小尺寸TFT-LCD GOA顯示屏不良橫紋的研究

高英強(qiáng)，陳華斌，李興亮，劉 洋，宋勇志

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司 工藝開(kāi)發(fā)部，北京 100176)

1 引 言

近年來(lái)，隨著TFT-LCD顯示技術(shù)的發(fā)展，窄邊框顯示屏因其簡(jiǎn)潔、美觀、相同尺寸可視面積大等優(yōu)點(diǎn)，已成為高品質(zhì)顯示屏發(fā)展的主要趨勢(shì)，特別是小尺寸顯示屏，對(duì)窄邊框的要求越來(lái)越高，GOA(Gate On Array，陣列基板行驅(qū)動(dòng))技術(shù)的應(yīng)用也更加頻繁[1]。GOA技術(shù)是利用液晶顯示面板的陣列制程將柵極驅(qū)動(dòng)電路制作陣列基板上，實(shí)現(xiàn)對(duì)柵極逐行掃描的驅(qū)動(dòng)方式，可以省掉單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)集成電路部分，不僅降低顯示器件材料成本和制作成本，而且減小面板的邊框設(shè)計(jì)，更加符合顯示面板的發(fā)展趨勢(shì)[2-4]。

但是由于GOA技術(shù)是TFT器件的組合設(shè)計(jì)，伴隨著陣列基板工藝一起制作完成，而且GOA驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一方面受陣列基板制造工藝的影響，存在不良缺陷的問(wèn)題，另一方面又受到TFT器件自身不穩(wěn)定性以及外界環(huán)境條件的影響，結(jié)果經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致TFT-LCD顯示屏在使用過(guò)程中因GOA驅(qū)動(dòng)問(wèn)題產(chǎn)生顯示異常的問(wèn)題，因此，如何提高GOA電路驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性成為了眾多科研院和顯示面板廠商們研究的熱點(diǎn)[5-8]。本文對(duì)小尺寸TFT-LCD GOA顯示屏在高溫高濕環(huán)境下，工作時(shí)產(chǎn)生的異常顯示橫紋不良，從產(chǎn)生原因、發(fā)生機(jī)理以及改善方面進(jìn)行了深入的分析和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)GOA電路單元中ITO膜層的腐蝕對(duì)GOA驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性輸出有著直接的影響。

2 橫紋不良產(chǎn)生原因

2.1 橫紋不良現(xiàn)象確認(rèn)

小尺寸TFT-LCD GOA顯示屏在信賴性評(píng)價(jià)高溫高濕(60 ℃，90%RH)環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行(200 h左右)后，出現(xiàn)半屏或全屏橫紋的異常顯示現(xiàn)象。宏觀觀察，半屏橫紋表現(xiàn)為顯示屏幕一半正常顯示，一半顯示出現(xiàn)橫紋不良；全屏橫紋則表現(xiàn)為整張屏幕都出現(xiàn)橫紋不良。

在異常顯示位置，沿水平柵極(Gate掃描線)方向，可見(jiàn)間隔規(guī)律的呈周期性分布的亮暗線。本實(shí)驗(yàn)研究產(chǎn)品為9.6 HADS顯示屏，分辨率為1 280×800，常黑顯示模式。圖1所示為顯示屏半屏橫紋不良的一種現(xiàn)象，異常顯示位置3行亮，1行暗，呈周期性規(guī)律分布。這是因?yàn)樵摦a(chǎn)品GOA設(shè)計(jì)采用雙邊8 CLK交錯(cuò)驅(qū)動(dòng)，其中每2個(gè)CLK控制一組GOA單元，共有4組GOA單元，故當(dāng)1組GOA單元中某一個(gè)GOA單元信號(hào)輸出異常時(shí)，導(dǎo)致本組其以上GOA單元都輸出異常，從而出現(xiàn)上述異常顯示現(xiàn)象。若輸出異常的GOA單元為起始單元時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生全屏橫紋不良。

