利得 到正常的 STN 显示 但也不宜取的过小 因为它会使响应时间增加 一般设计时取 d p 0 7 0 8 2 这样 根据 d p 和 d 可算出 p 可算出 P 再根据 HTP 1 PXC 关系 就可算出手 性材料的掺浓度 C 例 180 STN LCD d p 0 8 2 0 4 P d 0 4 6 8um 0 4 17um C 1 HTP P 1 11 17 0 53 即掺杂 0 53 的 S 811 1 6 有源矩阵液晶显示器 TN LCD 对矩阵型 TN LCD 如果能设法使象素单元上加的选通电压作用时间不只限 于被扫描的瞬间 而在 1 帧时间内都持续起作用 具有存储效应 就能从原理 上消除扫描行数增加与对比度降低的矛盾 有源矩阵液晶显示正是基于这种思路 开发成功的 1 6 1 AM LCD 的分类 有源矩阵液晶显示器 AM LCD 的方案有多种 二端和三端器件在源矩阵 尽管各自有多种方案 但其基本原理都是一样的 1 6 2 二端器件 AM LCD 二端器件AM LCD的结构及等效电路如图 1 17 所示 它与简单矩阵TN LCD不 同之处仅在每个单元回路中引入了一个二端器件 要求二端器件有反向对称的非 线性伏安特性 且其等效电窜CD比液晶单元的等效电容CLC小很多 当扫描电压和 信号电压同时作用在象素单元时 由于开始瞬间二端器件处于断态 OFF 器件的 等效电阻RD和液晶单元的等效电阻RLC都很大 而CDVTH 使该象素单元在一帧时间 内显示 消除了扫描行数增加与对比度降低的矛盾 X1 X2 XN Y1 Y2 YM G D S ITO G D S RLC CLC 图 1 19 TFT LCD 的结构及单元等效电路 三端器件比二端器年性能更理想 因而其性能也更好 现在 彩色 a SI TFT LCD 非晶硅薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器 的显示图象质量可做到与彩 色 CRT 媲美 最早开发的三端器件是硒化镉 CDSE 薄膜晶体管 七十年代就研究用于 LCD CDSE 能够在玻璃基板上低温成膜 迁移率高 驱动电路与矩阵板可一体化 但由于材料较难控制 性能的稳定性 重复性和可靠性难解决 使 CDSE TFT 当 时未能获得实际应用 同时 也由于那时硅器件工艺的日趋成熟 研究举就转向 了单晶硅 MOSFET 和非晶硅薄膜晶体管 A SI TFT 单晶硅 MOSFET 作为开关元 件能得到极高的导通电流和断态电流比 迁移率很高 不仅可把驱动电路与矩板 一体化 而且还可以把其他电路一体化 例如 香港科技大学多年来就一直在从 事这方面的研究工作 但单晶硅技术大面积化和做成透射式 LCD 有困难 因而 目前作为主流技术是 A SI 和 POLY SI TFT 有源矩阵 A SI TFT 是目前研究最多 技术最成熟 生产投资规模最大的三端器件有 源矩阵 A SI TFT 有多种结构类型 最典型的结构是反交错结构 其最简化的 制作工艺 只使用三个光刻掩模板 MASK 首先 在玻璃基板上连续淀 积 ITO 膜 厚 20 50nm 和 CR 膜 厚 50 100nm 光刻图形 湿法刻蚀 然后 连续 淀积栅绝缘膜 SINX 厚约 400nm 本征 A SI 厚 50 100nm 和 N A SI 层 光 刻图形 干法 再淀积 A1 膜 光刻形成源 漏电极 最后 以源 漏电极作为 掩膜 自对准刻蚀象素电极上的 CR 膜和 TFT 源漏之间的 N