規格多變 難度提升 手機面板驅動IC技術大考驗

2004-11-01
從i-mode的2G加值服務、彩色手機、照相手機、3G服務,在手機的應用發展上,日本一直居於領先地位...
從i-mode的2G加值服務、彩色手機、照相手機、3G服務,在手機的應用發展上,日本一直居於領先地位,日商因提早就近接觸市場,因此,日商也在手機驅動IC的技術發展與全世界IC市場佔有率位居領先地位。在手機平台上進行中的多功能數位整合,使得驅動IC的規格跟著在變,技術難度當然亦跟著在提升。  

手機應用朝強化娛樂功能如彩色桌布/大頭貼、低階相機、遊戲機、MP3、PDA等數位消費電子整合的速度,已快過電信業者規劃的WAP/GPRS上網或是3G影像電話/串流影音的純通訊方向的發展速度。  

這一波發生在手機的數位電子整合過程中,彩色螢幕品質扮演著為其他功能加值的重要角色,2004年全球手機用彩色LCD面板出貨量將超過7成,首次超越單色LCD面板出貨量。  

表1是手機整合功能對顯示模組的新增要求,由表中可以清楚地感覺到彩度升級的迫切性,顯示品質的提升是消費者確實體會得到的,可以強化價值感和品味流行,這感覺不同於藏在機殼內的有些功能或零件,付出了價錢,卻很少用到而感受不到它的價值。  

TFT-LCD面板將成為手機面板主流  

在彩色顯示模組中的液晶面板主要有三類,Color STN(CSTN),Amorphous TFT(A-Si TFT),低溫多晶矽TFT(LTPS TFT),其特性如表2所示,CSTN目前有低功率消耗與低價的優勢,TFT則有高顯示品質(色彩豐富、反應速度快、對比高)的優勢。CSTN由於先天特性的關係無法支援手機朝高彩度、反應速度快的趨勢發展,故市場佔有率逐漸縮小中,而TFT除了顯示特性優之外,中長期也有來自於去化TFT LCD3代、3.5代產能的供給優勢及降價空間,是目前可見的商用、可量產技術中最具主流架式者。另外,手機用的液晶面板彩色濾光片以條列狀 (stripe)排列、液晶模式為Normally White為主。  

手機面板用驅動IC技術發展趨勢  

手機體積大小有人體工學的考量,面板尺寸因而受限,一般大多在2.5吋以下,且是方形或直立形居多,因此顯示解析度的提升會因為面板尺寸與精細度能力而受限,圖1是手機面板驅動IC解析度的主流規格圖,由圖1可知道驅動IC除了往高解析度發展外,也逐漸包含Sub-Panel的顯示驅動以達到Cost- Down及增進Sub-Panel顯示品質的效果。  

驅動IC為達到高資料量顯示時,低功率消耗、低雜訊與低成本,在設計做了一些改變,因此連帶影響製程、Bump及封裝的改變。以下就針對a-Si TFT LCD顯示模組的驅動IC設計技術、製程、Bump趨勢做一簡介。  

低功率驅動方式  

手機面板相對於電腦用面板小很多,有些現象是人眼不易察覺,故可選擇省電的方式來設計驅動晶片。  

1. 儲存電容(Cs)的架構(Cs on common):儲存電容主要是為了讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時候之用,一般最常見的儲存電容架構有兩種,分別是Cs on Gate與Cs on Common這兩種,Cs on Common可以簡化電路設計及省去Cs on Gate時VGL訊號Toggle所耗的電流,目前市場上以Cs on Common架構為主。  

2. Common電極的驅動方式(Vcom AC Modulation):當Common電極電壓是固定不變時,顯示電極的最高電壓需要到達Common電極電壓的兩倍以上。若Common電極電壓固定於5伏特的話,則Source Driver所能提供的工作電壓範圍就要到10伏特以上。但是如果Common電極的電壓是變動的話,假使Common電極電壓最大為5伏特,則 Source Driver的最大工作電壓也只要為5伏特就可以了。越高電壓的工作範圍,電路的複雜度相對會提高,Power也會因此而加高。  

