TFT-LCD控制IC技術原理與產業趨勢

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，透過主動元件改變電壓稱為主動式驅動(active drive)，其餘則稱為被動式驅動(passive drive)。常見用於驅動液晶的主動元件為電晶體或二極體。

圖一 主/被動驅動結構

資料來源：交大次微米培訓中心

LCD顯示器結構見圖二所示。以生產製程而言，主要可區分為兩大部分，一為面板廠商負責部份，其中包括LCD面板製造，並且將驅動IC電路（包含Data Driver與Scan Driver）、時序控制IC（一般簡稱為TCON）附加於面板，形成所謂的LCD面板模組。驅動IC功能為控制面板畫素的開關，以及輸出令畫素內液晶產生排列變化的電壓；時序控制IC則負責決定畫素行為的順序與時機。第二部份為顯示器組裝廠負責部份，其中必須製造介面電路模組，並且再將介面電路模組與LCD面板模組予以組合，最後再套上塑膠外殼。介面電路模組功能為接收PC或影音裝置輸出訊號，並予以縮放（scaling）處理後才能夠送至LCD面板模組。為什麼訊號需要進行縮放處理呢？這是由於一個面板的畫素位置與解析度在製造完成後就已經固定，但是影音裝置輸出的解析度卻是多元的，一但面板必須接收不同解析度的影音訊號就要經過縮放處理，縮放處理由Scaler IC負責。若影音裝置輸出為類比訊號，由於LCD面板僅接受數位訊號，介面電路模組尚須包含類比數位轉換（Analog Digital Convert）功能，此一部份由ADC負責。若影音裝置輸出為數位訊號，介面電路模組則必須具備數位訊號接收功能，此一部分由DVI Receiver IC負責。介面電路模組尚包括鎖相迴路（Phase Lock Loop）、Video Decoder、OSD（On Screen Display）、MCU（Micro Control Unit）與記憶體（包含SDRAM、EEPROM、ROM）。

一般所謂的控制IC可區分為分離式與整合式兩種。分離式通常指Scaler IC，整合式則視整合程度而定。初期較低程度包括將Scaler IC、ADC、PLL與OSD整合為一顆IC。數位傳輸介面興起之後，整合範圍加入了DVI Receiver IC。SmartPanel、SmartIntegration趨勢則使整合範圍加入了面板模組上的TCON。雖然記憶體SDRAM整合不易，目前亦有相關產品推出。MCU、Video Decoder由於結構遠較Scaler IC等元件複雜，目前尚無廠商推出整合MCU、Video Decoder之產品。

圖二 LCD顯示器結構

資料來源：寶來證券研發部整理

表一 LCD顯示器介面電路模組之IC元件功能

註：Genesis目前僅提供整合式

資料來源：寶來證券研發部整理

為了降低成本，IC掀起SoC（System on a Chip）的整合風潮。LCD整體結構中，驅動IC由於屬高壓混合訊號製程，以目前IC製程能力而言，尚不適合採取整合方式。介面電路模組上的IC大部份屬於數位元件，較適於整合在一顆所謂的控制IC之中。相較於分離式，整合式減少了介面電路模組上的IC數目、電路板面積，因此降低了晶圓、封裝、後段組裝以及印刷電路板材料等成本；效能上亦可使功率消耗降低。以XGA解析度而言，包括Scaler IC、ADC、PLL、OSD之分離式控制IC電路成本約7~8美元，整合式IC僅需約6~7美元。但是分離式毛利率約僅有20%，整合式毛利率則可高達60%。隨著整合程度愈高，整合式價格與分離式的價格差距也愈大。

