David G. Baldwin, James R. Rubin, Afsaneh Gerami

Рідкокристалічні індикатори

David G. Baldwin, James R. Rubin, Afsaneh Gerami

 

Рідкокристалічні індикатори (LCD) з'явилися на ринку з 70-х років. Вони широко застосовуються в багатьох пристроях, наприклад, електронний годинник, мікрокалькуляторах, радіоприймачах і інших пристроях, в яких потрібні індикатори і три або чотири буквено-цифрових знака. Останні досягнення в технології рідкокристалічних матеріалів дозволяють виготовляти великі індикатори. Хоча рідкокристалічні індикатори являють собою лише невелику частину виробів, що випускаються напівпровідникової промисловістю, їх значення зросло завдяки застосуванню в плоских дисплеях портативних комп'ютерів, надлегких ноутбуках і спеціалізованих текстових процесорах. Прогнозується подальше зростання використання рідкокристалічних індикаторів, так як, врешті-решт, вони замінять новітню електронну лампу - електронно-променеву трубку (CRT) (О'Mara 1993).

Виготовлення рідкокристалічних індикаторів - високоспеціалізований процес. Результати моніторингу промислових гігієністів вказують на дуже низький рівень вмісту сторонніх речовин в повітрі при зафіксованому впливі розчинників (Wade et al. 1981). В цілому тип і кількість токсичних, корозійних і займистих твердих, рідких і газоподібних хімічних речовин і небезпечних фізичних реагентів, що застосовуються при виготовленні рідкокристалічних індикаторів, обмежена в порівнянні з іншими типами напівпровідникових приладів.

Молекули рідкокристалічних речовин мають витягнуту "паличковидну" форму. На рис. 83.5 показана молекула ціанбіфеніла. Молекули мають властивість обертання площини поляризації світла, що проходить через них. Хоча самі молекули прозорі для видимого світла, контейнер з рідким матеріалом виявляється молочним або напівпрозорим замість прозорого. Це відбувається через подовжених осей молекул, розташованих під довільними кутами, що ведуть до хаотичного розсіюванню світла. Осередок рідкокристалічного індикатора організована так, що молекули мають певну орієнтацію. Орієнтація може бути змінена під впливом зовнішнього електричного поля, що дозволяє зміна поляризації падаючого світла.

Мал. 83.5 Базові молекули рідкокристалічного полімеру

При виготовленні плоских індикаторів дві скляні пластини обробляються окремо, а потім їх з'єднують. На передній пластині формують малюнок для створення матриці кольорового фільтра. На задній пластині формують малюнок тонкоплівкових транзисторів і металевих межсоединений. Дві пластини з'єднують у процесі складання і, якщо необхідно, розрізають і поділяють на готельні індикатори. Зазор між двома скляними пластинами заповнюється рідкокристалічним речовиною. Індикатори оглядають і перевіряють; на кожну скляну пластину наносять плівку поляризатора.

Для виготовлення плоского індикатора потрібно виконати ряд окремих технологічних операцій зі спеціалізованим обладнанням, матеріалами та технологіями. Деякі з основних технологічних процесів будуть описані нижче.

Підготовка скляної підкладки

Скляна підкладка - важливий і дорогий компонент індикатора. Жорсткий контроль оптичних і механічних властивостей матеріалу потрібно на кожному етапі технологічного процесу, особливо при нагріванні.

 

Виготовлення скла

Застосовуються два способи виготовлення дуже тонкого скла з точними розмірами і відтворюваними механічними властивостями. У процесі плавлення за технологією Корнінг застосовується скляний стрижень, який розплавляється в клиноподібному жолобі і тече поверх і з боків жолоби. Стікаючи по обидва боки ринви, розплавлене скло з'єднується в лист на дні жолоба, і може витягуватися у вигляді однорідного листа. Товщина листа залежить від швидкості протягання скла. Так можна виготовити лист шириною до 1 м.

Інші виробники скла з відповідними розмірами підкладок рідкокристалічних індикаторів застосовують плаваючий метод виготовлення. Розплавлене скло тече на шар розплавленого олова. Скло не розчиняється і не взаємодіє з металевим оловом, а плаває на поверхні. Це дозволяє силі тяжіння згладити поверхню, а обидва боки стати паралельними (див. Розділ "Скло, кераміка та споріднені матеріали").

 

Є підкладки різних розмірів аж до 450х550 мм і більше. Типова товщина скла для плоских індикаторів дорівнює 1.1 мм. Більш тонке скло застосовується для індикаторів меншого розміру (в пейджерах, телефонах, електронних іграх і т.д.).

Очищення

Очищенню підлягають чисті скляні підкладки і підкладки з нанесеними на них органічними плівками, такими як кольорові фільтри, плівки з полиимидной орієнтацією і т.д. Крім того, очищаються підкладки з нанесеними напівпровідниковими, ізолюючими і металевими плівками на певних етапах технологічного процесу. Очищення необхідна, як мінімум, перед кожним етапом маскування при виготовленні кольорового фільтра або тонкопленочного транзистора.

