TFT-LCD屏设计思路整合（CF/Array/Cell 设计）

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第634篇推文

主要内容

1、认识产品规格

2、设计思想与步骤

3、Array基板设计

4、CF设计

5、Cell设计

第一节 认识TFT-LCD的产品规格

1、基本规格 （设计规格）

作为一个设计者，首先对于显示屏的设计规格一定要有所了解。显示器的规格，很难有一个完全的定义，因为产品对于消费者而言更多的是主观的感觉，不同厂商提供的显示器规格，也会有所差别，但是对设计者而言，需要把客户的要求、厂商的要求转化成客观量化的数据作为设计的目标，也就是要转化成可设计的规格。即设计规格（专业规格）。下表中给出了一些显示器件的最基本的规格参数。

2、各专业领域的整合（其它专业规格）

TFT是一种整合多元知识的技术，是“光、电、机”的一个综合体，牵涉了很多原理，所以一个TFT-LCD也是由各个专业领域的设计者一同努力所设计出来的，除了所着重的TFT面板本身以外，以下几个领域的设计也是非常重要的。

（1）液晶光学、色度学设计

这个领域需要熟知液晶的物理材料特性和光学知识，负责设计产品的液晶模式，包括其材料，间隙，配向角度，偏光片角度，光学补偿膜等等，以符合产品规格中的视角，亮度，对比和反应时间等要求，也要设计彩色滤光片的三原色之色坐标，以符合产品规格中色彩饱和度的要求，还有如液晶的操作电压，抗反射膜的选用等等，也是该领域要考虑的。

（2）模组机构设计

该领域要熟知各机械零件和力学知识，负责设计产品的外观，选用各零件的材料与制程，以符合产品规格中尺寸，重量等需求，并使模组组装生产过程流畅易行，另外，背光模组和光学膜的选用，涉及产品厚度，重量和功率消耗，也需要与其他方面的设计一起考虑。

（3）电子系统设计

该领域熟知各电子零件和电学知识，以及各种显示界面的定义，以负责设计产品的驱动系统，符合产品规格中系统界面，功率消耗，操作电压等要求。

3、产品规格的协调制定

对于TFT-LCD，包含很多的专业领域的知识，自然也就涉及很多的专业规格，这些专业规格彼此并不是孤立的，设计时也并不是所有规格的一个简单的加和，而是要互相协调，明确设计目标及定位，才能保证产品的最终设计成功。

专业规格协调举例

（1）厚度

产品的厚度，它是很多零组件厚度的总和，包括两块玻璃基板，两个偏光片，光学补偿膜，光学增亮膜，背光模组，框架等，如果要减少设计的厚度以符合产品要求，可以采用薄型偏光片而增加成本，也可以选择减少光学补偿膜而牺牲视角，也可以选择光学增亮膜而牺牲亮度，也可采用薄型框架而增加破损的风险，至于要采取哪一种方法，就要视产品的定位和其他规格的竞争力而定，并没有一定的答案。

（2）亮度

TFT-LCD模组成品的亮度，是光源强度和光效率的乘积，以表中产品为例，亮度要求为假设既有的产品设计，是使用亮度为的CCFL背光源，而液晶单元的光效为7.35％，像素的开口率为85％，则得到的亮度会是

为了要达成产品要求，可以使用亮度提高到背光源，但是会增加消耗功率，灯管的寿命也会减少，也可以设法增加液晶单元本身的光效率到8.82％，也可以设法增加像素的开口率。此时可以协调成：采用的背光源，使液晶单元的光效率增加为8.1％，像素的开口率为88％，使得到的亮度成为

再由各设计领域协调决定其专业规格，此时需要液晶光学设计的专业去努力的将原来的光效提高到8.12％，也许要采用新的模式，也许要降低色彩饱和度，假设在各专业领域努力之后，仍无法达成要求，此时便需要重新进行协调，增加背光源亮度或液晶单元的光效，有可能需要更换液晶材料，因此又使像素的充电和电容耦合效应改变，于是又要重新设计一次像素，又有新的开口率设计，可以想象，产品的规格进步，需要各领域一再的设法协调，以定出各专业规格。

