CC BY
95Современные технологии
крупноформатных TFT ЖК-панелей
Александр САМАРИН
Мировой объем выпуска большеформатных TFT ЖК-панелей достиг к концу 2009 года рекордной отметки — 527 млн штук, в основном за счет роста объемов телевизионных панелей, ЖК-панелей для нетбуков и панелей большого формата для информационных табло аэропортов и вокзалов. Этот факт отмечен экспертами как начало восстановления отрасли после кризисных явлений конца 2008 — начала 2009 года. В период кризиса многие ведущие производители вынуждены были сокращать объемы производства вследствие резкого падения спроса.
Введение
Производство крупноформатных TFT ЖК-панелей продолжает расти, несмотря на падение объемов выпуска в некоторых секторах. Для сокращения расходов и освоения обширного китайского рынка японские, корейские и тайваньские компании продолжают развертывание своих промышленных мощностей в Китае. В качестве антикризисных мероприятий ведущие производители Тайваня объединяются и укрупняются. Происходит смена ориентиров и среди японских компаний. Наблюдается перемещение оборудования японских фабрик первых поколений в Китай. Происходит также продажа японскими компаниями малорентабельных фабрик младших поколений тайваньским производителям.
Групповой технологический процесс и материнские стеклянные подложки
В производстве большеформатных TFT ЖК-панелей для снижения затрат используется групповой процесс с использованием материнских стеклянных подложек. В зависимости от размеров панелей используются и соответствующего размера материнские подложки. Класс, или поколение фабрик, производящих ЖК-панели, определяется размером базовых подложек и имеет соответствующую нумерацию поколений подложек — Generation N, где N — номер от 1 до 11. Размер подложки играет ключевую роль для повышения эффективности производства, снижения затрат и, следовательно, снижения цены.
Впервые групповой процесс с использованием материнских стеклянных подложек был применен для производства ЖК-индикаторов для калькуляторов и ручных часов в начале 1980-х годов в Японии. Использование группового процесса позволило снизить себестои-
мость ЖК-индикатора. Позже эта технология стала использоваться и для изготовления а^ ТБТ ЖК-панелей для портативных телевизоров. Размер стеклянных подложек не был стандартизирован и варьировался производителем. Размер определялся исключительно эффективностью «раскроя» материнской подложки под размеры доминирующей продукции фабрики.
Первое поколение оборудования фабрик ^1) было ориентировано на ЖК-панели для портативных телевизоров с экраном 8". Для производства ТБТ ЖК-панелей для ноутбуков с диагональю 10,4" пришлось увеличить размер материнской подложки до G2. В настоящее время фабрики поколений G2-G3 используются в основном для производства
малоформатных ТБТ ЖК-дисплеев для мобильных телефонов.
Дальнейшее увеличение размеров подложек определялось переходом на новые типы продукции. К концу 1990-х годов был освоен серийный выпуск ЖК-мониторов с диагоналями 14-15". Для эффективного раскроя ЖК-панелей для мониторов были построены заводы следующих поколений — G3-G4. Появление поколения G5 связано с продвижением на массовый рынок ЖК-телевизоров с диагоналями 20-30". Фабрики G6 ориентированы на выпуск 37-дюймовых телевизионных ЖК-панелей, G7 — 46-дюймовых, G8 — 55-дюймовых, в расчете по 6 панелей на материнской подложке. В настоящее время 34,3% всех большеформатных ТБТ ЖК-
Gen. 1 Gen. 2 Gen. 3 Gen. 3.5 Gen. 4
300x400 мм 370x470 мм 550x650 мм 600x720 мм 680x880 мм 730x920 мм
13,3"х6 ------------ ------------
13,3"х9 14"х9
15"х6 17"х6
20''х4
Gen. 7 1870x2200 мм
Gen. 8:
2160x2460 мм (площадь G4x4)
Gen. 8.5: 2200x2500 мм
32"х10
42"х6
Рис. 1. Оптимальный раскрой материнских пластин разных поколений
32"х8
37"х6
42"хЗ
32"х8
37"х6
42"хЗ
8,4"х4
10,4"х4
12,1"х6
Gen. 5 1100x1250 мм
Gen. 6 1500x1800 мм
Таблица 1. Размеры материнских стеклянных подложек для различных поколений фабрик
Поколение материнских подложек Размер, мм Год внедрения
G1 320x400 До 1987
G2 370x470 1987
G3 360x465 1994
G4 550x650 1997
G5 680x880 2000
G6 1100x1250 2002
G7 1500x1800 2004
G8 1870x2200 2005
G9 2160x2460 2006
G10 2850x3050 2009
G11 2320x3000 2011
панелей производится на оборудовании фабрик G7. В таблицах 1 и 2 показаны размеры материнских подложек для разных поколений фабрик и варианты их раскроя под различные форматы панелей.
На рис. 1 показаны топологии раскроя материнских подложек разных поколений для различных форматов ЖК-панелей.
