TFT-LCD驅動IC技術原理與趨勢簡介

薄膜電晶體液晶顯示器（TFT-LCD）顯像原理

TFT-LCD是藉由電晶體輸出電壓控制液晶排列方向，進而控制透光度產生灰階之色彩效果。液晶是一種高分子複合物，處於像液體一般會流動的狀態。液晶分子為細長棒狀，是一個個分散排列著。當其外形受外力改變時，就會改變透明狀態。液晶分子排列具有方向性，依排列方向性可區分為三大類：

1. 層列型液晶(Smietic Liquid Crystal)
2. 向列型液晶(Nematic Liquid Crystal)
3. 膽固醇型液晶(Cholesteric Liquid Crystal)

我們可透過電壓來控制液晶分子的排列方向，透過被動元件改變電壓稱為被動式驅動(passive drive)，透過主動元件改變電壓稱為主動式驅動(active drive)。常見用於驅動液晶的被動元件為電容，主動元件為電晶體。

圖一 主/被動驅動結構

資料來源：交大次微米培訓中心

目前顯示器最常用的液晶為向列型，若再加上利用電壓控制液晶扭轉角度而控制透光度之顯示器稱為扭轉向列型液晶顯示器(Twisted Nematic LCD,TN-LCD)。若液晶扭轉角度可達270度，則稱為超扭轉向列型液晶顯示器(Super Twisted Nematic LCD,STN-LCD)。

圖二 TN型液晶驅動原理

資料來源：交大次微米培訓中心

如圖二所示，液晶夾於兩片偏光板之中，偏光板只會讓極性相同之光線通過。我們可透過電壓來控制液晶分子的排列方向，排列方向則會影響透光度，並藉以產生灰階色彩效果。更仔細的說，液晶具旋光特性，光在液晶中方向性將成90度扭轉，而各面向的光源通過偏光板之後之有單一方向光源可以通過。在尚未加上驅動電壓前，液晶面板將會依上下偏光板極性方向是呈垂直或平行而呈現白底（Normal White）或黑底（Normal Black）兩種情形。若上下兩片偏光板極性方向呈90度角，恰巧為中間夾的液晶分子扭轉的90度角，故光可以通過，呈面白底（normal white）的畫面。若上下兩片偏光板極性方向平行，由於中間夾的液晶分子扭轉的90度角，故光不可以通過，呈面黑底（normal black）的畫面。加上驅動電壓後，以Normal White為例，液晶分子會站立，因此光線透不過上下片偏光板，故在畫面上將呈現黑色。由於加的電壓不同，液晶分子站立的角度不同，使透光率不同，故呈現不是全然的黑色，而有灰階的色差。

如圖三所示，TFT-LCD驅動IC封裝在TCP（Tape Carrier Package）中，一端透過類似雙面膠之導電膠Anisotropic Conducting Film黏貼於液晶面板之玻璃基板上，另一端則與控制電路連結。

圖三 驅動IC與面板連結之切面圖、平面圖

資料來源：交大次微米培訓中心

液晶顯示器訊號掃描方式為一次一列，並且逐列而下。Gate Driver IC連結至電晶體之Gate端，負責每一列電晶體的開關，掃描時一次打開一整列的電晶體。當電晶體打開(ON)時，Source Driver IC才能夠逐行將控制亮度、灰階、色彩的控制電壓透過電晶體Source端、Drain端形成的通道進入Panel的畫素中。因為Gate Driver IC負責每列電晶體的開關，所以又稱為Row Driver或Scan Driver。當Gate Driver逐列動作時，Source Driver IC負責在每一列中將資料電壓逐行輸入，因此又稱為Column Driver或Data Driver。

圖四 TFT-LCD模組等效電路圖

資料來源：交大次微米培訓中心

以SXGA為例，解析度為1,280 x 1,024，意思為有效顯示區間之畫素矩陣共有1,280行與1,024列，由於單一畫素要呈現彩色則必須包括R、G、B三原色，因此SXGA必須要有1,280 x 3 = 3,072 個Column data。如果Gate Driver IC腳數為256 pin，Source Driver IC腳數為384 pin，要驅動SXGA的液晶顯示面板則需要1,024/256 = 4顆Gate Driver IC與1,280 x 3 / 384 = 10顆Source Driver IC。以相同腳數之驅動IC來驅動XGA(1,024 x 768)，則需要3顆Gate Driver IC與8顆Source Driver IC，這是目前最常用的組合。