4、和面板设计相关的专业规格

在经过产品规格的协调制定后，就可将其中的一些规格，转换成各领域的专业规格，与TFT面板设计相关的专业规格有：

（1）次像素大小和像素阵列数目

根据产品规格中的Size, , Ratio Area,可以得知次像素的大小和像素阵列数目，这些规格是不需要进行协调的。

（2）开口率

依据产品规格中的和Color ，在充分协调之后，设定开口率的设计目标。

（3）最小视讯电压容许误差

依据产品规格中的View Angle, Ratio , Time, 以及 等等，由液晶光学专业领域设计者制定出所采用的液晶单元设计（液晶材料、模式、间隙、取向等），那么液晶单元所对应的电压-穿透度关系，液晶电压-电容关系基本上就可以确定下来。根据电压-穿透度关系和产品规格中的灰阶数就可以决定出最小视讯电压容许误差（最小灰阶电压差如何确定？）。液晶的电压－电容关系，也会作为设计时考量充电，电荷保持，电容耦合以及信号延迟等的计算基础。

第二节 设计思想与步骤

1、设计思想

（1）像素完全相同

我们知道，阵列中每个像素的大小和形状是一样的，但是每个像素的细部设计，并不一定要完全一样，利用像素设计的细部改变，可以解决一些问题。比如通过精密计算沿着扫描线改变TFT的寄生电容的大小，可以补偿电容耦合效应和信号延迟效应，但是这样设计会使得整个布局非常复杂，又会产生其他的问题，因此目前在绝大多数的TFT设计中，都是采用完全相同的像素设计。

（2）最坏情况设计

为了使得设计出来的显示器在各种情况下都能够满足驱动原理的要求，采用的设计观念是“最坏情况设计”，即在设计时考虑在极限情况下能够使用，那么其他情形就没有问题。比如画面的帧频在60～75Hz，则以75Hz考虑充电时间，而以60Hz考虑电荷保持时间，这样在两个极限条件下如果能够满足，其它频率下肯定能够满足。

2、设计步骤

从前面的讨论我们知道，在设计过程中，需要将所有的条件要同时考虑，但是同时考虑这么多的项目会混淆我们的思路，有没有办法快速的找到符合设计的方法呢？答案是肯定的。先把最重要的设计参数作初步估计，找出所要设计产品的粗坯，结合该产品的考量重点，寻找合理的设计参数，建立像素初始布局，计算各个电容，开口率等，最后根据设计值执行最后的布局。

第三节 Array基板设计

设计对象及设计目标的确定

设计对象：13英寸TFT-LCD面板（下基板、上基板，液晶盒）

设计目标：基本规格，开口率、最小视讯电压差等

具体设计步骤：基本参数确定（尺寸、制程、电学参数等）；主要参数计算（Cs、开口率计算）；初始布局确定；验证；执行最终布局

1、基本的专业规格参数设计

2、制程参数设计（制程选择、制程准则及能力限制、材料工艺参数等）

（a）制程选择

设计一个TFT面板，必须基于一个确定的TFT制程以及制程设计准则。和IC的制程相似，制作TFT和各电极所需的形状，是先将这些形状制作在掩模版上，通过光刻的方式转写到玻璃基板，因此，在设计之前，必须了解TFT的制程，知道Array基板上各种膜层之间的层次关系及用途。若采用的制程不同，设计原理虽然相同，但考虑的重点则有所变化。此处将以top ITO型的五道掩膜（见图）为例进行说明。

（b）制程准则及制程能力限制

制程确定后，还需了解该制程的能力限制，即制程设计准则。这些规则由制程的能力与经验所确定，其中规范了相关的能力限制以及制程中所采用的金属和绝缘体材料的厚度和特性，在设计时，必须符合这些规则，才能在工艺上实现，典型的TFT设计准则可参考下表。共四个表，分别是材料和厚度，线宽限制，对准误差和TFT的工艺参数。

