详细解说:《面板驱动IC》-《芯苑》

随着高科技数码产品的普及以及未来消费类电子及物联网的爆发,平板显示的需求会日益增强。而就其应用范围看小的为portable电子设备如smart phone, PDA, 电子书等,就是我们经常说的small panel。而大到电视、显示器HDTV等,也就是我们常说的large panel。现在市场上主流还是液晶显示器(TFT-LCD),俗称面板。就如同电子业一样,每个终端都需要屏幕显示,自然就离不开面板。而我们半导体行业在面板产业里的作用自然就是面板驱动IC,根据NPD DisplaySearch数据,预计到2018年面板IC的营收讲达到73亿美金。而且随着很多代工厂将重心转移到移动处理器和存储器等高附加值的代工业务上,会更加导致面板驱动IC供不应求的状况。

今天,我们就来聊聊面板驱动IC吧。毕竟我们做High Voltage的制造几乎都是给Driver的,不懂这个就out了。

1、什么是液晶?TFT、LCD?

再讲驱动之前,先普及下液晶、TFT、LCD的概念,当然这不是我们的专业,我也就是扫盲的。

液晶(Liquid Crystal)是1888年澳洲的F.Reinitzer在植物中分离一种醇类物质是发现的,该物质在145.5度呈现介于固态和液态之间的熔融状态,一直维持到178.5度才完全变成透明液体。液晶不属于一般的三相物质(固态、液态、气态),科学家称之为物质的第四态(mesomoroph or mesophase)。

液晶分子很容易随着外加电场而发生转向,可借此产生光学效果,而当电场移除时,而液晶会借助本身的弹性和粘性迅速回到原来的状态。

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而现在市场主流的液晶显示器可分为三类,扭转向列型(Twisted Nematic, 简称TN)、超扭转向列型(Super Twisted Nematic, 简称STN)、彩色薄膜型(Thin-Film Trasistor,简称TFT)。

TN-LCD和STN-LCD最大的特点就是如同名字一样,液晶从最上层到最下层恰好成90度的3D螺旋状排列,它奠定了LCD发展的主要方式。但它们的主要缺点就是只能显示黑白,不能显示彩色。STN-LCD比TN-LCD的好处是大尺寸下的对比度更高,但是色彩只有橘色和黄绿色,无法做全彩显示。

而后来发展的TFT-LCD不同的是,上面玻璃板的电极改成了TFT-FET晶体管了,下部夹层改成共通电极,由于共通电极有电容效应,可以保持电位状态,因此透过光的液晶分子将因此保持排列方式直到下一次TFT-FET打开,才会再一次改变排列方式。而TN-LCD和STN-LCD就没有这个特性,只要电极不加电则立马恢复原本状态。由于TFT-LCD能让液晶排列具有记忆效应,因此称之为主动式矩阵液晶。相反TN-LCD和STN-LCD则称之为被动式矩阵液晶。而且TFT-LCD在反应速度上可以达到40ms以下,观赏角度达到160度,对比度可以达到150:1,被广泛应用于数码相机、液晶投影机、笔记本电脑、液晶显示器等。

说了那么多,遇到了第一个问题,这上下极板必须要通电,而玻璃是不导电的,所以必须要在玻璃上涂一层导电电极材料,而这个电极材料如果不透明怎么能够显示?所以,科学家们找到了一种透明的导电材料叫做ITO (Indium Tin Oxide,铟锡氧化物),它是一种透明的导电玻璃,掺入锡为了降低导电电阻。

第二个问题是这色彩怎么来的?液晶是没有颜色的,而且背光源也是白光灯管而已。它需要在液晶上面的每个像素上装一个滤色片产生红绿蓝三种颜色,而每种颜色通过8位控制器分成256个色阶,那么你在每个像素上就可以得到256x3=16777216种颜色。这就是为什么它可以实现全彩了。这就是为啥电脑选颜色都是红绿蓝三种颜色搭配256数值的组合了,就是为了输出给LCD显示器的。

再说说整个LCD面板的结构吧,是由上下玻璃基板和偏振片组成的,在上下玻璃之间按照螺旋结构将液晶分子有规律的进行涂层。而上下玻璃基板的电极是通过在玻璃板的外面涂上一种叫ITO的金属化合物蚀刻成每个pixel排布在玻璃板上。具体的流程大家自己去百度吧,这不是我们今天的重点。

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2、驱动IC与面板

面板的液晶是靠IC输出电压时液晶扭转,使其发生色阶及明暗的变化。而这个IC电路通常包括两块,控制芯片(Control IC)和驱动芯片(Driver IC)两大类。控制芯片负责接受来自电脑的信号,以及影像信号转换与处理。驱动芯片负责影像信号输出与显示到LCD上。而一般控制芯片包括前端模拟数字转换器(ADC)、 解码接收器(DVI)、缩放控制电路(Scaler)、 屏幕调整电路(OSD)、微处理器(MCU) 等; 中端的电路有计时控制器(T-CON) 、直流升压转换器(DC/DC
converter)以及gamma电压产生器(Gamma Voltage Generator)等。这些都是逻辑时序控制部分以及模拟转换部分,不是本章的讨论重点,而本文重点在于驱动IC。