Оборудование и структура TFT LCD фабрик
На фабриках первого поколения использовались отдельные единицы технологического оборудования. Позднее производители оборудования стали создавать интегральные линии, ориентированные на полный технологический процесс. Сейчас производители ЖК-дисплеев используют высокоавтоматизированные технологические линии. Сектор базового оборудования для производства TFT LCD на 7О% обеспечивается японскими компаниями. В состав оборудования входят установки для проведения технологических процессов транзисторной матрицы, цветных фильтров, сборки ЖК-ячеек и модуля, транспортировки, испытания и погрузки. В состав базового оборудования входят: вакуумные установки для нанесения пленок, проекционное оборудование фотолитографии (перенос рисунка), установки для химического и вакуумного травления и очистки, сборочное оборудование. Для увеличения производи-
Таблица 2. Варианты раскроя материнских подложек
Поколение Размер Диагональ экрана, дюйм
подложки, мм 26 32 37 40 42 46 47
G5 1100 1300 6 3 2 2 2 2 2
G6 1500 1850 12 8 6 4 3 3 2
G7.5 1950 2250 18 12 8 8 8 6 6
тельности вакуумных процессов используются многокамерные кластерные вакуумные установки со шлюзовыми камерами для разгрузки и выгрузки стеклянных пластин. Установка занимает площадь 18x17 м и весит более 100 т. На рис. 2 показан вид такой установки.
Стоимость кластерной вакуумной установки составляет около $100 млн. Соответственно и стоимость остального технологического оборудования тоже немалая. Например, стоимость фабрики G4 составляет более $1 млрд. А суммарная стоимость оборудования фабрики G8, обеспечивающего производительность 60 ООО подложек в месяц, — свыше $3,3 млрд. Следует отметить, что затраты на транспортировку и монтаж оборудования для производства большеформатных дисплеев TFT-LCD, особенно G8 линеек, очень велики. Размер зданий для размещения технологического оборудования для фабрики Gen 6 достигает 400x160x50 м. На рис. 3 показан вид одного из цехов фабрики поколения G7.5.
Для того чтобы окупить огромные расходы на строительство здания, приобретение оборудования и его монтаж, фабрики по производству TFT ЖК-панелей работают круглосуточно без выходных, то есть 365 дней в году.
Фабрика G10 LCD Sharp в Сакаи
Построенный компанией Sharp завод 1О-го поколения по производству TFT LCD является крупнейшим в мире и расположен в городе Сакаи (Sakai), префектура Осака (Osaka), Япония. Основное направление G^ LCD фабрики — производство 65-дюймовых TFT ЖК-панелей для телевизоров. При необходимости завод может выпускать и панели меньших размеров. В производстве используются материнские стеклянные подложки размером
2880x3130 мм, то есть на 60% больше, чем размеры подложек, используемых на заводе Sharp текущего поколения G8, расположенного в городе Камеяма (Kameyama). Такой размер обеспечивает очень эффективную раскройку стекла под 65-дюймовые ЖК-панели для телевизоров. На стекле такого размера также «укладываются» 8 подложек для экранов 57" или 10 подложек для экранов 46".
Завод в Сакаи называют «Производственный комплекс XXI века». Для освещения цехов используются светодиодные лампы. На крышах цехов установлены солнечные батареи, которые обеспечивают существенный энергетический потенциал предприятия. Запуск производства, начатый в апреле 2009-го, будет продолжаться до конца 2010-го. Стартовое серийное производство на фабрике началось в октябре 2009 г. Sharp ожидает, что спрос на телевизионные ЖК-панели большого размера не только не уменьшится, но и возрастет, благодаря развертыванию новых сборочных производств в Китае.
Компания Sharp вложила в строительство завода G10 свыше $3,9 млрд. Завод построен на паях с компанией Sony. Доля вложенного Sony капитала составляет 34%. Хотя в настоящее время компания Sharp и не является № 1 в дисплейной индустрии, она продолжает сохранять лидерство в мультидоменной технологии (MVA). На рис. 4 показан план рас-
Рис. 2. Подложка G8 на фабрике AUO (на заднем плане — вакуумная установка)
Рис. 3. Фабрика G7.5, вид изнутри
Материнская «Голые»
подложка стеклянные
с транзисторной материнские матрицей подложки
TFT
Осаждение пленки
Фотолитография
Травление
Удаление фоторезиста
TFT
Материнская подложка с цветными фильтрами
CF
Цветной
фильтр
«Голые»
стеклянные
материнские
подложки
Формирование решетки «черной матрицы»
Формирование цветных фильтров
Полировка
Осаждение слоя окиси индия
Формирование ориентирующего слоя для MVA
Формирование спейсеров фотолитографией
Финишный контроль
CF ______■
Рис. 5. Технологические процессы производства подложек транзисторной матрицы и цветных фильтров
Материнская подложка с транзисторной матрицей
Сборка ЖК-ячеек
Разделение ЖК-ячеек
Обработка торцов стекол
Накатка поляризаторов
Рис. 6. Процесс сборки ЖК-ячейки
Металлическая
рамка
Кристаллы драйверов
драйверов на пленочный носитель
При размере экрана „
свыше 20" задней подсветки
Рис. 7. Процесс сборки TFT ЖК-модулей
положения производственных мощностей комплекса G10 Sharp.