圖1 半屏橫紋不良現(xiàn)象Fig.1 Abnormal display on the half screen

2.2 橫紋不良原因分析

GOA單元輸出端信號(hào)檢測(cè)：不良樣品點(diǎn)亮后，在L63灰階畫面下，確認(rèn)異常顯示起始位置為第A個(gè)GOA 單元控制的GateA行(A=1，2，…，1 280，代表第A行Gate掃描線)，接著用示波器對(duì)比測(cè)試異常GOA單元和正常GOA單元輸出端信號(hào)，測(cè)得正常GOA單元輸出端最高點(diǎn)電壓為20.01 V，最低點(diǎn)電壓為-7.21 V；而異常GOA單元最高點(diǎn)電壓僅為-5.94 V，最低點(diǎn)電壓為-7.69 V；由測(cè)試結(jié)果可知，異常GOA單元輸出端最高電壓為負(fù)值，所以無(wú)法開(kāi)啟本行GOA控制的每個(gè)像素TFT開(kāi)關(guān)，無(wú)法進(jìn)行充電，從而導(dǎo)致整行像素都發(fā)暗。

光學(xué)&掃描電子顯微鏡檢查：對(duì)不良樣品剖屏后，在光學(xué)顯微鏡下(20×)觀察異常GOA區(qū)域，發(fā)現(xiàn)GOA區(qū)域大部分ITO連接單元的邊緣都發(fā)生了不同程度的腐蝕，ITO腐蝕嚴(yán)重的單元有柵極啟動(dòng)信號(hào)(STV)輸出孔、關(guān)斷電壓(Vss)信號(hào)輸出孔，輸入(Input)信號(hào)連接孔，重置(Reset)信號(hào)連接孔，以及輸出(Output)信號(hào)連接孔等位置，這些腐蝕嚴(yán)重的ITO單元，用掃描電子顯微鏡進(jìn)一步檢查，可見(jiàn)不僅ITO單元邊緣部分發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕。而且過(guò)孔內(nèi)ITO邊緣內(nèi)也同樣發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕。我們推測(cè)這些腐蝕嚴(yán)重的ITO過(guò)孔是導(dǎo)致GOA信號(hào)無(wú)法正常導(dǎo)通的直接原因。圖2所示為GOA單元腐蝕嚴(yán)重ITO連接單元。

圖2 腐蝕ITO單元。(a)光學(xué)顯微鏡檢查結(jié)果；(b)掃描電子顯微鏡檢查結(jié)果。Fig.2 Corroded ITO unit . (a) Corroded ITO under optical microscope; (b) Corroded ITO under scanning electron microscope.

ITO過(guò)孔電阻測(cè)試：分別選取異常和正常GOA單元中連接Vss、STV、Output、Reset信號(hào)端 4處腐蝕嚴(yán)重和正常的ITO過(guò)孔，對(duì)比測(cè)試ITO電阻值。電阻測(cè)試示意圖如圖3所示，采用兩個(gè)探針，一個(gè)探針接觸ITO過(guò)孔內(nèi)，另一個(gè)接觸ITO過(guò)孔外邊緣，測(cè)試方法為電壓法和電流法，即通過(guò)兩個(gè)探針，測(cè)得ITO孔內(nèi)外間的電壓和電流，然后再根據(jù)電阻公式R=U/I計(jì)算出電阻值，測(cè)試結(jié)果如表1所示。正常GOA單元中4處信號(hào)端的ITO過(guò)孔電阻平均值約為2.03×102Ω，而異常GOA單元中4處信號(hào)端的ITO過(guò)孔電阻平均值約為9.11×105Ω，可見(jiàn)，腐蝕的ITO過(guò)孔電阻異常偏大，可能造成GOA信號(hào)無(wú)法上下導(dǎo)通，產(chǎn)生橫紋不良。