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驱动IC的主要作用是控制面板上每个像素电极是否导通,使得PC/手机影像能够正确的显示在面板上,也就是说每个像素(pixel)都要有个相对的晶体管来控制,而驱动IC就是接受控制IC输出的指令,决定施加何种程度的电压到每个像素的TFT晶体管,从而改变液晶分子排列(扭转程度),借由每点像素的透光率高低来实现色彩变化构成显示画面。各面板由于液晶的工作或排列原理不一样,所以其驱动IC设计也不同,不可通用。

一般驱动IC分为两种,Gate Driver和Source Driver。以前我一直不知道其中的差别,后来查阅了很多资料才搞懂。其实就和Memery的概念一样,字线和位线的矩阵结构,每个矩阵的交点就是一个存储单元(bit),而对应到面板显示上来说就是一个像素(pixel)。而位于Y轴上的叫做栅极驱动(Gate Driver),位于X轴的就叫做源极驱动(Source Driver),我先讲完单一像素的原理和概念再来将这两个Driver的由来和作用吧。

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再来看下每个单一的像素(pixel)的结构,在面板制作工艺中已经制作好了一个TFT晶体管,但是这个TFT晶体管必须小一点,否则会影响每个像素的透光率(毕竟TFT是不透明的),而这个TFT晶体管就类似Memery的控制晶体管,它类似我们IC的晶体管有栅极、源/漏极。需要两个电压来控制,一个是栅极电压开启这个晶体管,然后再有个源极电压给面板像素充电。等效电路上有两个电容,一个是两层玻璃之间的液晶形成一个电容(Clc),另外是我们在可以制作的存储电容(Cst),而每个像素的存储电容的末端可以连接在液晶的下面板上(Vcommon),也可以连接在Gate line上(Vgate),主要看哪一种节省线路长度,因为线路都是不透光的,为了提高透光率。而这个存储电容的作用就是为了存储第一次液晶发生变化的电压,让液晶在断电后继续保持,直到下一次Gate被打开而改变,当然其电容越大越好,面板越不易漏电不易受外界信号干扰,但是不能靠面积来gain电容,透光率你懂得。

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所以Gate Driver就是位于Y轴上决定像素位置,通知横向每一列的像素要ready的位置,至于具体哪一个要被开启需要再靠X轴上的另一个源极驱动电压来控制。所以Gate Driver又叫做Scan IC或者Row IC,它主要负责TFT的打开和关闭,所以它决定了液晶分子扭转的快慢,制程困难非常大,只有少数厂商提供(比如TI,SHARP),而Gate Driver所需要的电压一般有TFT晶体管的开启决定,需要40V以上。而源极驱动IC(Source Driver)则负责将数据通过打开的TFT传送给需要点亮的像素,也叫影像数据传送,所以Source Driver又叫做Data IC或Column IC。

接下来,我们讲讲跟我们半导体相关的东西吧,驱动IC晶体管数目不多,主要都是高压的器件无法scalable,所以并不需要最高端的制程,但由于它还是属于高压加模拟制程,所以想做好并不容易,在制程技术上需要很深的经验积累,这就是为什么很多工厂不愿意做的原因了(后面再讲为甚大家都不愿意做)。Gate Driver的难点在于高压和隔离,还有一点就是bus line的RC延迟,尤其在large panel很明显,而在逻辑电路部分主要有一个移位寄存器(Shift registor),用来控制时钟控制信号,然后通过两条相邻的Gate Line的移位信号实现电容的耦合升压(2-level or 3 level charge pump)。

至于Source driver,其特性是牵涉模拟混合数字信号,并且对频率要求很高,所以电路设计非常复杂,困难度非常高,但是电压相对较低,一般10~15V。而Source Driver设计和制造的重点在于两个,一个是灰阶(Gray Scale)用来实现色彩的值,还有一个是驱动电压用于让液晶扭转,灰阶的主要设计电路就是Gamma Voltage,这是Analog部分,其实就是把一个输出电压根据串联一级一级平均分压到256个等分,根据每个节点输出电压得出不同的颜色值,所以它主要跟Device特性相关,当然漏电也非常重要。而另外一个重要的就是输出高压驱动液晶扭转的,需要涉及Charge pump,一般现在主流的charge pump都是用电容耦合的Charge pump,所以对电容的要求需要很高几乎是must,而由于需要multi-level的pump,所以电容值以及电容面积越来越大,甚至发展到Stack电容等增加了制程的复杂性,而在Charge pump的设计因素里面最重要的就是pumping efficiency,除了和电容相关还与高压器件有关,我们总是希望我们的Driver IC的power loss越小越好,所以Rdson就需要更高,所以逐渐我们需要用LDMOS取代传统的DDDMOS。

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当显示器逐步提高解析度、亮度与反应速度时,则驱动IC需要朝高频和高压方向发展,才能符合高速扫描与快速驱动的效果,所以驱动IC的pin脚数以及颗数都会随之提高。以之前主流的DriverIC来讲,Gate Driver 的pin脚是256颗,Source Driver的管脚是384颗,那么15寸的XGA (1024x768)则需要3颗Gate DriverIC(3x256=768)和8颗Source DriverIC(8x384=3072,但是每个pixel需要分别三个R、G、B),很简单的道理,解析度越高就是脚数越来越多或者脚数不变而增加驱动IC的数量。