Следует обратить внимание на эффективную планировку транспортных путей. Фабрика построена на насыпном полуостро-
ве на берегу Осакского залива. Для транспортировки грузов морским путем с двух сторон территории завода построены причалы с зоной для разгрузки-погрузки. Предусмотрены зоны парковки для легкового и грузового
транспорта. На территорию заходит и железнодорожная ветка. Производство в Сакаи, кроме G10 LCD фабрики, имеет в своем составе и завод по выпуску тонкопленочных солнечных панелей. Начальная производительность составит 36 000 подложек в месяц, а полная — 72 000 подложек.
Базовые технологические процессы производства большеформатных TFT ЖК-панелей
Производство TFT ЖК-панели состоит из четырех базовых процессов:
• Технологический процесс подложек с активной матрицей (Array Process).
• Процесс производства подложек с цветными фильтрами (Color Filter Process).
• Процесс сборки ЖК-ячеек и заливка ЖК-
материала (Cell Process).
• Сборка модуля (Assembly Process).
Для проведения процессов используются отдельные линейки оборудования, которые могут размещаться как в отдельных цехах, так и на других производствах. В первых двух процессах используется групповой метод обработки нескольких подложек панели, размещенных на одной материнской стеклянной подложке. Процессы проходят параллельно. Разделение на отдельные панели проводится после сборки ЖК-ячеек и заливки ЖК-материала. На рис. 5-7 показана структура базовых технологических процессов производства TFT ЖК-панелей.
Фабрика может содержать оборудование для проведения всех четырех базовых процессов или же иметь линейки для выполнения только одного, двух или трех процессов. Например, есть фабрики по производству только подложек с цветными фильтрами. Сборка модулей часто выполняется или на отдельной линейке оборудования, или даже на другом предприятии и в другой стране. Подложки с матрицами и цветными фильтрами могут поставляться по заказу и другим фирмам.
Транспортировка и перемещение материнских подложек
Упаковка, распаковка и транспортировка внутри технологических линий осуществляется только с помощью механических манипуляторов. Захват и удержание стеклянных подложек происходит с помощью вакуум-
Рис. В. Штабелирование ЖК-подложек роботом-укладчиком
ных присосок. Перемещаются материнские подложки между оборудованием для технологических операций посредством транспортерных валиковых линий или в контейнерах. На рис. 8, 9 показаны процессы перемещения ЖК-подложек внутри цехов фабрик большеформатных дисплеев.
Формирование TFT-матрицы на подложке
Для формирования ТБТ-матрицы используются несколько вакуумных процессов. С помощью установок вакуумного напыления PECVD производится осаждение пленок а^, пленки 1ТО, слоя подзатворного диэлектрика для транзисторов матрицы, а также напыление металлических шин проводников адресации.
Типовой процесс: осаждение металлической пленки для формирования шин строк (Та, А1, МоТа), фотолитография, анодное распыление пленки Та205, осаждение нитрида кремния, фотолитография, осаждение пленки а^, фотолитография, осаждение пленок столбцовых и строчных электродов (Т^ А1), фотолитография, осаждение пленки электрода пикселя (ГГО), фотолитография.
Большая часть производителей применяет подложки с уже нанесенным слоем ГТО, поэтому для них первой операцией будет фотолитография и травление этого слоя пленки. В первых технологических процессах для формирования транзисторной матрицы использовалось 8 фотолитографий. По мере эволюции были разработаны процессы совмещения фотолитографий для нескольких слоев, и число операций сократилось до четырех. Очевидно, что это позволило существенно снизить себестоимость панели.
Проблемы проекционной литографии
По мере увеличения размера экранов растут и трудности формирования на таких огромных площадях топологии транзисторных матриц и цветных фильтров. Требуется разработка нового оборудования, обеспечивающего достаточную точность, уменьшение расходов технологических процессов, а также уменьшение времени самого процесса.
При увеличении диагонали экранов производители, чтобы получить нужный уровень рентабельности, вынуждены увеличи-
вать и размер материнских стеклянных подложек от 680x880 мм, что были 8 лет назад, до 2200x2500 мм сейчас. Корпорация Sharp построила первый в мире завод Generation 10, в котором используются подложки 2880x3080 мм, предназначенные для размещения на них шести 65-дюймовых подложек или до восьми 57-дюймовых телевизионных панелей. Главной проблемой при увеличении размеров подложек является формирование рисунка топологии структуры активной матрицы (Array Process) и цветных фильтров (CF Process).