A SI 膜 非晶硅的迁移率低 典型值 0 5 1 0 CM 2 V S 可把驱动电路与有源矩阵 同时集成在基板上 这是它的最大优点 近年来POLY SI TFT LCD 特别是低温 POLY SI TFT技术的研究工作比较活跃 产品已实际用于摄像机的寻象器和大屏 幕投影电视 1 5 4 AM LCD 的技术特点 从上述介绍看出 AM LCD 工艺是在玻璃基板上大面积成膜技术 溅射 CVD 电子束蒸镀 电阻加热蒸镀等 与类似制造 LSI 的微米级光刻技术的结合 它与 IC 技术不同处在于基板是非晶的玻片 不是单晶的 SI 片 单晶硅 MOSFET 方案 除外 微细加工精度虽不象 IC 要求亚微米级这样高 而只要 2 3um 但基板尺 寸不是IC的7 5 12 7CM 直径 而是对角线几十甚至上百CM 虽然图形可能没有 IC 复杂 但要求全板性能一致 因而 导致一个新的技术观念诞生 巨微电子 学 GIANT MICROELECTRONICS 共技术困难性就表现在 巨 与 微 的矛盾 上 因为要在面积上解决有源矩阵的无缺陷制作 技术上非常困难 这使得 AM LCD 的制造成品率低和成本高 为了提高成品率 降低成本 要求花巨资用 于全自动化设备投资和超高洁净度环境投资 工作室洁净度 10 级 机器内洁净 度 1 级 不断增大玻璃基板尺寸 提高生产效率 从 1992 年第一代 TFT LCD 生产线投产以来 差不多每 2 年就升级换代一次 基板尺寸一代比一代大 生产 效率一代比一代高 产品成品率一代比一代高 因而使生产成本大幅度下降 成 为大面积高档液晶显示器的主流产品 二 扭曲向列型液晶显示 TN LCD 生产技术 二 扭曲向列型液晶显示 TN LCD 生产技术 2 1 扭曲向列型液晶显示器 TN LCD 的结构和显示原理 扭曲向列型液晶显示器的结构如图 2 1 所示 它由上下两片 ITO 玻璃经 密封胶连接成盒 并注满液晶而成 主要构件包括 ITO 玻璃 液晶和偏光片等 玻璃基板 ITO 电极 PI 膜 液晶 盒内隔子 边框 边框隔子 图 2 1 扭曲向列型液晶显示器的结构 偏光片 其显示原理是 由于在制盒过程中 对 ITO 玻璃表面的 PI 层 作了特殊的定向 处理 相互成 90 在基板表面液晶层的分子沿着定向处理的方向排列 这样上 下两层 PI 附近的液晶分子的定向方向互相垂直 使中间层的分子逐渐扭曲 形 成了扭曲角为 90 的螺旋结构 当 n d 时 n ne no d 为液晶层的厚度 经过偏振片的线偏振光的偏振方向会顺着液晶分子的扭曲方向旋转 90 但当液 晶层的两端施加一定电压后 液晶分子由于其极性的特性而顺着电场方向排列 扭曲结构消失 旋光作用也消失 利用液晶盒内液晶薄层的这种特性 我们可以 设计出白底黑字和黑底白字的两种液晶显示器 对于白底黑字的显示器 我们将 上下偏振片正交贴置 未加电场情况下 通过液晶层的线偏振光如图 2 2 所示 可以通过另一面的偏振片呈透明状态 当加电场时 通过液晶层的线偏振光刚好 垂直在另一面偏振片的偏振方向 光就无法通过 呈黑态 这样我们就可以利用 两种不同的光学状态达到显示的目的 2 2 扭曲向列型液晶显示器 TN LCD 的生产流程 TN LCD 生产根据其工艺特性可分为前工序和中后工序 前工序包括光刻工 序 定向制盒工序 前工序对环境的净化度 温湿度要求相当高 是 LCD 生产的 心脏部分 中后工序主要包括切割 灌晶 检验 贴片等工序 相对来讲 除灌 晶外 