 

Для очищення більшості плоских індикаторів застосовується комбінація фізичних і хімічних методів, з вибірковим використанням сухих методів. Після хімічного травлення або очищення підкладки зазвичай сушать за допомогою ізопропілового спирту (див. Таблицю 83.8).

 

Таблиця 83.8 Очищення плоских індикаторів

Фізичне очищення	Сухе очищення	Хімічне очищення
Очищення за допомогою щітки	Ультрафіолетовий озон	Органічні розчинники *
Розбризкування	Плазма (з оксиду)	Нейтральне миючий засіб
Ультразвукова	Плазма (без оксиду)
Мегазвукова	Лазер	Чиста вода

* Типові органічні розчинники, що використовуються при хімічному очищенню, включають: ацетон, метанол, етанол, n-пропанол, ізомери ксиліт, трихлоретилен, тетрахлоетілен.

Осадження тонких плівок

Процес починається з нанесення тонких плівок на підкладку. Тонкі плівки наносять методом хімічного парофазного осадження (CVD) або фізичного парофазного осадження (PVD). Плазменно-хімічне парофазного осадження, або осадження при тліючому розряді, застосовується для кремнію, нітриду кремнію та діоксиду кремнію.

 

Зборка

Після натирання підкладки починається збірка на автоматичної лінії. Процес складається з наступних етапів:

 

• нанесення адгезиву (необхідного для герметизації панелей);

• установка прокладок;

• розміщення і оптичне суміщення малюнків на скляних підкладках;

• затвердіння адгезиву і склеювання двох скляних пластин при температурній або ультрафіолетової обробки.

 

Автоматична транспортування верхньої і нижньої пластини відбувається на лінії складання. Одна пластина отримує адгезив, а друга вводиться на ділянку установки прокладок.

Заповнення індикаторних пристроїв рідкокристалічним речовиною

Коли на підкладці утворюється більше одного індикатора, її розрізають на окремі маленькі пластинки з готовими індикаторами. На цьому етапі жидкокристаллическое речовина може вводитися в зазор між підкладками за допомогою отвору, залишеного в герметизуючому матеріалі. Потім вхідний отвір герметизується і готується до завершальної перевірки. Рідкокристалічні речовини часто є системи з двох або трьох компонентів, що змішуються при заповненні. Системи заповнення забезпечують змішування компонентів і продування осередки для запобігання утворенню бульбашок при заповненні.

Огляд і випробування

Після складання і заповнення рідкокристалічного речовини проводиться огляд і функціональні випробування. Більшість дефектів пов'язане зі сторонніми частинками (включаючи точкові і лінійні дефекти) і зазорами між осередками.

 

Кріплення поляризатора

Заключний етап виготовлення рідкокристалічних індикаторів полягає в нанесенні поляризатора на зовнішню сторону кожної скляної пластини. Плівки поляризатора є композитні плівки, що містять чутливий до тиску адгезивний шар для приклеювання поляризатора до скла. Вони наносяться за допомогою автоматів, які розподіляють матеріал з рулонів або попередньо нарізаних листів. Автомати є модифікації маркувальних установок, що застосовуються в інших галузях. Плівка поляризатора наклеюється на обидві сторони індикатора. У деяких випадках перед поляризатором наноситься компенсаційна плівка, тобто полімерна плівка (наприклад, з полікарбонату і поліметилметакрилату), що розтягується в одному напрямку. Розтягування змінює оптичні властивості плівки. Готовий індикатор зазвичай має інтегральні схеми драйвера на одній зі скляних підкладок або біля неї, як правило, на стороні тонкопленочного транзистора.

 

Фактори ризику

Серйозним фактором ризику при виготовленні рідкокристалічних індикаторів є крихкість скла, внаслідок чого персонал може отримати різані і рвані рани. Іншою проблемою, яка викликає стурбованість, є вплив хімікатів, що використовуються для очищення підкладок.

 

 

Типи модулів

1.Символьні РКІ. Являють собою недороге і зручне рішення, що дозволяє заощадити час і ресурси при розробці нових виробів, при цьому забезпечують відображення великого обсягу інформації при хорошій розрізнення і низькому енергоспоживанні. Формати - від 8х2 до 40х4 символів. Індикатори поставляються з кириличної прошивкою.

2.Графічні РКІ. Потрібно відзначити, що в області компактної індикації у графічних РКІ немає альтернативи. Цікавий також варіант застосування графічних модулів фактично в якості алфавітно-цифрових, але зі збільшеним розміром знаків (при малій кількості розрядів), чому сприяє наявність достатньої кількості РКІ з малоформатними матрицями і компактними габаритами. Формати - від 122х32 до 320х240 пікселів.

Технологія виробництва

В даний час основною технологією виробництва є конструкція з жорсткою основою модуля на друкованій платі, де токопроводящая гума притискається рамкою до плати і склу. Недоліками є великі габарити і вага модулів, які не дозволяють використовувати їх в мініатюрних установках. Ці проблеми вирішують технології COB, COG, COF, TAB:

• COB (Chip on Board). Монтаж компонентів проводиться на малогабаритну надтонку друковану плату. Модуль складається зі скла, гнучкого спеціального з'єднувача, малогабаритної друкованої плати з мікросхемою драйвера.