При масштабном переходе на формат подложки G10 перенос рисунка по большой площади является ключевой проблемой, поскольку нужно обеспечить одновременно как высокую точность, так и приемлемую цену технологического процесса. И хотя требования спецификаций по точности технологических процессов формирования рисунков активной матрицы и цветных фильтров значительно ниже, чем те, которые приняты в настоящее время для производства микросхем, проблема состоит в работе с большими площадями. Нужно обеспечить поддержку разрешений и точности по всей поверхности материнской подложки, которая составляет около 7 м2! При оценке удельной стоимости процесса должна учитываться как стоимость единицы оборудования, так и стоимость эксплуатационных расходов. Типовые тонкопленочные транзисторы на a-Si имеют критические размеры около 3,5 мкм и точность совмещения ±1 мкм. В технологическом цикле цветных фильтров только для фильтра черной матрицы требуется разрешение 10 мкм и точность не хуже ±3 мкм. Для формирования остальных компонентов — цветных фильтров, спейсеров и элементов для ориентации ЖК-слоя — достаточна точность 20 мкм.
Основной метод, который используется для того, чтобы получить подходящую производительность при росте размера подложки, состоит в увеличении размера рабочего поля фотошаблонов или масок. Сегодня размеры фотошаблонов, которые применяются в производственном цикле линейки G8, составляют 1220x1400x13 мм. Стоимость одного такого шаблона с защитной пленкой, тонкой прозрачной мембраной, предохраняющей от попадания частиц с поверхности фотошаблона на рабочую поверхность подложки при контактировании, достигает $350 000. При использовании такого фотошаблона процесс экспонирования для подложки G10 площадью 2880x3080 мм происходит за четыре фазы сканирования. В настоящее время изготавливаются маски даже больших площадей, вплоть до 1600x1800x17 мм, но поскольку в таком фотошаблоне используется кварцевая подложка, стоимость его может достигать $1 млн за одну штуку.
Стоимость установки фотоэкспонирования, используемой в технологии формирования транзисторной матрицы в линейке G10, в 6 раз
выше, чем у аналогичной установки в линейке G4. Стоимость другого оборудования с увеличением размеров материнской подложки поднимается в цене всего в два раза.
Сканирующая маска Для переноса рисунка топологии (рис. 10) используется масочный фотошаблон, который перемещается над базовой подложкой с высокой точностью. Проекция осуществляется за несколько фаз сканирования.
Рис. 10. Проецирование рисунка топологии транзисторной матрицы для одной из операций фотолитографии
Система экспонирования EGIS (exposure guided by image sensor)
Система экспонирования с юстировкой на основе датчика изображения EGIS была разработана компанией V Technology Co. Ltd. из Иокогамы. В ней используется перемещаемая над поверхностью подложки платформа с источником света и системой линз, а также фотомаска. В системе EGIS требуется применение опорного шаблона изображения, по которому осуществляется юстирование положения проекционной головки. Смещение проекционной системы относительно опорного шаблона отслеживается линейным ПЗС-датчиком. Сигналы датчика необходимы для точной юстировки маски над подложкой. Каждая маска, имеющая размер 300x350 мм, может подстраиваться по осям X и Y, а также поворачиваться вокруг оси в соответствии с сигналом обратной связи, поступающим от датчика изображения. Измерения производятся каждые 5 мс. Постоянная подстройка позволяет осуществлять высокую скорость перемещения и высокую точность. Система обеспечивает разрешение 10 мкм и точность экспозиции на уровне 1,5 мкм, что вполне достаточно для формирования цветных фильтров.
Оптическая система проекции с варьируемой апертурой
Система проекции с варьируемой апертурой обеспечивает, с одной стороны, отказ от использования дорогого заказного фотошаблона, поскольку в процессе производится фотопечать регулярного рисунка топологии на уровне элементарных фрагментов изображений. С другой стороны, обеспечива-
ется и гибкость перестройки проекционной системы, поскольку требуется просто смена управляющей программы.
Компания Dai Nippon Screen Manufacturing Co. из Киото разработала установку масочной литографии, в которой применяется ультрафиолетовый 308-нм эксимерный лазер, работающий с импульсами длительностью 30 нс. Экспонирование различных типов рисунков топологии производится через систему двух наложенных масок с регулируемым смещением. Такая конфигурация обеспечивает экспозицию широкого класса регулярных рисунков топологии, таких как полоски, шевроны, столбцовые спейсеры, и даже круглых паттернов различных размеров. Поскольку в установке используются прецизионная система позиционирования и эксимерный лазер, она более дорогая, чем установка EGIS, но зато обеспечивает большую гибкость.