（c）材料工艺参数

相应于本次设计，采用top ITO制程对应的材料与工艺参数

3 驱动相关参数

帧频60Hz

帧扫描时间16.7ms

扫描线时间21.7μs

最小视频电压容许误差：8mV

4 面板设计参数的获得

在前面讲过，图形设计涉及很多参数，需要先定出最主要的参数。结合前面的讨论，根据本书作者的经验，与所有设计关系最密切的两项设计值分别是存储电容 的大小和TFT的通道宽度W，其他设计并非不重要，而是轻易不会改变，比如TFT的通道长度，通常会设定在制作能力的最小极限，以得到最大的开电流和最小的栅极负载电容，又如栅极绝缘层或金属导电层的材料和厚度等，在制程确定后，一般不会去做更动。所以，以上面两个最重要的参数，结合第二章的四大考量，编写关于这两个参数的初始设计方程式，先把存储电容和通道宽度数值定下来，再进行其它的考虑。

A、四条限制线：如何确定存储电容 和沟道宽度W

如何编写计算方程式

（1）TFT开电流的限制线

按照第二章中讨论的对充电的要求，有:

C、初始布局

基于初始设计所决定的存储电容大小和TFT的尺寸，就可以进行像素的初始布局。在满足基本参数的前提下，在合乎TFT的设计准则下，便可绘制像素初始布局。布局的方式，不同的人，不同的公司都会有所不同。比如，同样的存储电容，可以布局成环绕像素的U字型或一字型，工字型，H型等，相同的沟道宽度，TFT也会有不同的形状。如图所示。无论如何改变，关键参数必需要满足，且常常为了光学特性或制程良好率，也会调整TFT或存储电容的形状。作为初学者，选择一种最简单的布局方式，底部一字型为例作介绍。

D、分析及次像素的绘制

为了绘图准确和方便，对各部分进行粗略估算，将绘图尺寸参数列出来，然后开始绘图。

计算分析：

次像素大小为258×86μm，定义开口率为70％，这一部分完全依靠ITO的面积大小来实现，根据计算，存储电容的面积占次像素的面积是9.8%，也是依靠ITO的面积来实现，所以，在次像素的范围内，ITO的面积应占整个次像素面积至少约80％。那么扫描线与数据线及TFT所占的面积不能超过20％。我们知道，对于扫描线和数据线，扫描线的信号延迟要远大于数据线的信号延迟，且在高度方向的尺寸大于宽度方向的尺寸，所以数据线的宽度

E、阵列及像素阵列之外布线

次像素绘制好以后，就可进行像素阵列，按照前面设置的1024×RGB×768，需要将次像素阵列为3072列、768行，由于对如此多的数目几乎无法运行，所以将行列数目按倍数缩小，这里将数目确定为16×3×12。运行结果如下。

阵列区域的总长度为412.8mm，宽度为309.6mm

一个TFT-LCD面板，90%以上的面积是作为显示用的像素阵列，也就是说，上面已经完成了90％面积的设计。在像素阵列之外的10％，还有很多的细节项目需要设计。

1、扫描线和数据线布线

在像素阵列中，扫描线与数据线是以次像素的大小为间距平行排列，但是在阵列之外，就需要与驱动IC进行连接，所以扫描线和数据线会根据所采用的连接方式而进行布线。下图是其中的一种布线方式。

2、下板共电极布线

除了扫描线和数据线以外，下板共电极在阵列外也需要连接在一起并且通过金胶点与上板共电极相接在一起。

至此，Array基板的内容就设计完成了。所有这些图形最后都是要转移到玻璃基板上，因此在这里还需要将Array玻璃基板的尺寸定下来，除了将阵列像素和阵列外布线能够放下以外，制程中还需要一些对准标记，这些标记一般放在玻璃的边缘或角落处。所以，显示区的尺寸如果是13寸，考虑阵列外布线和对准标记，Array基板的尺寸应大于13寸。由于这里对单个次像素进行了放大，而数目又有减少，所以我们这里就以所画图形为准来确定尺寸。但是如果以后在企业或是条件具备，应该按照前面设计好的既不能放大也不能减少数目来确定。