如果連續使用相同極性電壓來驅動液晶，長久之下會使液晶產生形變慣性，使得顯示品質變差，因此驅動電壓須以某種順序改變極性。如圖所示，一般而言有四種方法：

1. Frame Inversion：掃描完整個畫面之後，更換一次驅動電壓極性。
2. Row Inversion：每掃描一列，更換一次驅動電壓極性。
3. Column Inversion：同一行採用相同之驅動電壓極性，隔壁行則採用另一極性。
4. Dot Inversion：每一相鄰畫素驅動電壓極性皆不同。

大尺寸常用Column Inversion與Dot Inversion，因為可以避免若干Crosstalk之干擾，畫質比較好。其中Column Inversion比較省電，常用在筆記型電腦面板上。

圖五 極性反轉方法

註：(A)Frame Inversion(B)Row Inversion(C)Column Inversion(D)Dot Inversion

資料來源：交大次微米培訓中心

驅動IC對顯示品質具有關鍵性的影響，而驅動IC基本設計並不困難，但要讓液晶顯示器有好的顯示品質並不容易。一個驅動IC的好壞就決定於其對顯示品質的影響。以下是驅動面板時常見的幾種影響畫面品質因素。

Feedthrough Effect：

當進行逐列掃描時，打開第N列時，必須關閉第N-1列，此時第N-1列電極會透過電晶體之Gate端與Drain端的寄生電容影響Drain端的電壓，導致驅動液晶的電壓突然降低而使N-1列亮度變暗。

Horizontal Crosstalk or Vertical Crosstalk：

資料訊號在下板電極行進時，當通過較黑或較白之畫素時，會透過液晶顯示面板間的各種寄生電容而改變鄰近畫素之上板電極電壓，造成鄰近畫素無法準確呈現應有灰階水準，產生過黑或過白之偏差。

Shading Crosstalk：

因為上板電極具有電阻值，使得左右兩端之電壓產生差異，而畫面左右品質也會產生差異。

Gate Pulse Delay：

因為Gate Line的等效阻抗為一連串的串連RC網路，因此Gate訊號在Gate Line傳遞時會產生波形傳遞的延遲失真。

Feedthrough Effect可以透過調整Gate Driver IC輸出電壓來補償因寄生電容造成的Drain端電壓下降，由於Gate電壓增加了第三個位準，因此稱為3-Level驅動。而Horizontal Crosstalk or Vertical Crosstalk、Shading Crosstalk等干擾現象可以透過驅動電壓極性反轉之Row Inversion、Column Inversion與Dot Inversion解決。由此可知，驅動IC之驅動方式可消除眾多液晶顯示器之干擾現象。

為了有更多的灰階效果，Source Driver IC必須能夠精確的控制細微的電壓與電流。以8bit灰階系統而言，Source Driver IC每隻腳位必須精確的在10V的間隔中精準的輸出2的8次方 = 256個代表不同灰階色彩的電壓值，而且接上面板畫素的負載電路後，仍必須能夠持續穩定的輸出正確的訊號位準。

在理想上當然盡量要做出符合品質要求之驅動IC，但是要求品質愈高之驅動IC，其愈需要高頻、高壓功能，這牽涉到了類比製程。例如Gate Driver IC需要承受高電壓，傳輸線要比較寬，晶圓上電晶體的厚度也必須增厚，都無法如數位般追求微小化，且製程也大不相同。

解析度要求愈高，掃描頻率也要愈快，Gate Driver IC、Source Driver IC必須愈高速運作，如此一來就牽涉高頻IC製程，高頻之下，元件特性更為複雜，同時有電磁波干擾的問題。

