小尺寸TFT-LCD GOA顯示屏不良橫紋的研究

高英強，陳華斌，李興亮，劉 洋，宋勇志

(北京京東方顯示技術有限公司 工藝開發部，北京 100176)

1 引 言

近年來，隨著TFT-LCD顯示技術的發展，窄邊框顯示屏因其簡潔、美觀、相同尺寸可視面積大等優點，已成為高品質顯示屏發展的主要趨勢，特別是小尺寸顯示屏，對窄邊框的要求越來越高，GOA(Gate On Array，陣列基板行驅動)技術的應用也更加頻繁[1]。GOA技術是利用液晶顯示面板的陣列制程將柵極驅動電路制作陣列基板上，實現對柵極逐行掃描的驅動方式，可以省掉單獨的柵極驅動集成電路部分，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計，更加符合顯示面板的發展趨勢[2-4]。

但是由于GOA技術是TFT器件的組合設計，伴隨著陣列基板工藝一起制作完成，而且GOA驅動電路結構復雜，一方面受陣列基板制造工藝的影響，存在不良缺陷的問題，另一方面又受到TFT器件自身不穩定性以及外界環境條件的影響，結果經常會導致TFT-LCD顯示屏在使用過程中因GOA驅動問題產生顯示異常的問題，因此，如何提高GOA電路驅動的穩定性成為了眾多科研院和顯示面板廠商們研究的熱點[5-8]。本文對小尺寸TFT-LCD GOA顯示屏在高溫高濕環境下，工作時產生的異常顯示橫紋不良，從產生原因、發生機理以及改善方面進行了深入的分析和驗證，發現GOA電路單元中ITO膜層的腐蝕對GOA驅動電路的穩定性輸出有著直接的影響。

2 橫紋不良產生原因

2.1 橫紋不良現象確認

小尺寸TFT-LCD GOA顯示屏在信賴性評價高溫高濕(60 ℃，90%RH)環境下長期運行(200 h左右)后，出現半屏或全屏橫紋的異常顯示現象。宏觀觀察，半屏橫紋表現為顯示屏幕一半正常顯示，一半顯示出現橫紋不良；全屏橫紋則表現為整張屏幕都出現橫紋不良。

在異常顯示位置，沿水平柵極(Gate掃描線)方向，可見間隔規律的呈周期性分布的亮暗線。本實驗研究產品為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象，異常顯示位置3行亮，1行暗，呈周期性規律分布。這是因為該產品GOA設計采用雙邊8 CLK交錯驅動，其中每2個CLK控制一組GOA單元，共有4組GOA單元，故當1組GOA單元中某一個GOA單元信號輸出異常時，導致本組其以上GOA單元都輸出異常，從而出現上述異常顯示現象。若輸出異常的GOA單元為起始單元時，則會產生全屏橫紋不良。

圖1 半屏橫紋不良現象Fig.1 Abnormal display on the half screen

2.2 橫紋不良原因分析

GOA單元輸出端信號檢測：不良樣品點亮后，在L63灰階畫面下，確認異常顯示起始位置為第A個GOA 單元控制的GateA行(A=1，2，…，1 280，代表第A行Gate掃描線)，接著用示波器對比測試異常GOA單元和正常GOA單元輸出端信號，測得正常GOA單元輸出端最高點電壓為20.01 V，最低點電壓為-7.21 V；而異常GOA單元最高點電壓僅為-5.94 V，最低點電壓為-7.69 V；由測試結果可知，異常GOA單元輸出端最高電壓為負值，所以無法開啟本行GOA控制的每個像素TFT開關，無法進行充電，從而導致整行像素都發暗。

光學&掃描電子顯微鏡檢查：對不良樣品剖屏后，在光學顯微鏡下(20×)觀察異常GOA區域，發現GOA區域大部分ITO連接單元的邊緣都發生了不同程度的腐蝕，ITO腐蝕嚴重的單元有柵極啟動信號(STV)輸出孔、關斷電壓(Vss)信號輸出孔，輸入(Input)信號連接孔，重置(Reset)信號連接孔，以及輸出(Output)信號連接孔等位置，這些腐蝕嚴重的ITO單元，用掃描電子顯微鏡進一步檢查，可見不僅ITO單元邊緣部分發生了嚴重腐蝕。而且過孔內ITO邊緣內也同樣發生了嚴重腐蝕。我們推測這些腐蝕嚴重的ITO過孔是導致GOA信號無法正常導通的直接原因。圖2所示為GOA單元腐蝕嚴重ITO連接單元。