Пока что традиционный, хотя и очень дорогой, метод сканируемой апертуры, использующий маски размером 1600x1800 мм, останется доминирующим методом для серийного производства формирования рисунка, поскольку обеспечивает высокое качество и гибкость. Бесконтактная проекция, возможно, потеряет свои позиции в формировании рисунка фильтров RGB, но сохранится для рисунка черной матрицы. Методы экспозиции EGIS и переменой апертуры потенциально имеют возможности для сокращения затрат на эксплуатацию, и их можно будет применять для линейки G10 цветных фильтров. Струйная печать имеет выигрышный фактор стоимости и может стать базовым методом в системе G10, в частности для подложек меньшей площади.
Технологии нанесения цветных фильтров
В качестве цветных фильтров используются органические полимерные материалы с люминесцентными красителями.
Рис. 11. Нанесение цветных красителей напылением через трафаретную маску
Разработано несколько базовых технологий для формирования на стеклянной подложке рисунка цветных фильтров. В традиционной технологии создания цветных фильтров применяется фотолитография. Производится поочередное нанесение пленок красителя и проведение фотолитографий по каждому слою. Сама пленка может наноситься вакуумным напылением, из растворной композиции или из паровой фазы. Используется также метод и без фотолитографии: рисунок фильтров напыляется или осаждается через металлическую маску (рис. 11).
Проблема заключается в создании такой маски. Она должна быть тонкой и прочной, чтобы при большой площади маски не происходил ее изгиб и деформация. Поэтому метод не используется на больших панелях. Более дешевыми и перспективными метода-
ми являются струйная печать или ламинирование (накатка) готового рисунка цветных фильтров с промежуточного ленточного носителя (металлическая фольга) или барабана. На рис. 12 показан процесс трафаретной печати цветных фильтров.
Струйная печать на самой подложке — довольно дешевый и быстрый способ, но есть проблемы с устойчивостью работы микросопел, подающих дозированный поток капель красителя. Несовершенство процесса приводит к недоливу или переливу красителя и, как следствие, — к локальной дефектности цветной матрицы.
Струйная печать рисунка цветных фильтров
Струйная печать RGB-фильтров и шариков спейсеров уже используется при серийном выпуске компанией Sharp в линейке G8 (рис. 13). Этот процесс обеспечивает прямую печать RGB-фильтров, а также шариков спейсеров без использования фотолитографии. Процесс несовершенный, что приводит к появлению дефектов, случается как пропуск краски, так и ее перелив. Поэтому используются повторные циклы печати для устранения дефектов (циклы ремонта). Несмотря на это, Sharp и Dai Nippon Printing намерены существенно усовершенствовать метод и улучшить качество процесса струйной печати уже в этом году, чтобы использовать в линейке оборудования G10.
Рабочая площадь печати — 2100x2400 мм. Скорость печати — 600 мм/с. Точность печати — 15 мкм.
Разработаны и лазерные методы гравировки рисунка цветных фильтров из пленочного носителя (рис. 14).
Сначала ламинированием производится перенос донорской пленки, затем — вырезание фильтров по контуру лазерным лучом. Следом происходит отслаивание остатков пленки-донора. Недостатки метода — дорогостоящее оборудование и недостаточная производительность для серийного производства.
Установки оптического контроля рисунков топологии и «ремонта»
Перед сборкой ЖК-ячеек проводится операция контроля топологии рисунка на подложках матрицы и цветных фильтров с целью обнаружения дефектов. В процессе формирования рисунков на материнских подложках невозможно избежать появления дефектов. Браковать целиком всю пластину или только панель — очень дорого и неразумно. Поэтому производится ремонт с восстановлением дефектных элементов топологии. Технология локального ремонта разработана и применяется в серийном производстве уже более 10 лет. Контроль обычно производится в полуавтоматическом режиме с участием оператора. Обнаружение дефектов осуществляется в автоматическом режиме. Автоматическое распознавание дефектов основано на регулярности рисунков матрицы и фильтров. Оптическая корреляция рисунка на подложке с эталонным изображением позволяет легко находить аномальные участки. Локализация и «ремонт» обнаруженных дефектов производится оператором с помощью специальных установок для локального лазерного выжигания дефектов и локального осаждения пленок в дефектных местах.
Установки визуального и автоматического контроля дефектов и ремонта есть в линейках подложек транзисторных матриц и в линейке цветных фильтров.
Японская компания, производитель технологического оборудования, NTN Согр. разработала полностью автоматическую систему для контроля и ремонта рисунка цветных фильтров для ТБТ ЖК-дисплеев. Традиционная система ремонта позволяет обнаружить дефекты, но не определять точно их координаты, это требует участия оператора. Дефекты могут быть двух типов — белый пиксель, черный пиксель. В случае обнаружения черного пикселя (состав красителя нарушен) используется лазерное локальное выжигание дефектных пикселей и повторное локальное нанесение пигмента на подложку. Новая система позволяет решить все задачи. Анализ топологии и качества фильтров производится с помощью ПЗС-камеры. Система позволяет обнаруживать точное расположение дефектов и классифицировать их тип (белый/черный дефект).