整合的壞處在於設計彈性變小，同時為了成本考量而做的整合必須犧牲部份效能，將無法滿足顧客多元化的需求。整合式控制IC適用的場合為大量、低價的產品，目前較常用於資訊用、解析度一般，如XGA的LCD Monitor。分離式在效能上發揮空間較大，適用於高解析度產品。根據工研院經資中心2001年11月資料顯示，2001年Q2之XGA以及SXGA佔分離式控制IC比例分別為48.4%與60.1%，且愈高解析度採用分離式控制IC的比重愈高。但是未來在Scaler演算法、ADC整合設計、晶圓製程微縮化技術更上層樓之下，整合式仍有往更高效能市場發展的空間。

基於成本、技術考量，目前尚未被整合的元件包括MCU與Video Decoder。而已經被整合，但是有其困難度的元件包括ADC與記憶體SDRAM。整合ADC的困難點在於ADC屬於混合訊號IC，與Scaler IC數位特性截然不同，整合兩者經常會出現雜訊過大的問題，IC設計廠商混合訊號設計功力是關鍵。同時要將數位、類比IC整合在一起，採用的線寬將會因類比IC而受限，線寬受限的後果就是成本無法降低，這麼一來就失去了整合的意義。目前整合式控制IC一般使用0.35微米製程，而僅Genesis宣稱其GmZan2整合IC可達0.25微米製程。SDRAM前後段製程特性則與Scaler邏輯IC製程正好相反，因此晶圓廠製程技術能耐是整合記憶體良率的關鍵。

整合式LCD控制IC在成本優勢下快速成長，根據工研院經資中心（2001/11）資料顯示，全球整合式LCD控制IC出貨量於2001Q3首度超越分離式，且已呈現6：4的情況。相信未來在成本考量下，整合式出貨比重仍將持續攀高，擁有整合技術廠商如Genesis仍將擁有競爭優勢。

表二 LCD控制IC出貨型態比重 單位：%

資料來源：DisplaySearch（2001/06）、工研院經資中心（2001/11）、寶來證券研發部整理

分離式控制IC進入障礙較低，競爭廠商數目眾多，2001年Q3出貨量前三名之各別市佔率皆未超過21%。2001Q3出貨量市佔率第一名為Sage，2001年Q4已為Genesis所購併。Pixelworks產品以高價高效能為主，因此2001年Q1、Q2營收市佔率高達近五成。國內廠商則以旺宏為首，晶磊居次，其中晶磊即以LCD控制IC為主要產品，佔營收比重達85%。

表三 2001年Q1、Q2分離式控制IC市佔率 單位：%

資料來源：DisplaySearch（2001/10）、工研院經資中心（2001/11）

整合式由於可包括訊號傳輸介面接收IC，因此有類比、數位與雙模之分。但不論何種傳輸介面，在合併Sage後，Genesis皆為整合式IC之產業龍頭，並且完全壟斷所有市場。雖然其他廠商陸續宣稱已開發出整合式控制IC，但是多處於只聞樓梯響，不見人下來的情況。本文認為，為數眾多的台灣廠商由於受限於ADC之類比技術不足，能否適時順利開發出適當產品仍有相當大的疑問，唯一可以著力的地方在於數位式的整合控制IC，但是數位式介面雖然近年內將快速成長，但預估至2003年時仍僅有約33%的比重。

表四 2001年Q1、Q2整合式IC市佔率 單位：%

資料來源：DisplaySearch（2001/10）、工研院經資中心（2001/11）、寶來證券研發部整理

傳統上，介面電路模組由顯示器下游組裝廠商製造，並且再與中游面板廠商提供的含TCON面板模組結合在一起。SmartPanel意義在於將傳統上分開的TCON與介面電路模組整合在一塊電路板上，並可置於面板原本放置TCON電路板的位置，而且上述的製程皆改由中游面板廠商完成。之所以名為Smart的原因在於一塊整合的電路板就可以適合各家的LCD面板。SmartIntegraton則是由下游組裝廠進行電路板的整合與開發。

