用于液晶顯示屏的經(jīng)濟(jì)可靠技術(shù)

1. COG (Chip On Glass)的價值定位

如今，很多液晶顯示器都通過連接一個帶封裝的液晶驅(qū)動器IC實(shí)現(xiàn)顯示功能，其通過印刷電路板(PCB)進(jìn)行物理顯示(見圖1a)。這個概念(后文稱為“表面貼裝器件”或SMD概念)提供了一個堅(jiān)固的機(jī)械解決方案，但要求更復(fù)雜及更區(qū)域聚集的PCB設(shè)計(jì)。

COG (Chip On Glass)技術(shù)是另一種設(shè)計(jì)方法，其液晶驅(qū)動器直接安裝于顯示屏上(見圖1b)。這個概念(后文稱為COG概念)減少了PCB上的走線和層數(shù)，削減了電路板的尺寸和復(fù)雜性，并減少了SMD概念中使用的IC封裝。整體效果是降低了系統(tǒng)成本。

與SMD概念相反，COG要求IC和液晶模塊制造商之間有嚴(yán)格的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)。NXP有實(shí)力支持COG應(yīng)用，因其與世界各地的主要液晶模塊制造商關(guān)系緊密，且在為COG應(yīng)用設(shè)計(jì)液晶驅(qū)動器方面已有超過10年的經(jīng)驗(yàn)。

2. 表面貼裝器件概念

對于SMD液晶屏來說，顯示器和顯示器驅(qū)動都直接安裝在PCB上。顯示器和PCB之間的連接通過固定引腳或彈性連接器(ZEBRA)實(shí)現(xiàn)。以4*60 液晶區(qū)段驅(qū)動器為例,在復(fù)用1:4模式下具有最高240個區(qū)段，結(jié)果是顯示驅(qū)動器和PCB以及PCB和顯示器之間具有最高64個連接。(128區(qū)段顯示和36連接的示例，見圖2)。

SMD顯示屏包括液晶單元，一個金屬或塑料邊框，后者將液晶單元壓到彈性連接器(ZEBRA)上，然后與PCB上的走線連接。ZEBRA連接器由交替的細(xì)間距導(dǎo)電段和隔離段組成，嵌于兩個隔離帶之間。金屬或者塑料邊框都施加一種壓力，輕微擠壓ZEBRA以保證液晶屏與PCB嚴(yán)密接觸。

3. COG (Chip On Glass)液晶屏概念

COG模塊的組成為：

顯示屏，代表有效顯示區(qū)域。

顯示屏周圍的密封環(huán)，保護(hù)并密封顯示屏。

連接平臺，為液晶驅(qū)動器IC提供空間。

液晶驅(qū)動器IC自身產(chǎn)生顯示器控制和驅(qū)動信號。彈性面板連接器(FPC)將顯示驅(qū)動器IC連接到微控制器(見圖4)。

在COG模塊中，組成液晶屏的兩塊玻璃板之一向外延伸，提供安裝和連接液晶驅(qū)動器的空間(見圖4和圖5)。通過銦錫氧化物(ITO)電極與顯示屏連接，前者裝配于玻璃板表面并通過異方性導(dǎo)電膜(ACF)連接到安裝于驅(qū)動器IC的連接墊上的金接點(diǎn)。

COG技術(shù)在液晶模塊設(shè)計(jì)方面的限制很少：

對于COG，非封裝顯示驅(qū)動器IC(沒有封裝的顯示驅(qū)動器)已足夠;只要求顯示驅(qū)動器IC具有可以接觸到液晶屏上的ITO走線的金接點(diǎn)。

LCD驅(qū)動器IC的放置可以在有效顯示區(qū)域的任何一側(cè)。這允許將液晶驅(qū)動器IC放置在較小的一側(cè)以使接觸平臺最小化，降低費(fèi)用。

COG技術(shù)允許幾個液晶驅(qū)動器IC直接串接在接觸平臺上，以便能夠驅(qū)動更大的顯示屏分辨率。

COG技術(shù)允許將顯示屏連接到PCB的最恰當(dāng)位置，即使與微控制器有些距離也可以。

4. 表面貼裝器件與COG (Chip On Glass)的比較

4.1 元件和設(shè)計(jì)工作

下面將對SMD和COG顯示系統(tǒng)進(jìn)行比較(見圖6)。在SMD概念中，顯示器和顯示器驅(qū)動都直接安裝在PCB上。在COG概念中，顯示驅(qū)動器安裝在顯示器模塊上且通過彈性面板連接器(FPC)連接到PCB。

4.2 成本方面問題

成本方面，需要重視以下問題(見表3)：

從表3可以確定四個關(guān)鍵參數(shù) ，它們決定了SMD或COG顯示系統(tǒng)的成本：

1. PCB，

2. 液晶驅(qū)動器，

3. 顯示屏，

4. 材料和裝配。

1. PCB：

PCB是主要的成本因素;PCB越大越復(fù)雜(層數(shù)、過孔數(shù))，成本越高。通過將SMD液晶模塊換為COG液晶模塊，PCB可以去掉顯示模塊和顯示驅(qū)動器，節(jié)省了電路板空間并降低了電路板復(fù)雜性。這將有助于降低整個系統(tǒng)成本。

