TFT-LCD的生产与制造流程是怎样的?
大多数的液晶显示器、液晶电视及部分手机均采用TFT驱动。液晶显示器多用窄视角的TN模式,液晶电视多用宽视角的IPS等模式。它们通称为TFT-LCD。
好的,TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)的制造是一个极其复杂且精密的工业过程,涉及数百道工序,需要在超净室中进行。其核心制造流程可以概括为以下四大阶段:
第一阶段:前段阵列制程 (Array Process)
- 目标: 在玻璃基板上制造出控制每个像素开关的薄膜晶体管(TFT)阵列,以及数据线和扫描线。
- 核心步骤:
- 基板清洗: 超高精度的玻璃基板进入产线,经过严格的清洗和表面处理,去除任何微粒、杂质和污染物。
- 薄膜沉积:
- 使用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)、溅射(Sputtering)等技术,在玻璃基板上依次沉积多层薄膜,包括:
- 栅极金属层: 形成扫描线和TFT的栅电极。
- 栅绝缘层: 通常使用氮化硅或二氧化硅。
- 半导体层: 非晶硅或多晶硅,形成TFT的沟道。
- 欧姆接触层: n⁺型掺杂的非晶硅(a-Si)。
- 源/漏极金属层: 形成数据线和TFT的源极、漏极。
- 透明导电层(ITO): 沉积在数据线末端,形成像素电极(Pixel Electrode)。
- 使用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)、溅射(Sputtering)等技术,在玻璃基板上依次沉积多层薄膜,包括:
- 光刻:
- 涂胶: 在沉积的薄膜上均匀涂抹光刻胶(Photoresist)。
- 曝光: 通过带有精密电路图案的掩膜版(Mask),用特定波长的紫外光照射光刻胶,使部分区域的光刻胶发生化学反应(光敏变化)。
- 显影: 用化学溶液洗掉被曝光(或未曝光,取决于光刻胶类型)的区域,使掩膜版的图案转移到光刻胶上。
- 刻蚀:
- 利用干法刻蚀(等离子体)或湿法刻蚀(化学溶液),将未被光刻胶保护的薄膜层刻蚀掉,从而在薄膜层上精确复制出所需的电路图形。
- 去胶: 去除剩余的光刻胶。
- 重复循环: 上述薄膜沉积、光刻、刻蚀、去胶的步骤需要重复多次(通常4到7次),最终在玻璃基板上构建出包含数百万个TFT及其互联线路的完整阵列电路。
第二阶段:前段彩膜制程 (Color Filter Process)
- 目标: 在另一块玻璃基板上制作包含红、绿、蓝三原色像素和黑色矩阵(Black Matrix)的彩色滤光片。
- 核心步骤:
- 基板清洗: 同阵列制程基板清洗要求。
- 黑色矩阵制作:
- 沉积铬或树脂材料。
- 使用光刻工艺(涂胶-曝光-显影)定义图形。
- 刻蚀形成黑色矩阵(BM)。BM用于分隔像素,防止混色,提高对比度。
- 彩色滤光膜制作 (颜料分散法为主):
- 涂布彩色光刻胶: 将含有特定颜料(红、绿、蓝)的光刻胶旋涂在基板上。
- 曝光与显影: 通过对应的R/G/B掩膜版曝光,显影去除未曝光区域,形成单色像素图形。
- 烘烤固化: 加热固化光刻胶。
- 重复: 此过程需要对红、绿、蓝三种颜色分别重复进行,最终覆盖整个有效显示区域。
- 保护层: 在彩色滤光片阵列上涂布一层透明保护膜(Overcoat),以平整表面并保护色阻。
- ITO沉积: 在保护层上溅射沉积一层透明导电的ITO薄膜,作为公共电极(Common Electrode)。这一步在IPS/FFS等宽视角技术中可能在阵列基板侧进行。
- 柱状隔垫物制作: 使用光刻工艺,在CF基板上精确制作出微小的光敏树脂柱(Photo Spacer),用于在两片基板对合时保持精确且均匀的盒厚(Cell Gap)。
第三阶段:中段成盒制程 (Cell Process)
- 目标: 将完成阵列制程的TFT基板和完成彩膜制程的CF基板精确对位贴合在一起,并在两片基板之间注入液晶材料,形成一个密封的液晶盒。
- 核心步骤:
- 取向膜涂布:
- 分别在TFT基板(像素电极)和CF基板(公共电极)表面,涂布一层聚酰亚胺(PI)作为取向膜。
- 利用转印(Offset Printing)或喷墨打印(Inkjet Printing)技术。
- 取向膜固化与摩擦: 烘烤固化PI膜,然后用特定方向和强度的绒布(尼龙或棉)进行摩擦(Rubbing),在PI表面形成微小的沟槽,为液晶分子提供预倾角(Pretilt Angle)和初始排列方向(Alignment Direction)。(注:现在许多高分辨率面板采用无摩擦的光学取向技术 - Photo Alignment)
- 喷散隔垫物与涂封框胶:
- 在CF基板上方精确喷洒数量可控的球状隔垫物(Ball Spacer,通常与Photo Spacer同时使用或替代)。