Сборка ЖК-ячеек
Сборка ЖК-ячеек производится склейкой двух материнских подложек с транзисторной матрицей (нижняя подложка) и верхней подложкой (цветные фильтры). На рабочих поверхностях обеих подложек формируется слой ориентирующего покрытия для ЖК-молекул. Материал — полиимидная пленка. Поверхностная анизотропия, обеспечивающая ориентацию, осуществляется в основном механической натиркой ребристым резиновым валиком (рис. 15).
Формирование слоя ЖК-материала Традиционно для формирования ЖК-ячеек используется вакуумный метод и капиллярное заполнение зазора ЖК-материалом. Для этого сначала на материнской подложке с транзисторной матрицей наносятся контурные швы полимерного герметика (рис. 16).
фотополимеризация шва герметика. Склейка из двух стекол скрайбируется и разделяется на отдельные панели ЖК-ячеек. Затем из панелей формируются пакеты, которые помещаются в вакуумную камеру, где производится откачка воздуха из зазора между стеклянными подложками. В эту же камеру помещается и кювета с ЖК-материалом. После откачки пакет со склейками стекол опускают в кювету с ЖК-материалом до соприкосновения заливочных отверстий ЖК-ячеек с поверхностью ЖК-материала.
Вентиль вакуумной камеры открывается, и в камеру поступает воздух. Заполнение зазора ЖК-материалом происходит под действием атмосферного давления. Этот процесс является самым «узким местом» технологии. Например, для заполнения зазора только 1О-дюймовой ЖК-ячейки требовалось около 1О часов, 2 часа на откачку и 8 часов на заполнение зазора. Скорость заполнения — один дюйм в час. Увеличить скорость заполнения нельзя, поскольку будет происходить неравномерное прохождение капиллярного фронта и образуются пустоты. Можно легко представить, что для заполнения зазоров ЖК-материалом в ячейках с диагоналями свыше 5О" потребуется несколько суток на один цикл! Малая производительность этого процесса сдерживает весь цикл производства и увеличивает себестоимость изделия. Следует учесть, что при этом наблюдаются и большие потери дорогого ЖК-материала, остающегося на кромках склеек.
Для увеличения производительности заполнения ЖК был разработан метод ODF (one drop filling). Буквально — «однокапельное заполнение». При этом скорость создания слоя ЖК увеличилась в сотни раз, а для процесса больше не требуется использование вакуумного оборудования.
На подложку с транзисторной матрицей равномерным слоем наносятся микрокапельки ЖК-материала из форсунок. При растекании соседние капельки смыкаются, и образуется равномерный слой ЖК-материала (рис. 17).
Операция выполняется на автоматическом оборудовании с помощью дозаторов, подающих фотополимерный герметик. Клеевой шов полимеризуется в дальнейшем после склейки двух подложек. Спейсеры могут наноситься в одном цикле с ЖК-материалом или отдельно на подложку цветных фильтров. В последнем случае спейсеры распыляются на поверхность платы цветных фильтров. При сборке двух стеклянных подложек спейсеры задают равномерный зазор между внутренними поверхностями склеиваемых подложек. Спейсеры попадают как в зону ЖК-материала, так и в контур клеевого герметика. Подложки с транзисторными матрицами и цветными фильтрами совмещаются и сдавливаются, после чего производится
Потом эта подложка накрывается при сборке подложкой с цветными фильтрами. На подложку с фильтрами предварительно напыляются спейсеры (рис. 18). Для технологии MVA спейсеры формируются методом фотолитографии.
Рис. 18. Нанесение спейсеров
на подложку цветных фильтров
Спейсеры обеспечивают равномерность зазора между пластинами. Обе подложки при сборке сдавливаются, после чего производится фотополимеризация шва герметика. На этапе внедрения технологии ODF было обнаружено, что материал герметика до проведения полимеризации реагирует в местах контакта с ЖК-материалом и загрязняет его посторонними примесями, ухудшающими его оптические свойства. Проблема была решена разработкой герметика с малой химической активностью. Впервые революционный процесс ODF был использован в качестве базового в технологии фабрик G5. Его внедрение позволило резко увеличить производительность, снизить расходы, повысить качество. Совмещение и сборка пластин цветных фильтров и транзисторной матрицы производится в вакуумной камере (рис. 19).
Рис. 19. Совмещение двух подложек со склейкой ЖК-ячеек
После фотополимеризации контурных швов герметика под действием УФ-излучения
Рис. 20. Скрайбирование алмазными дисками и разделение на отдельные панели
производится скрайбирование и разделение склейки материнских стекол на отдельные ЖК-ячейки (рис. 20).
Скрайбирование осуществляется алмазными дисками. Отдельные ЖК-ячейки штабелируются в контейнеры и далее поступают на линию сборки ЖК-панели.