圖三 SmartPanel結構圖

資料來源：寶來證券研發部整理

SmartPanel可以簡化生產製程與節省材料成本。簡化製程方面，由於原本之下游電路組裝為中游面板廠商納入，介面電路模組與面板模組由分開單獨測試，轉變成為一次測試即可，節省了測試的時間與成本。減省製程也使得生產時間縮短，有利於上市時程（Time to Market）的控制。節省材料成本方面，由於介面電路整合於面板上，降低了體積與重量，也節省了印刷電路板、連結器與纜線等材料成本。根據友達資料顯示，15吋約可節省5~10美元，17吋約可節省15美元。根據Display Search研究顯示，SmartPanel約可節省10%~15%的整體成本。

雖然SmartPanel可以節省生產時間與成本，但是面板廠商為了大量生產，勢必降低產品差異化程度。同時下游組裝業者將面對附加價值遭到中游面板業者侵蝕的威脅，勢必予以反彈與抵制。中游面板業者為了製造SmartPanel，必須跨入原本並不擅長的電路設計領域、設置電路開發團隊，同時面臨技術問題如電路板面積縮小而使TAB寬度要縮小在120mm以下、MFG測試與工具需要改變等，有喪失專業分工優勢的疑慮。面對之客戶亦由仁寶、明?、源興、瑞軒、中光電等下游組裝廠商改變為Dell、Compaq、HP、Apple等OEM業者或是品牌通路商，客戶行為的掌握必須重新適應。

下游組裝廠商原本就比中游面板廠商擅長電路設計，跨入SmartIntegration的障礙比面板廠商跨入SmartPanel來的低。而且與SmartPanel相反的，SmartIntegration在產品設計上具備較高的彈性，下游組裝業者亦較面板業者具備較佳的客製化服務經驗，這是下游組裝廠商生存的價值所在。

本文認為SmartPanel適合走向低價、大量市場，SmartIntegration則適合走向高階、小量之客製化市場，例如高解析度顯示器與LCD TV。當然的，SmartPanel、SmartIntegration誰勝誰負將取決於Dell、Compaq、HP、Apple等業者的支持態度。

就IC設計業者而言，由於面板廠商規模較大，議價能力遠大於下游組裝業者，IC設計業者與組裝廠商議價比較有利。但是若能獲得面板廠商訂單，則數量將遠大於組裝業者。

根據工研院經資中心（2001/11）引述DisplaySearch（2001/10）資料顯示，目前推出SmartPanel的廠商包括Samsung、Hyundai、Sharp、Hitachi、Fujitsu、中華映管以及瀚宇彩晶等廠商。SmartPanel從2001年Q3開始有出貨量比重資料，但僅佔所有面板出貨量之0.1%。但是根據友達內部資料顯示，2000年下半年即有SmartPanel開始出貨。目前Dell、Compaq對面板廠商亦皆要求搭配一定比例之SmartPanel，預估2002年SmartPanel出貨比重將達25%。

目前影音裝置的訊號大多必須由數位轉換成類比之R、G、B三原色訊號後輸出，為了輸入僅接收數位訊號的LCD顯示器，必須經由類比�數位轉換，並進行影像縮放等數位訊號處理後，最後才能輸入LCD顯示器。以上的缺點是類比數位轉換既多餘（增加轉換硬體費用）又容易造成訊號扭曲而使顯示品質不佳。現在已興起省略數位�類比�數位轉換程序，直接以數位�數位訊號的介面傳輸方式。數位傳輸介面經由如P&D（Plug&Display）、DFP（Digital Flat Panel）、DVI等數種標準的競爭後，目前以Intel、Compaq、Dell、Fujitsu、IBM、HP、Microsoft、NEC、Silicon Image等大廠力推的DVI（Digital Video Interface）成為主流。在傳輸介面完全數位化之前，有些則採用類比與數位傳輸共存的雙模過渡模式。