2. 液晶驅(qū)動器：

液晶驅(qū)動器也是一項(xiàng)主要成本，驅(qū)動器的大部分成本源于封裝。將封裝液晶驅(qū)動器換為未封裝液晶驅(qū)動器可以節(jié)省大量成本(見圖7)。但是圖7沒有反映出COG液晶模塊所需的金接點(diǎn)的額外成本：

3. 顯示屏：

顯示屏是液晶模塊成本的下一主要項(xiàng)目，它的成本直接與顯示區(qū)域大小成比例。在COG案例中，要求額外的顯示屏區(qū)域來容納液晶驅(qū)動器IC。此附加區(qū)域的尺寸主要取決于：(1)驅(qū)動器IC的物理尺寸和(2)液晶元件的X-Y尺寸。理想情況是，驅(qū)動器IC設(shè)計(jì)的越長越好，這樣其寬度可以最小。驅(qū)動器IC越窄，額外要求的顯示屏區(qū)域就越窄。大部分NXP COG液晶驅(qū)動器IC設(shè)計(jì)時都謹(jǐn)記這一目標(biāo)——長而窄，以降低顯示屏成本(見圖10)。

為了進(jìn)一步降低成本，顯示驅(qū)動器IC應(yīng)盡量放置在有效顯示區(qū)域的較小一側(cè)(見圖11)：

為了靈活地進(jìn)行此操作，顯示驅(qū)動器IC應(yīng)盡量在其兩側(cè)都配有背板輸出。所有最新NXP COG顯示驅(qū)動器IC設(shè)計(jì)時都謹(jǐn)記這一目標(biāo)——兩套背板輸出，IC的每個長邊都有一套(見圖12)。

材料和裝配：

在材料和裝配方面，COG液晶顯示器方案比SMD液晶顯示器方案在成本上更具優(yōu)勢。在COG案例中，沒有必要放置和焊接液晶元件和液晶驅(qū)動器到PCB上，避免了該工藝步驟的成本以及檢查和驗(yàn)證的成本。同樣對于材料而言，根據(jù)顯示器連接的數(shù)量，在SMD案例中，要求PCB和液晶元件之間有相當(dāng)大數(shù)量的連接器(電源、段碼、背板)，而在COG案例中只要求必須連接電源和接口引腳。

4.3 案例研究：SMD和COG成本/結(jié)構(gòu)對比

下面，將根據(jù)尺寸為40 mm ? 24 mm的160區(qū)段TN LCD計(jì)算模型，對SMD和COG的成本結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析和比較。COG案例中，假設(shè)顯示器由PCF8576DU驅(qū)動(40 ? 4液晶區(qū)段驅(qū)動器)，SMD案例中由PCF85176驅(qū)動(工業(yè)用40 ? 4區(qū)段驅(qū)動器，裝于TSSOP56中)。在SMD案例中，顯示器為其原始尺寸(40 mm ? 24 mm)。在COG案例中，顯示器稍微大一些(40 mm ? 26 mm)，因?yàn)轵?qū)動器必須放置在顯示屏上，這要求2 mm額外寬度。在此示例中，PCB類型FR4作為基準(zhǔn)。SMD案例中的顯示區(qū)域假設(shè)為80 mm ? 40 mm;COG案例中的顯示區(qū)域?yàn)?4 mm ? 40 mm。

為了進(jìn)行等同比較，兩個模塊(SMD和COG)都使用彈性面板連接器(FPC)，如圖13所示。

在表5中，將比較SMD和COG的成本和份額結(jié)構(gòu)。它給出了不同元件的成本結(jié)構(gòu)和份額百分比，如表4所列。

圖14逐一比較了每種費(fèi)用的成本。它顯示，驅(qū)動器IC可實(shí)現(xiàn)的最大成本節(jié)約，因?yàn)樵贑OG概念中沒有封裝。但另一方面，COG概念要求增加顯示屏區(qū)域。這反映了平衡的COG側(cè)的成本增加。如圖7所示，封裝成本占驅(qū)動器成本的47 %到62 %之間，這取決于顯示元件的數(shù)量。

在此示例中，獲益于COG，總成本節(jié)約量達(dá)到了18 %(見圖15)。當(dāng)然，實(shí)際成本節(jié)約取決于很多參數(shù)，包括各零件供應(yīng)商的利潤，但在此模型中沒有納入此點(diǎn);改變這些參數(shù)也將改變節(jié)約的成本。

5. 總結(jié)與結(jié)論

COG (Chip On Glass)技術(shù)是另一種設(shè)計(jì)方法，其液晶驅(qū)動器直接安裝于顯示屏上。COG與常規(guī)方法如表面貼裝器件(SMD)相比有顯著優(yōu)勢。從PCB上去掉液晶驅(qū)動器降低了PCB的復(fù)雜性，增強(qiáng)了應(yīng)用設(shè)計(jì)和重新設(shè)計(jì)的可靠性并加強(qiáng)了其靈活性，從而降低了系統(tǒng)成本。COG是一種非?？煽慷彝晟频募夹g(shù)，常用于汽車工業(yè)。