其它工序对环境的净化度 温湿度就没有特别要求 下面我们详细来看一 下 TN LCD 生产流程 2 3 扭曲向列型液晶显示器 TN LCD 的生产 TN LCD 生产过程比较复杂 工序流程多 各工序技术特点各异 同时 环境净化度 温湿度要求高 尤其对原材料的性能要求苛刻 因而 LCD 生产可以 说是一门技术含量较高 生产难度较大的综合技术 在这里我想着重介绍一下光 刻及定向制盒工序的生产技术 2 3 1 光刻技术 光刻是液晶显示器制造的关键工序之一 光刻的目的就是根据显示要求 通过涂胶曝光 显影 腐蚀 脱膜工序 得到我们需要的图形 目前 显示屏的 图形越来越复杂 粘密度越来越高 所以粘密光刻技术在 LCD 生产中显得尤为重 要 根据光刻的原理 影响光刻的主要因素是 1 光刻胶膜的厚度 均匀性 2 光密度比较均匀的平行紫外光以及合理的曝光量 3 合理的显影 腐蚀条件 2 3 1 1 光刻胶膜的厚度 均匀性 为提高图形的分辨率 我闪希望得到比较薄的光刻胶膜 这样光的散射和 平行射较轻 光刻的细小图形清晰 边缘整齐 但为了经受住较长时间的腐蚀 太薄的光刻胶膜无法腐蚀 我们应该选择合适的胶膜厚度 根据生产的实际情况 各个厂家可以选择 0 8um 1 5un 均匀性 155 的光刻胶膜为宜 实际生产中 为 了达到上面的要求 要注意控制好以下几点 1 选择性能稳定的机器和胶辊 其 中胶辊的各个参数 如材料种类硬度 沟槽的具体形状尺寸 非常重要 2 使用 与胶辊相对应的光刻胶的浓度 胶的浓度直接影响胶层的厚度 通常用的胶有 60CP 30CP 20CP 等几种规格各家工厂可根据自已具体的胶辊开头来选择胶的 浓度 2 3 1 2 曝光技术 目前产品的光刻粘度越来越高 为了保证光刻质量 首先要选择光密度分 布均匀 光平行度良好的曝光机 其次要特别注意掩膜版与涂胶面的距离 这个 距离越小 光的衍射作用就越小 曝光的效率越好 一般以 0 2MM 左右为宜 最后要选择合适的曝光量 各个工厂可以根据胶的厚度及胶的性能来确定 2 3 1 3 显影及腐蚀的工艺技术 显影液一般可以选择 NAOH KOH 溶液 浓度为 0 5 1 左右 各个工帮应视 具体的工艺条件而定 而腐蚀液也有很多种 目前较常用的有 HCL HNO3 FECL3 HCL 我公司是用 FECL3 HCL 条例 该腐蚀液缓冲性能良好 工艺范围较 宽 可操作性强 2 3 2 定各成盒技术 2 3 2 1 定向膜技术 定向膜的工艺原理为 在刻蚀好图形的玻璃上均匀地印上一层聚酰胺酸膜 经高温缩水反应后变成聚酰亚胺 然后膜层经绒布高速旋转摩擦后 产生使液晶 分子按摩擦方向平行排列的细线沟槽 定向膜技术的关键是控制好 PI 膜层厚度 及均匀性 选择好摩擦强度 即 1 选择性能稳定的 PI 印刷机器和转印效果良好的 凸版 PI 膜的厚度及均匀性 一般要示 PI 膜的厚度控制在 500A 800A 均匀性要 求 15 2 摩擦强度 影响摩擦强度的因素为 滚筒直径 转速 平台速度及绒毛 下压距 具体可以用下面公式来计算 S L P N 1 2 rn V P 其中 N 为摩擦次数 r 为滚筒半径 U 为平台走速 P 为下压距 2 3 2 2 制盒技术 制盒工艺主要是用环氧树酯作为密封胶得到密封性能良好 盒厚均匀性良 好的空盒 其中包含丝印技术 隔子 spacer 分数和热压固化技术 丝印技术 利用丝网图形部分网孔可透过浆料 而非图形部分网孔不透浆 料的基本原理进行印刷 由于 LCD 生产中 丝印的承印物是摩擦后的玻璃 