驅動IC腳數動輒高達200 pin以上，最常見的Gate Driver IC為256pin，Source Driver IC為384pin，因此通常採用TCP封裝方式。但以TCP封裝完成之驅動IC厚度約600~1000微米，為了讓厚度更薄，廠商正積極開發COF(Chip on Film)封裝，其採用更薄的捲帶，完成之封裝厚度約400~700微米。由於TCP封裝需要用到TAB捲帶，而TAB捲帶成本佔TCP封裝之七成以上，因此目前也有一種不須TAB捲帶的玻璃覆晶封裝（Chip on Glass；COG），COG將長好金凸塊的晶粒直接覆在導電玻璃上的線路。雖然節省成本且厚度更薄，但是由於晶粒未經測試即直接覆在面板上，如果失敗連面板都得報廢。對於驅動IC用量甚高的大尺寸TFT-LCD模組廠商，目前並不會願意冒如此龐大的風險。

為了節省成本，驅動IC使用顆數自然是愈少愈好，因此必須提高封裝腳數。但是提高封裝腳數會使得與晶粒間的接點必須縮小，但縮小又要面臨到無法承受高壓的問題。目前Gate Driver IC腳數最高為256 pin，Source Driver IC為480 pin。

用TCP封裝的驅動IC，TAB的一端會透過類似雙面膠的Anisotropic Conducting Film膠黏在面板的導電電極上。由於接合時採取熱壓處理，因此TAB捲帶與面板之熱膨脹係數必須能夠互相配合。所以模組廠商通常會採用固定來源的玻璃面板與驅動IC廠商。非專屬於某特定液晶面板模組廠商的驅動IC設計廠商，必須按客戶要求之玻璃規格設計TAB模具。另外，由於驅動IC必須與面板導電玻璃上之電極相連接，電極本身具有某些物理特性，例如電極本身的阻抗會形成RC網路，會造成訊號傳遞延遲效應，此時驅動IC就必須在設計上加以配合以消除延遲效應。所以驅動IC在設計時，必須要有面板模組廠商提供相關規格才行，設計完成時更要得到模組廠商的認證。日本的面板模組廠商都有自有的驅動IC供應來源，並且以自用為優先考量。早期僅有日本德儀專門從事驅動IC外賣。台灣的面板模組廠商早期也只能向本身的技術母廠或是日本德儀拿貨。

當TFT-LCD走向高解析度、高反應速度、高亮度的情況下，高頻高壓製程是主要關鍵，Gate Driver IC必須能承受40V電壓，Source Driver IC必須能承受10V電壓。為了消除Feedthrough Effect、Crosstalk等干擾，驅動方式將趨向3-Level驅動、Column Inversion與Dot Inversion方式。為了節省成本，必須提高封裝腳數。為了放進日益輕薄的面板，封裝厚度必須更薄。

圖六 TFT-LCD技術趨勢

資料來源：交大次微米培訓中心

2000年供不應求的現象，在日、韓大廠積極擴產幾達一倍之下，使得2001年供需呈現逆轉，也導致價格一路下滑。目前面板所需的一套標準組合為8顆Source IC加3顆Gate IC，2001年第二季初共36美元，第三季初已滑落至28美元。其中Source IC於2000年最高價格為4.5美元，2001年第三季初僅有3美元，跌掉1/3。Gate IC於2000年最高價格為4美元，2001年第三季初僅有1.8~2美元，跌幅更甚於Source IC，主要原因是技術進入障礙較低，新進入者較多所致。2002年預估TFT-LCD面板產能仍將較2001年大幅成長，驅動IC供給成長則較為和緩，使得驅動IC產能與面板產能應可達到供需平衡狀態。然而驅動IC需求乃依TFT-LCD面板最大產能換算得來，若景氣無法回升，則實際需求量將遠低於依產能計算出之需求量，因此預估實際仍將呈現供過於求。但如果產業景氣快速復甦，其他產品擠壓到6吋廠的產能，則有可能影響驅動IC之產能供給而使供過於求情形逆轉。