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

ITO過孔電阻測試：分別選取異常和正常GOA單元中連接Vss、STV、Output、Reset信號端 4處腐蝕嚴重和正常的ITO過孔，對比測試ITO電阻值。電阻測試示意圖如圖3所示，采用兩個探針，一個探針接觸ITO過孔內，另一個接觸ITO過孔外邊緣，測試方法為電壓法和電流法，即通過兩個探針，測得ITO孔內外間的電壓和電流，然后再根據電阻公式R=U/I計算出電阻值，測試結果如表1所示。正常GOA單元中4處信號端的ITO過孔電阻平均值約為2.03×102Ω，而異常GOA單元中4處信號端的ITO過孔電阻平均值約為9.11×105Ω，可見，腐蝕的ITO過孔電阻異常偏大，可能造成GOA信號無法上下導通，產生橫紋不良。

圖3 ITO過孔電阻測試示意圖Fig.3 Diagram of resistivity test of ITO holes

表1 ITO過孔電阻測試結果 Tab.1 Result of ITO holes’ resistivity test

修復實驗：為了確認是ITO電阻偏大造成GOA信號無法導通，形成不良的直接原因，我們做了鎢粉沉積修復實驗，即用鎢粉沉積在腐蝕嚴重ITO連接孔表面，達到減小過孔電阻，恢復ITO過孔導通性的目的。實驗證明，用鎢粉沉積后，點屏確認，不良現象消失，屏幕恢復正常顯示，實驗證明形成不良的直接原因為腐蝕后的ITO電阻值偏大造成。

3 橫紋不良發生機理

3.1 ITO腐蝕條件：

因為橫紋不良是產品在高溫高濕測試條件下工作時產生的功能性問題，直接影響著產品壽命，同時也不滿足品質出貨標準(信賴性THO測試≥1 000 h)，因此為改善這個不良，找到ITO發生腐蝕的原因和機理尤為重要。首先，我們研究了引起ITO發生腐蝕的必要條件，將溫度、濕度及電信號影響因子進行分離評價，即在常溫高濕給信號、高溫常濕給信號、高溫高濕給信號以及高溫高濕不給信號4種不同條件下，進行了長期信賴性測試，如表2所示。測試結果表明，只有在高溫高濕給信號條件下，且在較短的時間內，ITO就會發生嚴重腐蝕，造成橫紋不良，由此可見，高溫、高濕和電信號是ITO發生腐蝕的3個必要條件。

表2 ITO腐蝕條件測試結果Tab.1 Result of ITO Corrosion in different condition

3.2 ITO腐蝕規律

在光學顯微鏡下觀察異常GOA區域ITO連接單元，只有4處保持完好，分別為時鐘(CLK)信號輸入連接孔、時鐘(CLKB)信號輸入連接孔、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單元均出現了不同程度的腐蝕，腐蝕嚴重的主要在STV信號輸出孔以及輸入M7模塊的源柵連接孔、Input信號輸入M1模塊的源柵連接孔、Output信號輸出連接孔以及Reset信號輸入連接孔等位置，圖4(a)所示為部分腐蝕嚴重和保持完好的ITO單元。通過進一步對ITO連接單元施腐蝕情況和電信號的研究，我們發現這些ITO連接單元的腐蝕情況與所施加的電信號有一定的對應關系，保持完好或者腐蝕程度較輕的ITO連接單元，對應施加的電信號都是方波信號，而腐蝕嚴重ITO連接單元，對應施加電信號都是脈沖信號，GOA電路單元工作時，施加的電信號波形，如圖4(b)所示。

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

(b)驅動電壓波形(b) Oscillograph of driving voltage圖4 ITO連接孔腐蝕情況與驅動電信號關系Fig.4 Relation between ITO units and driving voltage

3.3 ITO腐蝕機理

通過ITO連接單元腐蝕發生條件和ITO腐蝕規律的研究，我們認為ITO發生腐蝕的根本原因為，產品在高溫高濕環境條件下長期運行，水汽不斷通過封框膠(Seal)或者聚酰亞胺(PI)膜等膜層滲入盒內，使周邊區域的液晶(LC)、PI導電能力增強，形成通路，從而使處于陰極的ITO發生電化學腐蝕[9-12]。