DVI規定的訊號傳輸介面標準為Silicon Image推出的TMDS（Transition Minimized Differential Signaling），又稱為PanelLink。其可支援VGA~QXGA（2048~1600）之解析度，亦支援HDTV，時脈速度為25MHz~165MHz，以dual link傳輸方式，頻寬可達3.3Mbps，傳輸線距離亦可由10公尺的雙絞線到2公里的光纖電纜。TMDS提供高速穩定的傳輸，亦適合多媒體如DVD之應用。

另一目前常用之數位訊號傳輸介面標準為國家半導體NS（National Semiconductor）於1992年發表之LVDS（Low Voltage Differential Signal）。最早是使用於驅動器與連接器之設計，後來演變成用於筆記型電腦以及一體成型（如LCD PC）的平面顯示器上。LVDS的特性為低功率與傳輸線短，特別適用於筆記型電腦。其具有8個傳輸頻道，頻率可達112MHz，頻寬可達5Gbps，可支援UXGA的解析度，亦支援HDTV，傳輸距離可達10公尺。

傳輸介面走向數位化意味著LCD控制IC的進入門檻降低，類比介面需經由ADC處理，而目前ADC在設計、整合製程上為LCD控制IC最困難的地方，採用數位介面，就不再需要ADC，後進者技術能力與先進者將大幅縮短，競爭程度勢必加劇。不過，由於類比顯示器數量仍佔多數，未來2年內輸出為類比訊號之影音裝置仍將佔大多數，因此預估2003年含類比傳輸介面之比重仍將達到67%（見表五），全面數位化時程仍然有段距離。因此具備自有ADC設計、整合能力之LCD控制IC廠商，未來2年內仍將會是市場領導者。

表五 LCD Monitor使用訊號傳輸介面比重 單位：%

資料來源：DisplaySearch（2001/06）、工研院經資中心（2001/11）

目前Silicon Image力推之DVI-TMDS的訊號發射IC採取免授權金方式，以促進數位傳輸介面標準普及，訊號接收IC在整合式IC乃採取收取IP授權金方式，分離式則必須購買獨立之訊號接收IC。

LCD控制IC目前用量主要來自於LCD monitor以及LCD TV。以上述兩項產品出貨量做為LCD控制IC需求量基礎，預估2001年LCD控制IC需求量為1.62千萬顆，2002年將大幅成長64%，達到2.66千萬顆。從以上數據可知，僅LCD monitor與LCD TV用之LCD控制IC市場值並不大，2001年僅約1.30億美元，2002年亦僅約為1.86億美元，約新台幣65億元。未來較具潛力市場為其他視訊產品，包括其它數位平面顯示器、數位投影機等，市場值至少倍數於現有狀態。

表五 LCD控制IC出貨量與市場值預測

資料來源：寶來證券研發部估計

就LCD monitor與LCD TV而言，預估LCD控制IC自2000~2003年都將呈現供過於求情形。LCD控制IC的供應取決於新進入廠商的多寡以及8吋晶圓廠之0.35微米製程的產能，其中分離式進入障礙較低，產品供應又較整合式來的充足。2001年第四季雖然面板產能吃緊，但是LCD控制IC卻在新進入者眾多以及晶圓廠產能充沛之下，分離式供過於求跡象有增無減；整合式由於進入障礙高，市場為Genesis獨霸，在Genesis採用0.25微米之新一代整合式產品GmZan2製程轉換不順下，造成2001年第四季整合式控制IC呈現缺貨的情況。預估未來1年內分離式供給過剩仍將持續擴大，整合式則會持續維持吃緊情況。

表六 LCD控制IC供需 單位：千顆

資料來源：寶來證券研發部整理

參、Genesis合併Sage，龍頭地位更加穩固

綜合分離式、整合式出貨量，全球市佔率前五大即囊括近85%（見表七），市場集中度頗高。但是在技術逐漸成熟下，欲進入者不在少數，預估未來1~2年內市場版圖將會大幅重整。