СOG (chip on glass). Нова технологія монтажу кристала безкорпусного драйвера РКІ на склі модуля економить місце і енергоспоживання. Контрастність зображення індикатора залежить від матеріалу рідкого кристала.

Основні види матеріалів:

• TN (twisted nematic) - рідкий кристал з поворотом на 90 °;

• STN (super twisted nematic) - рідкий кристал з поворотом від 180 до 270 °;

• FSTN (formulated STN) - рідкий кристал STN з компенсаційними оптичними добавками. Модулі типу FSTN мають максимальний контраст за рахунок застосування спеціальної технології чернения.

підсвічування РКІ

• LED (світлодіодна) підсвічування може мати два виконання. Відомо, що найбільш надійною вважається світлодіодне підсвічування. У той же час фронтальне розташування світлодіодів в графічних індикаторах призводить до великого струму споживання. Поява надяскравих світлодіодів та удосконалення конструкції світлодіодів дозволило створити економічний варіант бічній світлодіодного підсвічування. Її перевагами є довговічність, відсутність необхідності в додатковому джерелі живлення, велика різноманітність кольорів. Застосовується при будь-яких умовах освітленості. Основний недолік - великий струм споживання. Цю підсвічування рекомендується застосовувати для недорогих пристроїв.

• EL (електролюминесцентная) підсвічування, яка виконується у вигляді тонкої пластини в невеликих дисплеях, що дозволяє істотно скоротити товщину і вагу індикатора. Застосовується при будь-яких умовах освітленості. Основний недолік такого підсвічування - її порівняно невеликий термін служби (до 7 тис. Годин) і фіксована яскравість. Рекомендується застосовувати в недорогих пристроях з батарейним харчуванням.

• CCFL (лампа з холодним катодом) використовується в основному в великих графічних індикаторах. Відрізняється високою яскравістю і тривалим терміном служби - до 20 тис. Годин. Чи не застосовується в умовах яскравого освітлення.

Температурні діапазони

Стандартний робочий температурний діапазон: 0... + 50 ° С, розширений робочий температурний діапазон: -20... + 70 ° С.

Рідкокристалічні індикатори

David G. Baldwin, James R. Rubin, Afsaneh Gerami

 

Рідкокристалічні індикатори (LCD) з'явилися на ринку з 70-х років. Вони широко застосовуються в багатьох пристроях, наприклад, електронний годинник, мікрокалькуляторах, радіоприймачах і інших пристроях, в яких потрібні індикатори і три або чотири буквено-цифрових знака. Останні досягнення в технології рідкокристалічних матеріалів дозволяють виготовляти великі індикатори. Хоча рідкокристалічні індикатори являють собою лише невелику частину виробів, що випускаються напівпровідникової промисловістю, їх значення зросло завдяки застосуванню в плоских дисплеях портативних комп'ютерів, надлегких ноутбуках і спеціалізованих текстових процесорах. Прогнозується подальше зростання використання рідкокристалічних індикаторів, так як, врешті-решт, вони замінять новітню електронну лампу - електронно-променеву трубку (CRT) (О'Mara 1993).

Виготовлення рідкокристалічних індикаторів - високоспеціалізований процес. Результати моніторингу промислових гігієністів вказують на дуже низький рівень вмісту сторонніх речовин в повітрі при зафіксованому впливі розчинників (Wade et al. 1981). В цілому тип і кількість токсичних, корозійних і займистих твердих, рідких і газоподібних хімічних речовин і небезпечних фізичних реагентів, що застосовуються при виготовленні рідкокристалічних індикаторів, обмежена в порівнянні з іншими типами напівпровідникових приладів.

Молекули рідкокристалічних речовин мають витягнуту "паличковидну" форму. На рис. 83.5 показана молекула ціанбіфеніла. Молекули мають властивість обертання площини поляризації світла, що проходить через них. Хоча самі молекули прозорі для видимого світла, контейнер з рідким матеріалом виявляється молочним або напівпрозорим замість прозорого. Це відбувається через подовжених осей молекул, розташованих під довільними кутами, що ведуть до хаотичного розсіюванню світла. Осередок рідкокристалічного індикатора організована так, що молекули мають певну орієнтацію. Орієнтація може бути змінена під впливом зовнішнього електричного поля, що дозволяє зміна поляризації падаючого світла.

Мал. 83.5 Базові молекули рідкокристалічного полімеру

При виготовленні плоских індикаторів дві скляні пластини обробляються окремо, а потім їх з'єднують. На передній пластині формують малюнок для створення матриці кольорового фільтра. На задній пластині формують малюнок тонкоплівкових транзисторів і металевих межсоединений. Дві пластини з'єднують у процесі складання і, якщо необхідно, розрізають і поділяють на готельні індикатори. Зазор між двома скляними пластинами заповнюється рідкокристалічним речовиною. Індикатори оглядають і перевіряють; на кожну скляну пластину наносять плівку поляризатора.

Для виготовлення плоского індикатора потрібно виконати ряд окремих технологічних операцій зі спеціалізованим обладнанням, матеріалами та технологіями. Деякі з основних технологічних процесів будуть описані нижче.