圖3 ITO過(guò)孔電阻測(cè)試示意圖Fig.3 Diagram of resistivity test of ITO holes

表1 ITO過(guò)孔電阻測(cè)試結(jié)果 Tab.1 Result of ITO holes’ resistivity test

修復(fù)實(shí)驗(yàn)：為了確認(rèn)是ITO電阻偏大造成GOA信號(hào)無(wú)法導(dǎo)通，形成不良的直接原因，我們做了鎢粉沉積修復(fù)實(shí)驗(yàn)，即用鎢粉沉積在腐蝕嚴(yán)重ITO連接孔表面，達(dá)到減小過(guò)孔電阻，恢復(fù)ITO過(guò)孔導(dǎo)通性的目的。實(shí)驗(yàn)證明，用鎢粉沉積后，點(diǎn)屏確認(rèn)，不良現(xiàn)象消失，屏幕恢復(fù)正常顯示，實(shí)驗(yàn)證明形成不良的直接原因?yàn)楦g后的ITO電阻值偏大造成。

3 橫紋不良發(fā)生機(jī)理

3.1 ITO腐蝕條件：

因?yàn)闄M紋不良是產(chǎn)品在高溫高濕測(cè)試條件下工作時(shí)產(chǎn)生的功能性問(wèn)題，直接影響著產(chǎn)品壽命，同時(shí)也不滿足品質(zhì)出貨標(biāo)準(zhǔn)(信賴性THO測(cè)試≥1 000 h)，因此為改善這個(gè)不良，找到ITO發(fā)生腐蝕的原因和機(jī)理尤為重要。首先，我們研究了引起ITO發(fā)生腐蝕的必要條件，將溫度、濕度及電信號(hào)影響因子進(jìn)行分離評(píng)價(jià)，即在常溫高濕給信號(hào)、高溫常濕給信號(hào)、高溫高濕給信號(hào)以及高溫高濕不給信號(hào)4種不同條件下，進(jìn)行了長(zhǎng)期信賴性測(cè)試，如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明，只有在高溫高濕給信號(hào)條件下，且在較短的時(shí)間內(nèi)，ITO就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，造成橫紋不良，由此可見(jiàn)，高溫、高濕和電信號(hào)是ITO發(fā)生腐蝕的3個(gè)必要條件。

表2 ITO腐蝕條件測(cè)試結(jié)果Tab.1 Result of ITO Corrosion in different condition

3.2 ITO腐蝕規(guī)律

在光學(xué)顯微鏡下觀察異常GOA區(qū)域ITO連接單元，只有4處保持完好，分別為時(shí)鐘(CLK)信號(hào)輸入連接孔、時(shí)鐘(CLKB)信號(hào)輸入連接孔、CLKB輸入TFT模塊M9的源柵連接孔以及M9和M5模塊的漏柵連接孔位置，除以上ITO連接單元外，其余位置ITO單元均出現(xiàn)了不同程度的腐蝕，腐蝕嚴(yán)重的主要在STV信號(hào)輸出孔以及輸入M7模塊的源柵連接孔、Input信號(hào)輸入M1模塊的源柵連接孔、Output信號(hào)輸出連接孔以及Reset信號(hào)輸入連接孔等位置，圖4(a)所示為部分腐蝕嚴(yán)重和保持完好的ITO單元。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)ITO連接單元施腐蝕情況和電信號(hào)的研究，我們發(fā)現(xiàn)這些ITO連接單元的腐蝕情況與所施加的電信號(hào)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，保持完好或者腐蝕程度較輕的ITO連接單元，對(duì)應(yīng)施加的電信號(hào)都是方波信號(hào)，而腐蝕嚴(yán)重ITO連接單元，對(duì)應(yīng)施加電信號(hào)都是脈沖信號(hào)，GOA電路單元工作時(shí)，施加的電信號(hào)波形，如圖4(b)所示。

(a)異常GOA單元ITO連接單元(a) ITO units of abnormal GOA

(b)驅(qū)動(dòng)電壓波形(b) Oscillograph of driving voltage圖4 ITO連接孔腐蝕情況與驅(qū)動(dòng)電信號(hào)關(guān)系Fig.4 Relation between ITO units and driving voltage