表七 LCD控制IC出貨量市佔率 單位：%

資料來源：DisplaySearch（2001/10）、工研院經資中心（2001/11）

產品價格趨勢主要因解析度、訊號傳輸介面而有差異，解析度愈高，價格下降趨勢愈慢。分離式由於進入障礙低，競爭者眾，價格下降壓力大。整合式仍由Genesis獨佔，價格下降壓力較小，但仍會受到分離式IC的擠壓。整合類比介面亦較分離式之Scaler抗跌。就XGA而言，分離式Scaler由2001年Q1的7.5美元下滑40%至Q3的4.5美元，預估Q4為3.5美元。整合類比介面2001年Q1為10美元，2001年Q3為9美元，僅下滑10%，預估2001年Q4為7~8美元。SXGA方面，分離式Scaler由2001Q1的11美元下滑18%至Q3的9美元，預估Q4為8美元。整合類比介面2001年Q1為12.5美元，2001年Q3反而上升至13美元，預估2001年Q4為10~12美元。

表八 2001年LCD控制IC價格趨勢 單位：美元

資料來源：寶來證券研發部整

發展LCD控制IC成功與否主要取決於ACD類比技術、Scaling演算法、晶圓製程以及與中下游廠商關係。其中最關鍵為ADC類比技術，由於類比技術人才缺乏，台灣廠商普遍欠缺ADC開發能力，雖然可以採取購買Analog Device產品的方式取代，但是會造成成本無法降低以及整合不易的缺點。Scaling演算法的設計好壞會影響所需晶圓的大小，過大的Scaling晶圓亦會造成成本上的負擔。晶圓製程採用0.25微米亦能較0.35微米更節省成本與電力消耗，以8吋晶圓而言，計算高階製程增加費用與晶圓成本減省之後，估計約可節省10%以上的成本，操作電壓可從3.3V降至2.5V。但是0.25微米在整合ADC混合訊號IC上仍有障礙等待克服。

Genesis、Pixelworks 2001年4~9月營業費用率分別為31.6%、65.8%，主要原因在於高度的研發支出，另外再加上購併費用之後，使得整體費用顯得非常不效率。反觀國內專業LCD控制IC廠商晶磊，營業費用率僅23.51%，國內廠商在成本上即已勝過國外廠商甚多。除了成本優勢外，由於台灣具備完整的半導體、LCD面板、下游組裝產業體系，就近供貨與服務客戶是台灣LCD控制IC設計廠商的天然優勢。尤其在Genesis供貨通常以日、韓為優先的情況下，台灣下游組裝廠商勢必積極扶植國產控制IC產業。

國內廠商陸續宣稱將推出整合型單晶片產品，如晶磊、創品、聯陽等公司。但是大多沒有實際Design in。國內廠商缺乏ADC技術，能否適時推出適合主流市場之產品仍然存在相當大的疑問，當國內廠商還在研發0.35微米的四合一晶片時，Genesis已即將推出0.25微米之整合晶片，國內廠商要跨入整合型晶片恐怕困難重重。

國內掛牌廠商中，唯有晶磊以LCD控制IC為主力產品之公司，其營收比重達85%，其技術亦為掛牌廠商中最佳者，其主要客戶亦為一線下游組裝廠商，客戶關係穩固，且2001年Q4之LCD控制IC出貨量全球市佔率可望超越旺宏，成為全球第三大廠商。預估EPS將由2001年之0.48元成長至2002年之2.28元，為投資首選標的。

表九 全球各地掛牌廠商概況

資料來源：寶來證券研發部

國內廠商發展LCD控制IC的致命傷在於缺乏ADC自有開發與整合技術，採取外購方式終究缺乏價格競爭力，未來2年內數位介面比重雖然將快速提升，但整體仍僅佔有33%，另外七成仍為類比或雙模的天下。但是在整體市場能夠大幅成長64%之下，數位市場亦能提供國內廠商追求成長的空間。就受益程度、技術能力以及客戶關係綜合評論，晶磊為投資首選標的。