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液晶显示器的制造工艺流程 51121P39 赵成成摘要：液晶是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学特性，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上，液晶显示器具有很高的成像质量，而且它还具有工作电压低，功耗低，体积小等特点。其发展从大致TN型到STN型再到TFT型，下面我就从液晶发展过程，依次介绍TNLCD，STNLCD和TFTLCD的结构和原理，液晶显示器所需的原材料以及液晶显示器的制造工艺流程。关键词：LCD TNLCD STNLCD TFTLCD 结构与原理 制造工艺流程 目录 （一）引言 （二）液晶显示器LCD结构与原理 2、1 TNLCD 2、2 STNLCD 2、3 TFTLCD （三）LCD制造原材料 3、1 主要原材料 3、2 其他原材料 3、3 辅助原材料 （四） LCD制造工艺流程 4、1 光刻工艺 4、2 取向工艺 4、3 制盒 4、4 灌晶与封盒 4、5 检测 一、引言：十九世纪末有一位奥地利的植物学家莱尼泽（Friedrich Reinitzer），从胡萝卜中萃取出胆固醇及许多胆固醇的衍生物，德国物理学家莱曼（O.Lehmann)使用亲自设计的 附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行了观察。他发现，这类白而浑浊的液体外观上虽然属于液体，但却显示出各向异性晶体特有的双折射性。于是莱曼将其命名为“液态晶体”，这就是“液晶”名称的由来。 1963年，RCA公司的威利阿姆斯发现了用电刺激液晶时，其透光方式会改变。5年后，同一公司的哈伊卢马以亚小组，发明了应用此性质的显示装置。这就是LCD液晶显示屏（Liquid Crystal Display）的开端。 1973年，日本夏普成功发明第一台液晶显示电子计算器，这也是为何我们称夏普为”液晶之父“的原因，标志着液晶显示技术正式进入应用阶段。 1983年天马一期成立到现在,从当初的简单的低端TN-LCD产品制造到现在的中小尺寸TFT产品的制造。历尽26年天马发展迅猛，成为了中小尺寸液晶显示领域内的佼佼者。液晶显示器是现在非常普遍的显示器。它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。LCD是基于液晶电光效应的显示器件。包括段显示方式的字符段显示器件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。下面介绍三种液晶显示器的工作原理。 二、液晶显示器LCD结构与原理 2.1 TNLCD 将上下两块制作有透明电极的玻璃，通过四周的胶框封接后，形成一个几微米厚的盒。在盒中注入TN型液晶材料。在通过特定工艺处理的盒中，TN型液晶的棒状分子平行地排列于上下电极之间，靠上电极的分子平行纸面排列，用“一”表示；靠下电极的分子则垂直于纸面排列，用“”表示。而上下电极之间的分子被逐步扭曲。“一”线段长度变化表示扭曲角度大小变化。 1、偏光片：偏光片有一个固定的偏光轴。偏光片的作用是只允许振动方向与其偏光轴方向相同的光通过，而振动方向与偏光轴垂直的光将被其吸收。这样，当自然光通过液晶盒的入射偏光片（称为起偏器）后，只剩下振动方向与起偏器偏光轴相同的光，即成为线性偏振光。 2、ITO玻璃：在平整的玻璃基板上镀了一层氧化铟锡层。 3、液晶：具有类似晶体的各向异性的液态物质。 4、取向层：液晶盒中玻璃片内侧的整个显示区覆盖着一层有机物聚酰亚胺取向薄层，这个取向层经用毛绒布定向摩擦，在薄层上会形成数纳米宽的细沟槽，从而会使长棒型的液晶分子沿沟槽平行排列。而上下两片玻璃的取向层是相互垂直的。故在液晶层中间的液晶分子是逐渐扭曲的。入射光通过偏振方向与上电极面液晶分子排列方向相同的上偏振片(起偏器)形成偏振光。此光通过液晶层时扭转了900。