3.3 ITO腐蝕機(jī)理

通過(guò)ITO連接單元腐蝕發(fā)生條件和ITO腐蝕規(guī)律的研究，我們認(rèn)為ITO發(fā)生腐蝕的根本原因?yàn)?，產(chǎn)品在高溫高濕環(huán)境條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，水汽不斷通過(guò)封框膠(Seal)或者聚酰亞胺(PI)膜等膜層滲入盒內(nèi)，使周邊區(qū)域的液晶(LC)、PI導(dǎo)電能力增強(qiáng)，形成通路，從而使處于陰極的ITO發(fā)生電化學(xué)腐蝕[9-12]。

ITO連接單元施加電信號(hào)為方波信號(hào)時(shí)，相對(duì)脈沖信號(hào)，位于高電位，ITO不發(fā)生腐蝕，而當(dāng)ITO連接單元施加電信號(hào)為脈沖信號(hào)時(shí)，相對(duì)方波信號(hào)，位于低電位，ITO則發(fā)生腐蝕，證明ITO腐蝕與周邊的電位有關(guān)，根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理，推測(cè)處于低電位的ITO與周圍的高電位ITO形成了電解池，處于低電位的ITO發(fā)生陰極腐蝕反應(yīng)而被還原。反應(yīng)機(jī)理推測(cè)如圖5所示。

圖5 ITO腐蝕機(jī)理Fig.5 Mechanism of ITO corrosion

(1)在高溫高濕條件下，水汽進(jìn)入盒內(nèi)，促進(jìn)周邊LC、PI等雜質(zhì)電離；

(2)當(dāng)GOA電路工作后，各個(gè)ITO上有了不同的電壓，在電壓差作用下，雜質(zhì)離子在特定區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，形成通路，陰離子往陽(yáng)極ITO移動(dòng)，陽(yáng)離子往陰極ITO移動(dòng)；

(3)電解池反應(yīng)是強(qiáng)制的氧化還原反應(yīng)，當(dāng)電壓差達(dá)到閾值電壓后，就會(huì)發(fā)生電解池反應(yīng)；

(4)假設(shè)陽(yáng)極反應(yīng)中雜質(zhì)陰離子為OH-，則陰極和陽(yáng)極反應(yīng)分別如下：

陰極反應(yīng)(還原)：In2O3+ 3H2O + 6e→ 2In + 6OH-；

陽(yáng)極反應(yīng)(氧化)：4OH-→ O2+ 2H2O + 4e；

總反應(yīng)：In2O3→ 2In + 3/2 O2。

注：陽(yáng)極反應(yīng)中若雜質(zhì)陰離子中有放電順序優(yōu)于氫氧根的，優(yōu)先雜質(zhì)離子反應(yīng)(如氯離子等)。

3.4 ITO腐蝕機(jī)理驗(yàn)證

為了證明處于低電位的ITO發(fā)生陰極腐蝕反應(yīng)而被還原，我們用EDS能譜分析了被腐蝕ITO和正常ITO的元素成分，測(cè)得腐蝕ITO中，In含量明顯增加，從正常的4.69%增加到16.56%；而O的含量明顯減少，從8.24%下降到了4.17%。由此可以證明ITO發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，部分ITO已被還原成In單質(zhì)。

4 改善驗(yàn)證及結(jié)果討論

綜上，小尺寸TFT-LCD GOA顯示屏橫紋不良直接原因?yàn)镚OA區(qū)域ITO連接單元發(fā)生了腐蝕，ITO過(guò)孔電阻變大，導(dǎo)致GOA電信號(hào)無(wú)法上下導(dǎo)通；而ITO腐蝕的根本原因?yàn)楫a(chǎn)品長(zhǎng)期工作在高溫高濕環(huán)境條件下，水汽逐漸通過(guò)封框膠或者PI膜等膜層滲入盒內(nèi)，使周邊區(qū)域的LC、PI導(dǎo)電能力增強(qiáng)，形成通路，從而使處于陰極的ITO發(fā)生電化學(xué)腐蝕。根據(jù)電化學(xué)腐蝕機(jī)理研究，影響ITO腐蝕的主要因素為溫度、濕度以及電位差，且存在著漸進(jìn)性。因此我們可以從隔絕水汽，降低電化學(xué)反應(yīng)電位差以及增加ITO防腐蝕能力等方面來(lái)阻止此類電化學(xué)腐蝕。