3、驱动IC的主要设计公司:

1)联咏(NovaTek):它是联电的集团成员,全球最大的面板驱动IC厂商,位居前三。大尺寸4K/2K电视以及大陆4G手机面板。它是少数可以提供HD720以上的驱动IC的厂商之一。

2)奕力:小尺寸屏幕(α-Si)的驱动IC以及LTPS(低温多晶硅)的液晶面板驱动IC,专攻中国白牌手机屏幕驱动的龙头(>50%)。近几年扩展大尺寸驱动以及触控(Touch+Driver)应用于WVGA以及RAMless qHD和HD720,2015年出货full HD。

3) F-谱瑞:高速信号传输显示器驱动IC,少数有能力提供DP/eDP T-CON产品的公司之一,是嵌入式eDP T-CON的领导厂商,主攻iPAD/MAC book/pro,Intel的NoteBook的Haswell平台也要支持eDP技术会带来新一轮增长。

4) 奇景光电(Himax):主要领域是显示驱动与时序控制(T-CON),应用于电视以及手机电脑等消费类电子。它还涉及触控面板控制IC、LED驱动IC、PMIC以及CIS等。它应该是大中小通吃吧,比较厉害了。

5) 矽创(Sitronix):它是胜华与华映转投资的面板驱动IC,以STN和CSTN起家,延伸到小尺寸的TFT并且跨入到触控IC领域,包括电容式和压电式。其中电容式驱动IC主要用于手机为了兼容电容触控系统,而压电式是他们自己的专利,成本很强(驱动IC的成本很激烈)。

6) 瑞鼎(Raydium):专供友达面板的驱动IC,貌似也有触控了。

还有一些企业如晶门科技(Solomon),还有上海的格科微(主要从事CIS,2013年出货手机驱动IC)等等。

4、未来发展趋势:

大陆2014年扩张8.5代(55寸,2.2m*2.5m)产能以及LCDTV大型化和高清化,势必引起新一轮驱动IC的增长。尤其现在中国的京东方(BOE)以及华星光电等等火热发展面板业,但是瓶颈即将出现在驱动IC上,因为很多大代工厂都把产能利用在高附加值的AP处理器以及存储器,所以设计公司很难要到产能。而对于设计公司,由于驱动电路设计几乎已经成熟而且都是专利,所以进入门槛低价格竞争非常激烈,所以成本考量非常重要。第三个难点在于HV的制程比较复杂热过程(Thermal process)多而且高压容易漏电,所以很多工厂都不愿意接单。所以未来的驱动IC代工将会是重点,比如合肥的晶合科技(12寸)就主攻驱动IC打造面板产业链。

第一个成长动力是窄边框,所以GOA技术(Gate-on-Array)的推广,会导致Gate Driver需求量下降,但是高解析度的要求会加大对Source Driver的需求,预计2018年Source IC的成长将比2012年增长3倍(NPD DisplaySearch)。

第二个成长动力是高整合度,这就是现在比较流行的触控整合驱动(2in1)。几乎由触控IC厂商整合驱动IC厂商,提高竞争力。比较hot的新闻有Synaptic收购Renesas SP出货TDDI (Touch Display Driver Integration)。还有F-敦泰收购旭曜(凌阳子公司)与2014年出货IDC (Integrated Driver Controller)。说起这个TDDI,我又想多啰嗦几句了,之前Apple和Samsung一直在比较In-cell和On-cell,所谓In-cell就是指将触控面板嵌入到液晶像素中去,而on-cell则是将触摸屏放到像素上面(显示屏的彩色滤光片基板和偏光片之间),即在液晶面板上配触摸传感器,相比In Cell技术难度降低不少。那么in-cell就是类似整合驱动与触控的概念,而且In-cell用单层自电容取代双层互电容,使面板变得轻薄而且便宜,但是技术难点在于触控与驱动的信号干扰以及以及两层电容的互干扰问题,所以提高速度与灵敏度需要客服。而自电容in-cell结构需要加厚ITO,所以成本和透光性都是难题。现在也有用折中方案的,使用双层电容,感应层电容放在on-cell,驱动层电容放在in-cell。

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最后提一下驱动IC的封装技术,由于面板的轻薄,所以封装必须低厚度,而且pin脚数比较多,所以主要采用TAB封装(Tape Auto Bounding)、COB封装(Chip on Glass)、COF封装(Chip on Film),TAB封装使用的卷带成本比较高(70%)且厚度约600~1000um。所以后来发展到COF封装也是使用卷带基板,厚度约400~700um,最后发展到COB封装,正面长好凸块直接mount在面板玻璃上,但是大尺寸的面板尽量不用这个技术,因为一旦某个IC失效会导致整个面板报废。

好了,中国的半导体红潮来了,我们应该要现在开始积累我们的高压制程技术,迎接驱动IC的制造,这样才能应对景气循环做到淡季不淡啊。