到达下偏振片(检偏器)时，偏振方向不变，偏振光通过下偏振片，并被下偏振片后方的反射板反射回来。盒呈透亮，因而我们可以看到反射板。当上下电极之间加上一定电压后，电极部位的液晶分子在电场作用下转变成与上下玻璃面垂直排列，这时的液晶层失去旋光性。偏振光通过液晶层没有改变方向，与下偏振片偏振方向相差900，光被吸收，没有光反射回来，也就看不到反射板。在电极部位出现黑色。由此可知，根据需要制做成不同的电极，就可以实现不同内容的显示。平时液晶显示器呈透亮背景，电极部位加电压后，显示黑色字、符或图形，这种显示称正显示。如将图中下偏振片转成与上偏振片的偏振方向一致装配，则正好相反，平时背景呈黑色，加电压后显示字符部分呈透亮，这种显示称为负显示。后者适用于带背光源的彩色显示器件。可见，液晶显示器一个最突出的特点就是其本身不发光，用电来控制对环境照明的光在显示部位的反射(或透射)方法而实现显示。因此在所有的显示器件中，它的功耗最小，每平方厘米在一微瓦以下，与低功耗的CMOS电路匹配最适于各种便携的袖珍型仪器仪表、微型计算机等作为终端显示用。 2.2 STNLCD 为了改善TN液晶显示器件电光响应曲线不陡峭而造成的驱动容量较低，人们陆续开发了系列超过900扭益的液晶显示器件，把扭曲角度在180度。360度的液晶显示器件称为超扭曲向列相液晶显示器件。目前，几乎所有的点阵图形和大部分点阵字符液晶显示器件均采用STN模式，本模块的液晶显示器件也采用STN模式产品。 STN与TN显示原理上略有不同，产品结构上基本相同，只不过盒中液晶分子排列不是沿面90度扭曲排列，而是180度-360度扭曲排列。STN的另一个不同是上下偏振片的偏振方向不同。它的工作原理是入射STN的偏振光方向与液晶分子定向方向成一定角度，从而使入射偏振光被分解为两束(正常光和异常光)。两束光由于液晶分子的变化产生很大的光程差，从而在通过检偏振片时产生干涉。这样的电光过程使STN的阈值特性变得很陡，从而实现大容量显示。但因为这样的工作原理，STN必然是有色模式，所以它的对比度会有所下降。显示容量的增加，使STN可以实现彩色化。 STN是液晶显示器件的高技术产品，由于是光干涉型的器件，其材料的选用、生产工艺的选择均十分严格。因此STN成本要比TN的成本高得多。由于其大容量显示的大量外引线，使其安装工艺、方法等都与一般液晶显示器件不同。目前STN液晶显示器件都是以表面装配(SMD)工艺或(载带封装)TCP、(卷带自动结合)TAB工艺将IC、阻容外围元件与液晶显示器件装在一起的模块形式出现在用户面前。 2.3 TFTLCD TFT是如何工作的 TFT就是“Thin Film Transistor”的简称，一般代指薄膜液晶显示器，而实际上指的是薄膜晶体管（矩阵） 可以“主动的”对屏幕上的各个独立的象素进行控制，这也就是所谓的主动矩阵TFT（active matrix TFT）的来历。那么图象究竟是怎么产生的呢？基本原理很简单：显示屏由许多可以发出任意颜色的光线的象素组成，只要控制各个象素显示相应的颜色就能达到目的了。在TFT LCD中一般采用背光技术，为了能精确地控制每一个象素的颜色和亮度就需要在每一个象素之后安装一个类似百叶窗的开关，当“百叶窗”打开时光线可以透过来，而“百叶窗”关上后光线就无法透过来。当然，在技术上实际上实现起来就不像刚才说的那么简单。LCD（Liquid Crystal Display）就是利用了液晶的特性（当加热时为液态，冷却时就结晶为固态），一般液晶有三种形态： 类似粘土的层列（Smectic）液晶 类似细火柴棒的丝状（Nematic）液晶 类似胆固醇状的（Cholestic）液晶 液晶显示器使用的是丝状，当外界环境变化它的分子结构也会变化，从而具有不同的物理特性就能够达到让光线通过或者阻挡光线的目的也就是刚才比方的百叶窗。 下面我就图2a、b来讲解一下TFT的基本原理。一个成品TFT显示屏，一般由一个夹层组成，组成这个夹层的每一层大致是偏光板、彩色滤光片组成，这两层之间就是液晶层。偏光板、彩色滤光片决定了多少光可以通过以及生成何种颜色的光。这个夹层位于两层玻璃基板之间。