表面 沟槽非常娇弱 所以对丝印工艺有特殊的要求 在实际生产中 要特别注意控制 好以下几个工艺参数 网板的张力与网距 胶刮的材质 角度及下压距 丝印压 力 浆料的粘度 隔子 spacer 分数技术 spacer 的分布均匀性是影响盒厚的关键因素 从实际生产看 通常采用湿喷和干喷二种方法 湿喷设备简单 操作方便 所以 被TN LCD厂家广泛使用 湿喷要注意以下两点 1选择合理的分散体系 使spacer 在分散液中一定要分散均匀 不能结块 聚集 2 选择合理的喷头 调节好实际 工作时喷头高度 气压等各项工艺参数 保证喷粉的密度和均匀性 热压固化技术 选择能使温度变化而压力恒定的压板或气囊工装完成 在 这个工艺过程中 特别要注意压力 固化温度 固化时间等工艺参数 2 3 3 LCD 中后工序包括了玻璃切割 灌晶 测试 贴片等技术 由于相 对较简单 在这里就不一一编述 三 前工序废品成因及对策 三 前工序废品成因及对策 3 1 前工序废品类型 前工序废品大致可分为以下几种类型 1 1 外划伤 1 2 短路 1 3 缺划 1 4 ITO 针孔 1 5 ITO 毛刺 1 6 PI 划伤 1 7 摩擦差 错 1 8 手指印 1 9 黑白点 1 10 银点缺陷 1 11 贴合不正 1 12 盒厚不匀 1 13 内污 3 2 外划伤废品成因及对策 从前清洗至热压都可能产生外划伤废品 主要发生在玻璃插篮操作和玻璃 传送过程中 3 2 1 拿玻璃插篮时 由于玻璃边缘之间容易产生碰撞 且玻璃周边比较 尖锐 若玻璃间发生磨擦作用 就可能产生外划伤废品 因此在插篮时必须轻插 轻放 加强规范操作自觉性 提高插篮技术 3 2 2 玻璃在清洗预烘时 若机器设备不稳定发生玻璃堵塞 使玻璃相互 间碰撞 摩擦产生外划伤 甚至破损 另外 若杂物 玻璃碎屑末清理干净或设 备维修后留下尖锐硬物 未及时除去 也会引起外划伤 因此 在堵玻璃后设备 维修完毕 必须经确认后才可开机 并要定期检查设备运行情况 3 2 3 在曝光推位 显影对位 PI 印刷推位 丝印推位的操作中 也易产 生外划伤 操作中若玻璃碎屑落到工作平台上 未及时除去 推位或对位时玻璃 与工作平台产生磨擦 由于玻璃碎屑夹在玻璃与工作平台之间 而导致玻璃外划 伤 为此 在操作时 玻璃要轻拿轻放 周期性清理干净工作平台 提高员工推 位 对位操作技术水平 3 2 4 热压段也是较易产生外划的工段 当玻璃预压完后 把玻璃放到工 装上 若玻璃摆放位置不准 需挪动 玻璃与平台产生较大磨擦时 也会引起外 划伤 因此 在操作时 玻璃要轻拿轻放 尽量减少玻璃挪动 3 3 短路废品成因及对策 3 3 1 若灰尘落到电极菲林基板上曝光时 灰尘挡住紫外光 使灰尘下的 光刻胶膜没有被紫外光照射 因为是正性胶 显影时该处胶膜残留经酸刻后就可 能形成短路 为此 必须加强员工净化意识 提高曝光房净化度 并定期擦干净 菲林 操作时动作要轻 3 3 2 在丝印银点时 如果银点网漏网 银点落到电极图形之间把电极图 形连接在一起引起短路 贴合前导电物质落在玻璃上也会产生短路废品 为了杜 绝或减少短路的产生 在上网前必须认真 仔细检查是否有漏网现象 若有 应 及时做好补网工作 3 3 3 正确的显影 酸刻时间是通过试验确定的 如果显影 酸刻时间控 制不严 显影 酸刻时间过短 使光刻胶膜及 ITO 层该去掉的未能去掉 从而使 电极图形互相连接构成短路 因此通过试验确定显影 酸刻时间后 必须要严格 控制 这是减少短路的基本有力保证 