表一 TFT-LCD驅動IC全球供需比例 單位：億顆

註：供給與需求皆以產能為估計基準，非以產量為基準
資料來源：MIC、IEK、電子時報、寶來證券研發部整理

根據工研院經資中心資料顯示，驅動IC佔TFT-LCD面板材料成本約19%，僅低於彩色濾光片。1999年中開始，台灣TFT-LCD面板模組業者遭到的大難題是驅動IC缺貨。在無法取得驅動IC之下，就算有產能，有訂單也只能乾著急。缺貨關鍵在於當時驅動IC都為日本廠商掌握，且大多是日本面板模組廠商自有的，自用足夠時才會考慮外賣。當時唯一沒有面板集團背景，專事外賣的僅有日本德儀一家。日本德儀當時產能並不足以應付激增的需求，台灣又非核心客戶，當然搶不到貨。

根據資策會資料顯示，台灣大尺寸TFT LCD面板出貨量之全球市佔率由2000年第一季之9.1%逐步攀升至第四季之18.3%，但根據Display Search資料顯示，台灣驅動IC在2000之全球市佔率卻僅有3%，顯示台灣TFT-LCD驅動IC幾乎完全受國外廠商所牽制。如表二所示，TFT-LCD驅動IC全球市佔率前五大廠商皆為日本廠商，前五大市佔率幾乎達到七成。由於對驅動IC產能的掌握對於面板出貨有極為關鍵的影響。台灣面板廠商在經歷1999、2000年的缺貨惡夢後，正積極建立對驅動IC的自主性與掌握度。截至2001年目前為止，台灣驅動IC封裝月產能約為3,000萬顆，Display Search預估台灣2003年全球市佔率將可提升到9%。由產業結構來看，台灣從IC設計、晶圓製造與封裝測試的產業鏈也已逐漸成形。

表二 驅動IC全球市佔率 單位：%

資料來源：Display Search，2001/06

在本文對技術原理的段落中已提到，驅動IC設計必須與面板規格密切配合才能有良好之顯示品質，因此若無法取得面板廠商的規格資料，設計出來的IC根本無法與面板廠商配合。這也是為什麼日本面板模組廠商大多自己設計所需的驅動IC。

台灣面板模組廠商在規模日漸增加下，對在地化之驅動IC來源需求亦同步遽增，亦促使台灣相關業者積極投入驅動IC上下游產業。經過兩年的發展，整個上下游產業已經逐漸成形。IC設計方面，聯詠、華邦因為有集團中的面板模組廠商的支持，已領先相繼量產出貨。奇美集團的奇景光電亦於2001年8月開始出貨。其他沒有面板集團背景的驅動IC設計廠商進度則較為緩慢，如世紀民生的產品仍處於送樣認證中，客戶為華映。晶圓製造方面，由於必須採高壓製程，製程大多為0.5微米以上，並且以5、6吋晶圓為主，Source Driver IC由於承受電壓較低，可使用較節省成本的8吋晶圓，聯詠即採用8吋晶圓生產Source Driver IC。目前可提供高壓製程生產驅動IC之晶圓廠商有台積電、聯電、華邦、旺宏、茂矽、漢磊、漢揚、立生。台積電為奇景代工；聯電為聯詠代工；華邦為瀚宇彩晶代工；漢磊與漢揚為日立、NEC代工；茂矽、旺宏為夏普代工；立生為德儀代工；後段製程部份，廠商主要區分為在晶粒上長金凸塊及TAB封裝測試兩段製程，具備長金凸塊技術的廠商包括頎邦、慎立、福葆，具備TAB封裝測試技術的廠商包括飛信、南茂、矽品、頎邦、福葆、華新先進。其中頎邦、福葆兼具長金凸塊與TAB封裝測試技術，聯電轉投資之慎立則將TAB封裝測試交給矽品。

目前台灣TFT-LCD驅動IC產業雖已稍具雛形，但距離完全自給自足仍有長遠的路要走，尤其是技術層次尚無法與國際大廠匹敵，例如更多灰階表現之Source IC對於輸出電壓的控制精準度仍相當貧乏。這是因為台灣相當缺乏類比IC設計、製造之人才與經驗。

表一 台灣驅動IC封裝業者供應情形

資料來源：電子時報研究中心，2000/12