例图中显示区的尺寸为412.8和309.6，阵列外布线后尺寸为458.53和320.01，因此玻璃尺寸定为461.91和324.37。具体见下图。

F、五张掩模版设计

根据设计好的Array基板图形，下一步就可以获得五道掩模版的图形。利用的图层功能，在原始图形上，将某一层保留，而将其他图层删掉，便可得到相应的掩模版。例图中对应的五张掩模版GE、SE、SD、CH、PE如图所示。

第四节 CF设计

1、CF结构及工艺流程

2、CF设计（上玻璃尺寸的确定，黑色矩阵的设计，色层位置的确定等）

1、CF结构及工艺流程

结构及作用：

彩色滤色片基本结构是由玻璃基板（Glass ），黑色矩阵（Black ），彩色层（Color Layer，即RGB），保护层（Over Coat），ITO导电膜组成。通过施加不同的电压和选择不同的像素，能够实现彩色化显示。

各层功能及制作过程：

A、黑色矩阵

黑色矩阵主要有以下作用：第一，遮蔽像素区域（开口部分）之外的背光源的漏光；第二，防止相邻RGB亚像素的混色，提高显示对比度；第三，防止光造成TFT误动作及工作参数发生变化；第四，防止背景光的写入（从而造成对比度低下），可明显提高对比度等。因此，对于彩色滤色片基板来说，形成黑色矩阵是必不可少的重要工序。

形成黑色矩阵的材料一般是黑铬（Cr），近年来，采用黑色颜料来形成黑矩阵产品越来越多。首先利用溅射镀膜法，在洗净的玻璃基板镀金属铬的薄膜。而后进入黑色矩阵工序，在前道工序形成的黑铬层表面，利用涂胶机均匀地涂布正光刻胶，再将全表面涂有光刻胶的玻璃基板在隧道烘干机中进行预烘烤。之后，在玻璃基板之上放置光刻掩膜，经过掩膜，通过紫外线对正型光刻胶照射，进行曝光，再经显影。这样，可仅保留掩膜遮蔽部分的光刻胶。再经过刻蚀制取相应于掩膜的黑铬图形，剥离光刻胶，得到的黑铬图形正是黑色矩阵。

B 、彩色色层

形成RGB着色层的照相刻蚀工程由光刻胶涂布、预烘烤（预焙）、曝光、显影、洗净、后烘烤（后焙）等工序组成。在着色层的形成过程中，每种颜色的着色层是独立形成的。也就是说，这样的过程需要重复三次，才能形成所需要的RGB三色着色层。以红色为例，首先要在已经形成了黑矩阵的玻璃基板全表面涂布红色颜料层，经烘烤固化。之后，在玻璃基板之上放置光刻掩膜，经过光刻掩膜用紫外线对颜料照射，进行曝光，再经显影。这样，可仅保留所需要红色颜料膜的部分，由此形成红色着色层。同理，蓝色和绿色颜料膜的形成也按同样的工序进行。至此，就完成了RGB彩色滤光片成膜工序。

C、保护层和透明导电薄膜

保护膜的作用主要有两个方面，一是防止由于彩色滤色片的污染物侵入液晶盒而引发误动作，二是对各色层进行平坦化，方便在其上面进一步制作ITO电极。保护层通过材料混合涂布，脱泡，烘烤等工序形成。而ITO薄膜通过溅射法形成。CF的形成过程可参考下图。

2、CF设计

在TFT-LCD中，作为TFT面板对应的上玻璃基板，色层以及黑色矩阵应该与下板即Array基板的像素之间有一定的位置关系。即色层应该与Array基板上液晶电容的电极，即像素电极除去存储电容电极的那一部分电极对应起来，而其他的部分应该由黑色矩阵进行遮蔽。这也是CF各功能层的形状在设计时的主要依据。若是黑色矩阵设计还不能将漏光等完全遮蔽，可以计算一下漏光面积，若是不严重，则可以采用，若是漏光严重，那么就要调整Array基板的设计了。