在上层玻璃基板上有FED晶体管，而下层是共同电极，他们共同作用可以生成能精确控制的电场，电场决定了液晶的排列方式。 大家知道三原色，所以构成显示屏上的每个象素需上面介绍的三个类似的基本组件来构成，分别控制红、绿、蓝三种颜色。 目前使用的最普遍的是扭曲向列TFT液晶显示器（Twisted Nematic TFT LCD），下图就是解释的此类TFT显示器的工作原理。在上、下两层上都有沟槽，其中上层的沟槽是纵向排列，而下层是横向排列的。而下层是横向排列的。当不加电压液晶处于自然状态，从发光图2a扭曲向列TFT显示器工作原理图示意图层发散过来的光线通过夹层之后，会发生90度的扭曲，从而能在下层顺利透过。 图2b 扭曲向列TFT显示器工作示意图 当两层之间加上电压之后，就会生成一个电场，这时液晶都会垂直排列，所以光线不会发生扭转结果就是光线无法通过下层。 三、LCD制造原材料 3.1 主要原材料 主要原材料：ITO玻璃液晶、偏光片、PI液、丝印胶（印框胶、导电胶）、封口胶、Ni粉、取向层塑料垫片等。通常所讲的三大主要原材料为：液晶、ITO玻璃及偏光片。 3.2 辅助材料 辅助材料是指产品生产过程中使用而最终中不存在的原材料如：光刻胶及稀释剂、NMP、PI稀释剂、BC液、SiO2、稀释剂、摩擦布、异丙醇、乙醇、丙酮、清洗剂、酸、碱等。3.3 其他材料 前段的Array 制程与半导体制程相似，但不同的是将薄膜晶体管制作于玻璃上，而非硅晶圆上。中段的Cell 制程，是以前段Array的玻璃为基板，与彩色滤光片的玻璃基板结合，并在两片玻璃基板间灌入液晶(LC)。后段模组组装制程是将Cell制程后的玻璃与其他如背光板、电路、外框等多种零组件组装的生产作业。 四、LCD制造工艺流程 一、LCD显示基本结构和原理： 一般TN型液晶显示器结构如图所示。 1、偏光片：偏光片有一个固定的偏光轴。偏光片的作用是只允许振动方向与其偏光轴方向相同的光通过，而振动方向与偏光轴垂直的光将被其吸收。这样，当自然光通过液晶盒的入射偏光片（称为起偏器）后，只剩下振动方向与起偏器偏光轴相同的光，即成为线性偏振光。 2、ITO玻璃：在平整的玻璃基板上镀了一层氧化铟锡层。 3、液晶：具有类似晶体的各向异性的液态物质。 4、取向层：液晶盒中玻璃片内侧的整个显示区覆盖着一层有机物聚酰亚胺取向薄层，这个取向层经用毛绒布定向摩擦，在薄层上会形成数纳米宽的细沟槽，从而会使长棒型的液晶分子沿沟槽平行排列。而上下两片玻璃的取向层是相互垂直的。故在液晶层中间的液晶分子是逐渐扭曲的。二、 工艺流程简介： 前工序中后工序 液晶显示器主要由ITO导电玻璃、液晶、偏光片、封接材料（边框胶）、导电胶、取向层、衬垫料等组成。液晶显示器制造工艺流程就是这些材料的加工和组合过程。 液晶显示器制造全部过程大体分为40多道工序，其中实际TN-LCD制程有20多道工序。实际STN-LCD制程有30多道工序。有些工序是特殊制程，只当客户有特殊要求才实施。这些工序又可分为ITO图形刻蚀（光刻）、取向排列、空盒制作、液晶灌注和成品检测与包装五个阶段。下面按顺序具体介绍液晶显示器的制造过程。1、ITO图形刻蚀（光刻）： 本阶段是在导电玻璃上刻蚀出显示所需要的ITO电极图形。在流程图上它包括的工艺步骤是。ITO玻璃投入（GRADING）根据产品要求，选择合适的ITO玻璃装入传递篮具中，它要求ITO玻璃的规格型号符合产品要求。装篮要切记ITO层面一定朝上插入篮具中，如图1所示。 玻璃清洗与干燥（CLEANING） 工序的第一步是将符合后产规格的ITO玻璃用清洗剂、去离子水（DI水）等清洗干净，并用物理或化学的方法将ITO玻璃表面的杂质、油污洗净，然后把水除去并干燥，保证下道工序的加工质量。涂光刻胶（PR COAT） 在洁净的ITO玻璃的导电层表面上均匀涂上一层光刻胶。涂过胶的玻璃要在一定温度下做预烘处理，如图2所示。 前烘（PREBAKE） 在一定的温度下将涂有光刻胶的玻璃烘一段时间，以使光刻胶中溶剂挥发，增加与玻璃表面的粘附性。曝光（EXPOSURE） 有紫外光通过预先制作好的电极图形掩模版照射光刻胶表面，使被照部分的光刻胶层发生反应。