ITO連接單元施加電信號為方波信號時，相對脈沖信號，位于高電位，ITO不發生腐蝕，而當ITO連接單元施加電信號為脈沖信號時，相對方波信號，位于低電位，ITO則發生腐蝕，證明ITO腐蝕與周邊的電位有關，根據電化學腐蝕原理，推測處于低電位的ITO與周圍的高電位ITO形成了電解池，處于低電位的ITO發生陰極腐蝕反應而被還原。反應機理推測如圖5所示。

圖5 ITO腐蝕機理Fig.5 Mechanism of ITO corrosion

(1)在高溫高濕條件下，水汽進入盒內，促進周邊LC、PI等雜質電離；

(2)當GOA電路工作后，各個ITO上有了不同的電壓，在電壓差作用下，雜質離子在特定區域內移動，形成通路，陰離子往陽極ITO移動，陽離子往陰極ITO移動；

(3)電解池反應是強制的氧化還原反應，當電壓差達到閾值電壓后，就會發生電解池反應；

(4)假設陽極反應中雜質陰離子為OH-，則陰極和陽極反應分別如下：

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

陽極反應(氧化)：4OH-→ O2+ 2H2O + 4e；

總反應：In2O3→ 2In + 3/2 O2。

注：陽極反應中若雜質陰離子中有放電順序優于氫氧根的，優先雜質離子反應(如氯離子等)。

3.4 ITO腐蝕機理驗證

為了證明處于低電位的ITO發生陰極腐蝕反應而被還原，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發生了電化學腐蝕，部分ITO已被還原成In單質。

4 改善驗證及結果討論

綜上，小尺寸TFT-LCD GOA顯示屏橫紋不良直接原因為GOA區域ITO連接單元發生了腐蝕，ITO過孔電阻變大，導致GOA電信號無法上下導通；而ITO腐蝕的根本原因為產品長期工作在高溫高濕環境條件下，水汽逐漸通過封框膠或者PI膜等膜層滲入盒內，使周邊區域的LC、PI導電能力增強，形成通路，從而使處于陰極的ITO發生電化學腐蝕。根據電化學腐蝕機理研究，影響ITO腐蝕的主要因素為溫度、濕度以及電位差，且存在著漸進性。因此我們可以從隔絕水汽，降低電化學反應電位差以及增加ITO防腐蝕能力等方面來阻止此類電化學腐蝕。

對此，我們制定了以下改善方案，并且進行了實驗驗證，驗證結果如下：

將本產品之前采用的SWB-73型號封框膠變更為隔絕水汽效果較好的SWB-21型號封框膠。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于SWB-73膠。樣品制作完成后，投入信賴性測試，測試環境溫度為60 ℃，相對濕度為90%，在R、G、B、L0、L63、L127以及L255等7種顯示畫面不斷重復切換下，檢查顯示屏的工作狀態。測試結果顯示，采用SWB-21膠樣品，發生不良的時間為600～720 h，而SWB-73膠的樣品，發生不良的時間為176～240 h，可見SWB-21膠的隔水性要明顯優于SWB-73膠。實驗證明采用隔水性好的封框膠，可以減少或減慢水汽進入產品，可有效降低ITO腐蝕作用，減緩ITO腐蝕時間。

在采用隔水性較好SWB-21型號封框膠基礎上，ITO膜厚由之前40 nm增加到70 nm，最后驗證樣品測試超過1 000 h未發生不良，可見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型號封框膠基礎上，從降低電位差出發，把低電平Vss電壓從之前的-11 V調整到-8 V后，測試樣品也超過1 000 h都未發生不良，可見降低電位差同樣可以有效降低ITO腐蝕作用。

通過以上方案及實驗驗證，可見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腐蝕時間，有效預防因ITO腐蝕引起的橫紋不良發生。

5 結 論

本文對小尺寸TFT-LCD GOA顯示屏長期工作在高溫高濕環境條件下產生的功能性橫紋不良進行了深入的分析與改善研究，通過大量測試和實驗驗證，明確了不良產生的直接原因為GOA區域ITO連接單元發生了腐蝕，ITO過孔電阻變大，導致GOA電信號無法上下導通。而且進一步發現了ITO發生腐蝕的原因和機理，即在高溫高濕條件下工作時，ITO發生了電化學腐蝕。最后根據ITO電化學腐蝕的影響因素和腐蝕機理，制定并驗證了有效解決該不良的改善方案，使ITO腐蝕發生時間從200 h左右延長到超過1 000 h。該橫紋不良分析與改善研究對以后小尺寸TFT-LCD GOA顯示屏的開發設計或相似問題的解決積累了寶貴的經驗，具有很大的參考價值。