3. 面板的極性變換方式(Line/ Frame Inversion):由於液晶分子特性是不能夠一直固定在某一個電壓不變,時間久了,即使將電壓取消掉,液晶分子會因為特性的破壞而無法再因應電場的變化來轉動,以形成不同的灰階。所以每隔一段時間,就必須將電壓恢復原狀,以避免液晶分子的特性遭到破壞。Frame inversion是其整個畫面所有相鄰的點,都是擁有相同的極性;而Line Inversion則在同一列上擁有相同的極性,在相鄰的列上極性不同。  

4. Embedded Bit-Map Graphic Memory:內嵌顯示記憶體內嵌的好處為當顯示畫面沒改變時,可以由記憶體提供顯示資料給Source Driver,因此可以省去與Host端介面傳輸電流消耗;另外,也使得一些系統層面的省電控制變得較有意義,如手機待機時螢幕進入省電模式時,一般是關掉背光,開一較小視窗顯示時間之類,此時省下的介面電流是非常可觀的。另外,低功率的電路設計也是不可避免的,一般會先在Source/Gate Driver、Memory Access或Power /Rregulator下功夫。  

三合一單晶片整合  

圖2是整合型單晶片的方塊圖,將傳統應用的三顆IC- Source Driver、Gate Driver與Power整合成一顆,由於原先三顆之間的連接訊號已經變為內部訊號,故一顆的腳位比原來三顆加起來的少,使得IC後段的Bump封裝、測試、模組加工、物料管理成本變小,當然晶片設計的難度也因新工作電壓同時有2.5V、5V、40V而增高了。  

高速、低功率、低EMI的顯示資料介面  

圖3是一般照相手機及Smart Phone的系統方塊示意圖,隨著顯示模組顯示資料從靜態畫面到動畫、影片、3D Game數據的演變過程中,系統的架構也跟著在變。為了在以電池驅動的手機上播放更強的影音功能,驅動IC與Host端更高速、更省電、更低EMI雜訊的介面規格陸續出現市場上,實體層介面的演進從CPU串列介面,到RGB平行介面,再到相繼出現的新規格,如Seiko Epson與Renesas主導的開放性標準Mobile Video Interface(MVI)、NEC的Mobile Current Mode Advanced Differential Signaling(M-CMADS)等。相對於傳統CPU Interface及RGB Interface這些新規格在愈高速時(如50Mbps以上)的省電及EMI雜訊改善情形越明顯。  

半導體製程朝微線距發展(0.18μm)  

圖4是TFT-LCD手機面板用驅動IC的製程趨勢,製程的選擇除了考慮產品本身的需要外,也需考慮IC代工廠製程的可利用與否,圖4中 1.0μm/0.35μm為3chip所用的製程,0.5μm為3-Chip Cost Down或Memoryless單晶片所用的製程,由於顯示的解析度及灰階彩度越來越高,內嵌的記憶體所佔的Die Size的比例也就越來越大,為了減少Die Size及電流消耗,使用高階製程的需求就越來越高。0.25μm/0.18μm為含顯示記憶體單晶片所用的製程。  

Bump Pitch朝微小化發展  

圖5是驅動IC使用的Bump Pitch趨勢。高解析度、高整合度增加了單顆IC腳位,以240x320解析度為例,單Source IC及Gate IC直接驅動面板的顯示用腳位就有240x3+320共1040腳,何況還有其他的應用腳位。為減少Pad因素所增加的成本,廠商將會設法將Bump Pitch縮小,以降低成本。  

畫素提升、降低功耗 驅動IC未來發展的重點  

驅動IC的技術發展趨勢以支持手機的功能發展為基本前提,所以需將畫素解析度從QCIF提升到QVGA或QVGA+,彩度從4096色、65K色提升到 262K色,傳輸速度從慢速靜態畫面顯示到適合高速動畫顯示。為了提高TFT-LCD面板模組相較於CSTN面板模組的競爭力,在價格方面,未來將設法趨近於Color STN模組價格;在功率消耗方面,將由目前的10mW設法降至3Mw。此外還必須降低高速應用時的EMI雜訊,使系統製造廠商容易設計、量產手機成品。  

(本文作者為奇景光電經理,且本文已取得奇景光電授權刊登)  

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