- 在基板边缘区域涂布一圈紫外光固化胶(Sealant),用作最终密封。(在CF基板或TFT基板涂布均可)
- 对位贴合:
- 在真空环境中,将TFT基板和CF基板以极高的精度上下对位(关键步骤),控制位置精度在微米级。
- 完成贴合后,利用外部大气压力将两片基板紧紧压合在一起。这时封框胶将两片基板初步“粘”住。
- 封框胶固化: 用紫外光照射使封框胶初步固化(紫外光可透过玻璃)。
- 液晶滴注:
- 在贴合前或后完成:
- 一空盒灌注法 (Vacuum Filling - 老技术): 在封框胶上预留注入口(LC Injection Hole),利用真空毛细作用将液晶缓慢吸入盒内。效率低。
- 液晶滴注法 (One Drop Fill - ODF, 主流技术): 在对位贴合前,在TFT基板或CF基板的有效区域内精确滴注所需量的液晶滴。然后进行真空贴合。该方法效率高,无气泡。
- 在贴合前或后完成:
- 最终固化与切割:
- 加热使封框胶完全固化(对于ODF,封框胶通常是UV+热双固化的)。
- 将制作好的大型“母板”(上面包含多个显示面板),根据设计的单块面板尺寸,精确切割成单个的液晶盒(Cell)。
- 取向膜涂布:
第四阶段:后段模组制程 (Module Process)
- 目标: 将成盒制程完成的液晶盒(Cell)与背光源(Backlight Unit, BLU)、驱动电路和其他功能部件组装成一个完整的显示模块。
- 核心步骤:
- 偏光片贴附: 在玻璃液晶盒的外侧上下两面分别精确贴附特定的偏光片(起偏器和检偏器)。其偏振方向与PI摩擦方向成90度夹角(常黑白模式)。
- 芯片绑定:
- COG (Chip on Glass): 将驱动IC(行、列驱动芯片)通过各向异性导电膜 (Anisotropic Conductive Film, ACF) 直接热压绑定到TFT基板边缘的引线端子(Bonding Pad)上。ACF中的导电粒子在热压下变形,在芯片引脚和基板焊盘间形成垂直导通,而水平绝缘。
- TAB (Tape Automated Bonding) / COF (Chip on Film): 驱动IC先绑定到柔性电路板(TCP 或 FPC)上,再将柔性电路板的引线热压绑定(同样用ACF)到玻璃基板边缘的焊盘上。COF是目前主流。
- PCB绑定: 将驱动IC所在的FPC/FPC另一端焊接或连接到印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)。
- 背光源组装:
- 将完成上述贴片和绑定的液晶盒组装到背光源单元(BLU)上。
- 背光源通常由LED灯条、导光板、反射片、扩散片、棱镜片(增亮膜)等光学膜材叠放组合而成。
- 在底部和四周进行边框(Bezel)封装固定。
- 老化测试与功能测试:
- 对组装完成的模组进行通电老化,以剔除早期失效品。
- 进行全画面的功能、光学、色彩、缺陷点等全面测试。
- 最终组装: 根据需要,可能安装外壳、触摸屏(Touch Panel),或其他配件(如保护玻璃Cover Lens)。至此,一个完整的TFT-LCD显示模块制造完成。
关键要素
- 超高洁净环境: 整个前段和中段主要流程必须在Class 10甚至更高的无尘室环境中进行,以防止微尘颗粒损伤精密电路或造成显示亮点、暗点缺陷。
- 精度控制: 制程中要求极高的定位精度(微米级)、尺寸控制(纳米级)、成膜均匀性和对位精度。
- 材料科技: 高性能的玻璃基板、高纯度液晶、光刻胶、导电材料、光学薄膜等都至关重要。
- 良率管理: 生产过程中的每一步都可能引入缺陷,提高良率是降低成本的关键。
这个流程是一个高度简化且通用的概述。实际生产中,根据不同的技术(如IPS、VA、FFS等)、面板尺寸和分辨率要求,具体的工艺步骤、材料选择和设备配置会有显著差异和复杂的变化。现代高端面板制造还需要集成诸如内嵌式触摸屏(On-Cell, In-Cell)、高刷新率、量子点(QD)、Mini-LED背光等先进技术,进一步增加了流程的复杂性。
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张华
2022-01-17 12:01:44
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原理,到软件驱动的理解,再到软件驱动的使用,应用代码的实现,这一路下来,需要记录的方方面面估计不少。要知道ILI9341的驱动原理,首先当然得从TFT-LCD的工作原理开始理解起。这里从网上找了好多,感觉这篇简单又清楚,因此转载过来学习。转载过程中删减了一些无关的内容
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