對(duì)此，我們制定了以下改善方案，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如下：

將本產(chǎn)品之前采用的SWB-73型號(hào)封框膠變更為隔絕水汽效果較好的SWB-21型號(hào)封框膠。SWB-21膠的吸水率為2.5%，透濕率為57 g/m2(24 h)，而SWB-73膠的吸水率為4%，透濕率為90 g/m2(24 h)，SWB-21膠在隔絕水汽方面要明顯優(yōu)于SWB-73膠。樣品制作完成后，投入信賴性測(cè)試，測(cè)試環(huán)境溫度為60 ℃，相對(duì)濕度為90%，在R、G、B、L0、L63、L127以及L255等7種顯示畫面不斷重復(fù)切換下，檢查顯示屏的工作狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果顯示，采用SWB-21膠樣品，發(fā)生不良的時(shí)間為600～720 h，而SWB-73膠的樣品，發(fā)生不良的時(shí)間為176～240 h，可見(jiàn)SWB-21膠的隔水性要明顯優(yōu)于SWB-73膠。實(shí)驗(yàn)證明采用隔水性好的封框膠，可以減少或減慢水汽進(jìn)入產(chǎn)品，可有效降低ITO腐蝕作用，減緩ITO腐蝕時(shí)間。

在采用隔水性較好SWB-21型號(hào)封框膠基礎(chǔ)上，ITO膜厚由之前40 nm增加到70 nm，最后驗(yàn)證樣品測(cè)試超過(guò)1 000 h未發(fā)生不良，可見(jiàn)ITO膜厚的增加，可以有效提高ITO抗腐蝕作用。

在采用隔水性較好SWB-92型號(hào)封框膠基礎(chǔ)上，從降低電位差出發(fā)，把低電平Vss電壓從之前的-11 V調(diào)整到-8 V后，測(cè)試樣品也超過(guò)1 000 h都未發(fā)生不良，可見(jiàn)降低電位差同樣可以有效降低ITO腐蝕作用。

通過(guò)以上方案及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可見(jiàn)采用隔水性好的封框膠、增加ITO膜厚、以及降低Vss電位，都可以有效降低ITO的腐蝕作用，延緩ITO腐蝕時(shí)間，有效預(yù)防因ITO腐蝕引起的橫紋不良發(fā)生。

5 結(jié) 論

本文對(duì)小尺寸TFT-LCD GOA顯示屏長(zhǎng)期工作在高溫高濕環(huán)境條件下產(chǎn)生的功能性橫紋不良進(jìn)行了深入的分析與改善研究，通過(guò)大量測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，明確了不良產(chǎn)生的直接原因?yàn)镚OA區(qū)域ITO連接單元發(fā)生了腐蝕，ITO過(guò)孔電阻變大，導(dǎo)致GOA電信號(hào)無(wú)法上下導(dǎo)通。而且進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了ITO發(fā)生腐蝕的原因和機(jī)理，即在高溫高濕條件下工作時(shí)，ITO發(fā)生了電化學(xué)腐蝕。最后根據(jù)ITO電化學(xué)腐蝕的影響因素和腐蝕機(jī)理，制定并驗(yàn)證了有效解決該不良的改善方案，使ITO腐蝕發(fā)生時(shí)間從200 h左右延長(zhǎng)到超過(guò)1 000 h。該橫紋不良分析與改善研究對(duì)以后小尺寸TFT-LCD GOA顯示屏的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)或相似問(wèn)題的解決積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，具有很大的參考價(jià)值。