Сборка модулей
Процесс сборки ЖК-модуля — менее сложная операция по сравнению с предыдущими. Сборка может проводиться на полностью автоматизированных линиях или вручную — монтажниками. Производительность сборочных предприятий составляет от 100 до 1500 тыс. модулей в месяц.
Сборка ТБТ ЖК-панели состоит из следующих операций:
• ламинирование поляризаторов на обе стороны ЖК-ячейки;
• монтаж микросхем драйверов;
• монтаж соединительного шлейфа с платой контроллера развертки;
• монтаж печатной платы контроллера развертки;
• монтаж модуля задней подсветки;
• монтаж корпусной рамки;
• функциональный контроль;
• тестовый прогон и термоциклирование;
• функциональный контроль модуля;
• упаковка.
Наклейка поляризационных фильтров
Перед монтажом микросхем драйверов производится наклейка поляризационных пленочных фильтров на обе стороны ЖК-панели (рис. 21).
Рис. 21. Накатка поляризационных пленок на обе стороны панели
Векторы поляризации фильтров смещены относительно друг друга на 90°.
Оптическая система «поляризационные фильтры - слой ЖК-кристалла» обеспечивает исходное темное состояние.
Монтаж микросхем драйверов
Для ЖК-панелей с диагоналями более 20" монтаж кристаллов драйверов производится по технологии COG (Crystal-On-Glass). Для экранов с меньшей диагональю использует-
Рис. 22. Накатка ACF-пленок для драйверов, затем установка драйверов с термокомпрессией, накатка краевых ACF-пленок
ся, как правило, технология COF — кристалл драйвера на пленочном носителе. Электрические соединения между контактными площадками кристаллов и площадками шин проводников на стекле формируются с помощью ACF (Anisotropic Conductive Film) — пленки с анизотропной вертикальной проводимостью. Полоски ACF-пленки (выделены зеленым на рис. 22) сначала приклеиваются вдоль зон контактов на стекле, а затем к ним термокомпрессией присоединяются кристаллы драйверов или переходные шлейфы.
Очевидно, что при наличии даже единичных дефектов потребуется непростой ремонт, не говоря уже о том, что в «домашних»
Рис. 23. Установка шлейфов
для контакта с печатной платой управления (TCON)
Рис. 24. Установка рамки модуля
Рис. 25. Тестовый прогон ЖК-модулей с термоциклированием для выявления потенциальных дефектов в контактных соединениях
условиях произвести ремонт нарушенных контактов просто нереально.
Пристыкованные шлейфы с платами затем подгибаются под панель.
На рис. 22-25 показаны основные этапы сборки ЖК-модуля.
Микросхемы драйверов, элементы задней подсветки и металлические рамки поставляются из Тайваня и Южной Кореи.
При выявлении дефектных соединений производится локальный перемонтаж компонентов сборки.
Во многих случаях сборка может осуществляться на отдельном производстве и даже в другой стране. В современных компаниях процесс сборки полностью автоматизирован. Тем не менее, до сих используется и полуавтоматическая сборка, с преобладанием ручного труда десятков монтажниц. Цена оборудования полностью автоматизированной линии сборки очень высока, а стоимость ручного труда в Китае довольно низкая. Кроме того, в этой стране существенно ниже затраты на инфраструктуру, меньше налоги и цена энергоносителей. Следует учесть и то, что Китай сам является в настоящее время огромным рынком потребления TFT ЖК-панелей и готовых изделий — телевизоров и мониторов. Поэтому начиная с 2001 года основные японские, корейские и тайваньские компании-производители стали переносить сборку TFT ЖК-панелей в Китай. За счет уменьшения стоимости сборочных операций этим компаниям удалось снизить и себестоимость готовых изделий. Например, себестоимость 17-дюймового монитора китайской сборки на $10-15 меньше, чем себестоимость аналогичного, но тайваньской сборки, и это уже с учетом транспортных расходов.
В Китае производится сборка TFT ЖК-панелей таких компаний, как AUO, CMO, HannStar, Hitachi, Innolux, LG Philips, Samsung, Sharp, Toppoly. Свыше 90% мониторов известных мировых брендов собираются в этой стране. 70-80% ноутбуков — также китайской сборки. В последние годы сборочные предприятия большеформатных ЖК-панелей тайваньских производителей были построены и в Европе: в Польше и Чехии. Основные мотивы этого решения — приближение продукции к рынку потребителей в Европе и использование относительно дешевых ресурсов.