A、上玻璃基板尺寸的确定以及与Array基板的位置关系

从TFT的结构和原理我们知道，CF板即上玻璃基板的每一个色层需要与Array基板的每一个次像素或像素对应。那么在Array的显示区范围上，CF基板需要形成和Array对应的部分，而在Array基板阵列外，即显示区外的扫描线和数据线布线区域，CF板是不需要和其对应的，且必须是将下板的阵列外布线区域露在外面以便和IC连接。而对于下板共电极布线区域，需要与上板共电极相接，所以CF在这部分应该与Array对应。这样基本可以确定出CF基板的位置和大概尺寸。CF基板左边缘和上边缘与下板平齐，而右边缘和下边缘将扫描线和数据线布线露出。具体如图所示。

B、色层的设计

这里采用每一个色层单元与每一个次像素一一对应，所以将色层的形状和尺寸确定为与液晶电容的电极相同，且上下对应，这样可将一个像素对应的CF基板上的色层位置和大小确定下来。然后分别阵列即可获得三张色层掩模版。这里要注意的是，上下基板是面对面贴合在一起的，所以，CF板的左上角像素应该与Array板的右上角对应，因此，还需将图形进行镜像。三张色层掩模版设计过程如图所示。

C、黑色矩阵设计

理论上，除了色层部分外，其余区域必须通过黑色矩阵遮蔽，所以黑色矩阵在设计上与色层掩模版是互补的，所以这里在设计黑色矩阵时，直接使用三张色层套构在一起的互补图形。如图所示。

第五节 单个产品CELL掩模版设计

Cell盒的制作工程是利用前两节阵列制作工程所述的Array阵列基板和CF基板，使二者对位贴合而组装成LCD盒。这种液晶盒制作工程，包括取向膜形成（常用聚酰亚胺薄膜，即PI膜）、取向处理、丝印边框（边框胶涂敷），对位压合、液晶注入等，是液晶显示器所独有的制作工程，对显示器的显示质量有决定性的影响，是十分重要的工程。在这些工序中，取向剂涂敷和丝印边框还需要两张掩模版，分别为取向剂掩模版（PI版）和丝印边框掩模版（Seal版），这两张板也需要提前设计。

1、PI掩模版设计

取向膜形成工程，即PI涂布，是为了使液晶分子沿特定方向取向排列，该取向膜采用聚酰亚胺树脂材料，厚度为10~100nm，其形成一般采用印刷法。取向膜形成之后，还要在取向膜上形成按一定方向排列的沟槽，以使液晶分子按一定方向取向排列，一般是通过摩擦进行。我们知道，取向剂主要是帮助液晶分子进行取向的，所以其涂敷范围应该将液晶分子所到之处全部覆盖，这样就可以确定出PI版的对应于一个产品的图形了，即PI版的图形。例图中，将显示区域直接作为一个产品的PI版。 如图所示。

2、SEAL掩模版设计

在完成取向处理后，需要将两块玻璃基板在保持一定间隙的条件下对位贴合，所以首先在CF基板上散布隔离子，该隔离子决定了液晶盒的厚度，一般散布的是粒径分布集中的塑料圆球。同时，为防止贴合的两块基板间隙中的液晶材料流出，在液晶盒的四周构筑“围墙”，即封接材料。，这里采用滴入式液晶注入，所以不需要留液晶灌注口。一般情况下，封框胶会涂敷在以小玻璃（此处对应CF板）边缘向内0.5mm的范围内，这样，一个产品的Seal板的图形就可以确定了。

对位标记

无论上板或下板，所有的图形在基板上的位置必须严格套准，所以在设计完成后，还需要制作相应的对位标记，这些标记主要有：

1、Array基板：光刻掩模版对位标记（5个），下板标记；

2、CF板：光刻掩模版标记（4个）上板标记；

3、CLEE盒：边框位置标记，丝网与玻璃对位标记，PI涂敷标记，上下板压合对位标记；

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