另外 要严格仔细检查显影图形 是否存 在该去掉的胶膜残留和该保留的胶膜去掉了 以便及时修补 减少短路 缺划等 缺陷和玻璃的损耗 3 4 缺划废品成因及对策 3 4 1 玻璃涂胶后若胶膜面上有针孔 灰尘等沾污染 曝光时又正好处于 电极图形上 则显影后胶膜处的针孔 灰尘等沾污物 脱落 将导致电极图形断 线或图形不完整 从而产生缺划等废品 因此涂胶后必须严格按作业指导书 检 验标准仔细进行自检 质检 3 4 2 在曝光操作时 若电极菲林图形的药膜受损伤使图形不完整 经曝 光 显影 酸刻后就无法获得完整的图形 从而产生缺划等废品 为了减少或避 免缺划废品 擦菲林时 动作必须要轻 以免电极菲林受损伤 3 4 3 如 3 3 节所述 若显影 酸刻时间过长 使胶膜和 ITO 层该保留的 去掉了 将产生缺划废品 3 5ITO 针孔废品成因及对策 3 5 1 如 4 1 节所述 或玻璃涂胶后胶膜上存在针孔 灰尘等污染 有可能 产生 ITO 针孔所致的图形不完整缺陷 3 5 2 电极菲林图形上 如果有针孔 如 4 2 节所述 也可能产生 ITO 针 孔所致的图形不完整缺陷 为此 必须做到 第一 要对菲林加强自检和质检 第二 检验不合格则补修或报废 第三 擦菲林时动作要轻 3 6 ITO 毛刺废品成因及对策 曝光时当灰尘落到电极菲林图形边缘上又刚好与电极图形相连 由于灰尘 挡住紫外光 显影时该处光刻胶膜残留 酸刻后形成 ITO 毛刺 所以 第一 要 提高曝光房净化度 第二 擦菲林时动作要轻 第三 菲林用完毕后及时做好保 护措施 3 7 PI 划伤废品成因及对策 3 7 1 玻璃在 PI 印刷预烘与边框 银点预烘过程中 若 PI 层被硬物碰伤 或划伤在插篮时由于操作不当产生玻璃相互碰撞 都可能产生 PI 划伤 因此 应定期检查预烘炉内是否有玻璃碎屑等硬物存在 并加强员工培训 提高插篮技 术水平 务必做到轻插轻放 3 7 2 摩擦后清洗的玻璃经预烘机预烘 在预烘传送过程中 如果上压轮位 置偏位 压到玻璃 PI 层上 将产生 PI 划伤 为此 在操作时 必须定期检查机 器运行情况 尤其是留边较窄的玻璃应更加十分注意 设备维修或调机后 必须 经确认方可开机 开机后并进行自检 3 8 摩擦差 错废品成因及对策 3 8 1 在更换摩擦绒布后 摩擦的首片玻璃如果没有作定向检查或在摩擦 过程中机器设备不稳定 摩擦滚筒有跳动 在设备维修后没有对机器设备进行检 查确认 作偏光片定向检查 都可能出现摩擦差废品 在摩擦前没有认真仔细检 查确认产品的摩擦角度 没有按定型资料进行操作 工作粗心大意 精神不集中 都可能会产生摩擦错废品 为此在操作中 第一 必须要精神集中 第二 更换 绒布时 必须作偏光片定向检查 第三 机器设备维修后经确认无误 作定向检 查正常方可开机生产 第四 产品摩擦角度必须仔细确认后才可进行摩擦 第五 生产过程中必须定期进行强光灯沟槽检查 9 手指印废品成因及对策 9 1 在摩擦时 摩擦后清洗预烘或丝印喷粉 贴合过程中 如果手拿玻璃 时操作不规范 手指触到工作区 PI 层上 就会产生手指印废品 因此 必须加 强员工操作规范化培训 提高员工操作技术水平 10 边框缺陷废品成因及对策 丝印边框时 如果边框网的网孔有堵网塞或损伤 都会造成边框缺陷废品 如断框 框细 框肥等 边框废品跟丝印房的净化环境 温湿度 丝印网质量及 操作等有很大的关系 所以 首先要提高和保证丝印房净化度 坚决与有损净化 的行为作斗争 边框网上网前要认真检查漏网及网板质量情况 