Потенциал и местонахождение фабрик
Японские производители до середины 1990-х годов фактически были монополистами в дисплейных технологиях, и в технологии TFT ЖК-дисплеев в частности. Все базовые производства были сосредоточены только там. Кризис в середине 1990-х годов вынудил их для спасения огромной дисплейной отрасли расширять рынок потребления на Запад, сокращать расходы и уменьшать
Samsung
Q4 ’05
IQ2 'Об
Q4 '07
LG. Philips
Q1 'Об
Chi Mei
Q4 '05
Q4 '05
Q4 '06
Q2 '07
Q4 'Об
AU Q4'05
Optronics
Q4 'Об
шуй.у
Sharp
Q4 '05 Q4 '05
Q3 '06
Q4 '06
кшш ИІІІ1
I I Новые | Щ Имеющиеся Остальные
Рис. 26. Базовые фабрики основных производителей TFT ЖК-дисплеев
стоимость изделий. Японские технологии и инвестиции двинулись в Южную Корею и Тайвань. Начиная с 1995 года было организовано производство TFT ЖК-дисплеев в Южной Корее (Samsung и LG), а в 1999 году японские технологии стали проникать и на Тайвань. На рис. 26 показана динамика процесса строительства фабрик новых поколений для производства большеформатных ЖК-дисплеев в Японии, Южной Корее и на Тайване.
В ближайшее время вполне вероятно появление сборочных производств большеформатных ЖК-панелей во Вьетнаме и Индии. В Европе тоже есть филиалы тайваньских фирм, например фабрика G5 в Чехии.
Основные производители большеформатных TFT-LCD панелей (на конец 2009 года)
Пятерка лидеров в секторе TFT LCD производителей — Samsung, AUO, LG Display, CMO и Sharp. А теперь перечислим основных производителей:
• Samsung.
• LG Display.
• AUO — AU Optronics Corp. (Тайвань).
• (CMO) Chi Mei Optoelectronics + InnoLux.
• Sharp.
• CPTF (Chunghwa Picture Tubes Ltd., Тайвань).
• BOE (Китай).
• SVA NEC (Китай).
• IPS ALPHA Technology (Hitachi, Япония).
• InfoVision Optoelectronics (Китай).
В десятке производителей — три китайских фирмы. Китай практически уже дает объем продукции, сравнимый с объемом японских фирм вместе взятых! Свыше 5О% всего объема обеспечивают две южно-корейские фирмы: Samsung Electronics — 26,1% и LG Display — 25,9%. Тайваньские фирмы имеют более 41% рынка. Из них на третьем месте в мире находится AUO — 16,4%.
На рис. 27 показана диаграмма текущего распределения сегмента рынка большеформатных ЖК-панелей между ведущими производителями.
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
4,6% 4,3% 4,1%
5,1% 5,0% 5,7%
42,7% 42,1% 41,1%
47,6% 48,6% 49,1%
4,0%
5,8%
41,5%
48,8%
Август Сентябрь Октябрь Ноябрь
■ Китай Япония
■ Тайвань
■ Корея
Рис. 27. Состояние поставок большеформатных ЖК-панелей по странам (на конец 2009 года)
В 2О1О году ситуация должна измениться: LG Display станет лидером в тройке ведущих производителей ЖК-панелей. Следом идут AU Optronics (AUO) и Samsung Electronics. На четвертом месте находится второй по величине производитель Тайваня — CMO. В настоящее время CMO увеличила производительность линейки G8.5 до 60 ООО подложек в месяц и имеет шанс догнать и обойти Samsung Electronics в 2О1О году.
Планы строительства новых фабрик большеформатных TFT ЖК-панелей В период с 2009 по 2011 год планируется запуск нескольких новых TFT-LCD производственных линий:
• Samsung — вторая очередь линейки G8;
• LG — линейка G8;
• AUO — линейки G7.5 и G8.5;
• Chi Mei — линейка G8;
• UniVenture — линейка 6G;
• Sharp — линейка G10;
• BOE — линейка G6;
• IPS ALPHA — линейка G8.
Недавно подписаны соглашения с корейскими инвесторами о строительстве трех новых фабрик в Китае: BOE (G8), IVO (G7.5) и TCl (G8). AUO сначала планировала также построить завод поколения G10 в 2011-2012 гг. Но пока строительство отложено на неопределенное время. Samsung планирует сразу строить завод 11-го поколения, пропустив уровень G10. Компания Chi Mei уже начала строительство новой линейки G8.5, но в связи с финансовыми трудностями ей пришлось заморозить стройку.
Samsung Electronics также планирует начать строительство фабрики G11 в 2010-2011 гг.
Размер стеклянных подложек G11 фабрики — 3320x3000 мм, что соответствует экономичному раскрою для шести панелей 72", восьми панелей 62", 15 штук 46" или 18 штук 40" панелей.
Tianma Microelectronics начала строительство фабрики G4.5. Toshiba Matshshita Display перемещает две свои фабрики G2.5 и G3.5 в Гуанджоу (Китай) для производства малоформатных TFT ЖК-дисплеев. Планируется запустить эти фабрики уже в 2010 году. Ш
Литература
1. The History of Liquid-Crystal Displays. Kawamoto H.
2. Hdieh D., Young R. Moving TFT LCD-Module Assembly to China // Information Displays. 2003. Vol. 19. No. 11.