在涂有光刻胶的玻璃上覆盖光刻掩模版，在紫外光灯下对光刻胶进行选择曝光，如图3所示。显影（DEVELOP） 用显影液处理玻璃表面，将经过光照分解的光刻胶层（正性胶）除去，保留未曝光部分的光刻胶层。用化学方法使受UV光照射部分的光刻胶溶于显影液中。显影后的玻璃要经过一定温度的坚膜处理，如图4所示。坚膜（MAIN CURE） 将玻璃再经一次高温处理，使光刻胶膜更加坚固。刻蚀（ETCHING） 用适当的酸刻液将无光刻胶覆盖的ITO膜腐蚀掉，这样就得到了所需要的ITO电极图形，如图5所示。去膜（STRIP CLEAN）剥离 用高浓度（NaOH）作脱膜液，将玻璃上剩余的光刻胶剥离掉，使ITO玻璃上形成与光刻掩模版图形完全一致的ITO图形，如图6所示。清洗干燥（CLEAN） 用高纯水冲洗玻璃上剩余的碱液、残留光刻胶和其他杂质。2、取向排列 本阶段过程是在刻蚀后的ITO玻璃表面涂敷取向层，并用特定的方法对取向层进行处理，以使液晶分子能在取向层表面沿特定方向取向，这是液晶显示器生产的特有技术。涂取向剂（PI PRINT） 用一定的方法，将有机高分子取向材料涂在玻璃表面。即采用选择涂覆的方法，在ITO玻璃上的适当位置涂一层均匀的取向层。同时对取向层做固化处理，如图7所示。固化（MAIN CURE） 通过高温处理使取向层固化。取向摩擦（RUBBING） 用绒布类材料以特定的方向摩擦取向层表面，以使液晶分子将来能沿着这个方向排列。根据产品要求，在玻璃的取向层上按一定方向摩擦，使成盒后的液晶分子沿取向层的摩擦方向排列。3、空盒制作 本分阶段是将两片导电玻璃对叠，利用封接材料贴合起来并固化，制成间隙为特定厚度的玻璃盒。制盒技术是制造液晶显示器的最关键技术之一。丝印边框及银点（SEAL/SHORT PRINTING） 将封接材料（封框胶）用丝网印刷的方法分别对上板和下板玻璃印上边框胶和导电胶。喷衬垫料（SPACER SPRAY） 在下玻璃上均匀分布支撑材料。将一定尺寸的衬垫料（一般为几个微米）均匀分散在玻璃表面，制盒时就靠这些衬垫料保证一定的盒厚。对位压合（ASSEMBLY） 按对位标记上、下玻璃对位粘合，将对应的两片玻璃面对面用封接材料粘合起来。固化（SEAL MAIN CURING） 在高温下使封接材料固化。固化时一般在上、下玻璃上加上一定的压力，以使盒厚保持均匀。4、液晶灌注 本阶段是把液晶灌入到制好的空盒内，并将注入口封堵，这样液晶盒就基本制成了。切割（1st SCRIBING）与裂片（BREAK OFF） 通常一对ITO玻璃可以制作多个液晶盒，为了把液晶注入口露出来，必须把玻璃适当切割成条（或粒），如图8所示。 灌注液晶（LC INJECTION） 一般用专门的液晶灌注机，在真空的状态下将液晶注入液晶盒内。封口（END SEALING） 用封口材料（如封口树脂）将灌完液晶的液晶盒注处口封堵起来，如图9所示。分粒（2nd SCRIBING） 如果是成条灌注的，则将其分成单个的液晶盒。清洗（CLEAN） 用洗洁剂清洗液晶盒外部粘附的液晶及其他污物。再配向（HEATING） 用适当加温一段时间的办法使液晶分子按摩擦方向整齐排布。5、成品检测及包装光台检验（VISUAL INSP） 目视检测，将不合格品剔出。在光台下检查液晶盒外观质量，外观正品交下道工序。电测图形检验（ELECTRICAL INSP） 加电状态下检查液晶屏的显示图形（参考产品外观图）。贴偏光片（POLARIZER ASSEMBLY） 在液晶盒两面贴上产品所规定的上、下偏光片，这样一个完整的液晶显示器就制成了。消泡（CLEAVER） 用特殊的工具将液晶盒上贴的偏光片磙压一下，以消除偏光片与玻璃之间的气泡。外观检验（FQC） 对液晶盒进行外观检查，并对一些情况做处置。上引线（BIT PIN） 对用户有上引线要求的产品安装适当的金属电极引线，如图10所示。终验（FINAL INSP） 按出厂检验标准，对待出厂产品进行检验把关。包装（PACKING） 根据产品要求选择合适包装盒对产品进行包装，即可出厂销售。入库（IN STOCK） 检验合格的产品包装好入成品库。