其次操作时要定 期清理工作平台 最后认真作好边框自检工作 遇有漏网及时补救 3 11 黑白点废品成因及对策 产生黑白点废品原因与压缩空气 DI 水 工艺环境等有着密切的关系 在 酸刻后脱膜时 如果脱膜液浓度偏低 脱膜时间短 脱膜液温度低 使部分胶膜 未完全脱掉 而留下微粒残胶在 ITO 玻璃上 或使用的压缩空气不干净含有油污 锈粉等杂质 或 DI 水纯度不够 含有杂质 用它们清洁玻璃时 玻璃表面上就 会受沾污 工艺环境湿度偏低 摩擦产生静电难以放 可能使 PI 受静电损伤 以 上三种情况都会产生黑白点废品 为了减少此类废品的产生 要定期对压缩空气 DI 水进行检查 严格按作业指导书进行操作 加强车间净化度 提高员工净化 意识 按工艺环境要求严格控制温湿度 3 12 银点缺陷废品成因及对策 产生银点废品的原因与银点网 现场操作及现场工艺有着密切关系 丝印 银点时 如果银点网网孔里有灰尘 或玻璃碎屑 使网孔受损或堵塞等 就会产 生银点缺陷废品 如银点偏位 漏网 短路 银点不下料 缺划 等 因此 首 先要提高丝印房净化度 坚决与有损净化的行为作斗争 银点网上网前认真检查 是否合格 不合格则从新制网 其次 操作时定期清理工作平台 最后要作好银 点自检工作 遇有漏网及时补上 3 13 贴合不正废品成因及对策 贴合不正主要与电极菲林 贴合操作和预压操作有的密切关系 若电极菲 林 AB CD 套合不准 经曝光 显影 酸刻制作成电极图形后 在贴合时 AB CD 片玻璃自然套合不准 贴合时如果偏位较大 预压就没法挪正 预压时没有认真仔 细对贴合玻璃进行检查或预压操作时有移动 都会产生贴合不正现象 为了减少 贴不正废品必须要做到 第一 认真检查电极菲林 AB 与 CD 套合情况 第二贴合 操作时精神要集中 两片玻璃贴合标志对准后才进行贴合 第三 预压时每对玻 璃必须认真检查贴合情况 发现贴合不正及时挪正 预压时减少玻璃移位 第四 提高贴合自检操作水平 3 14 盒厚不匀废品成因及对策 盒厚不匀废品主要在丝印段和热压段产生 它与边框胶内玻璃棒的分散均 匀度 丝印净化洁净度 喷粉机 热压 固化气囊等有着密切的关系 液晶屏的 盒厚决定于边框胶内玻璃棒的直径 如果丝印边框内玻璃棒分散不匀 将导致盒 厚不匀 丝印段对净化要求很高 当大于 7um 灰尘等异物落在丝印的玻璃表面上 由于液晶屏的盒厚为 7um 玻璃贴合后 使玻璃无法压到位造成盒厚不匀 在喷 粉时 如果喷粉机喷出的粉有粉聚 粉团 隔子 spacer 的分布不均匀也会造 成盒厚不匀 另外 当玻璃预压后 进气囊工装固化时 如果气囊四周的气压不 平衡 或者气囊漏气炸裂 此时 气囊里的空盒玻璃部分压到位 部分没压到位 这样也就会形成盒厚不匀现象 因此 为了减少或避免盒厚不匀 要提高员工的 净化意识加强净化宣传 使保持和提高丝印房净化洁净度 边框料配制时充分搅 拌 使玻璃棒分散均匀 加强喷粉自检工作和定期检查热压固化炉气囊工装及气 压工作状态 3 15 内污废品成因及对策 内污废品与净化环境有着不可分割的紧密联系 内污废品的多少体现出净 化车间的洁净度状态 尤其是丝印车间更加直观地体现出来 当在贴合前有绒毛 灰尘等杂质落到丝印玻璃表面上 贴合后造成内污废品 内污废品除了在丝印房 产生外 在 PI 印刷 在摩擦后清洗时 灰尘沾到玻璃表面上都可能会产生内污 废品 那么到底怎样才能减少内污废品呢 第一 提高员工净化意识 加强净化 宣传教育 第二 提高整个工序净化洁净度 包括减少设备内部运转灰尘的