小尺寸TFT-LCD GOA显示屏不良横纹的研究

高英强，陈华斌，李兴亮，刘 洋，宋勇志

(北京京东方显示技术有限公司 工艺开发部，北京 100176)

1 引 言

近年来，随着TFT-LCD显示技术的发展，窄边框显示屏因其简洁、美观、相同尺寸可视面积大等优点，已成为高品质显示屏发展的主要趋势，特别是小尺寸显示屏，对窄边框的要求越来越高，GOA(Gate On Array，阵列基板行驱动)技术的应用也更加频繁[1]。GOA技术是利用液晶显示面板的阵列制程将栅极驱动电路制作阵列基板上，实现对栅极逐行扫描的驱动方式，可以省掉单独的栅极驱动集成电路部分，不仅降低显示器件材料成本和制作成本，而且减小面板的边框设计，更加符合显示面板的发展趋势[2-4]。

但是由于GOA技术是TFT器件的组合设计，伴随着阵列基板工艺一起制作完成，而且GOA驱动电路结构复杂，一方面受阵列基板制造工艺的影响，存在不良缺陷的问题，另一方面又受到TFT器件自身不稳定性以及外界环境条件的影响，结果经常会导致TFT-LCD显示屏在使用过程中因GOA驱动问题产生显示异常的问题，因此，如何提高GOA电路驱动的稳定性成为了众多科研院和显示面板厂商们研究的热点[5-8]。本文对小尺寸TFT-LCD GOA显示屏在高温高湿环境下，工作时产生的异常显示横纹不良，从产生原因、发生机理以及改善方面进行了深入的分析和验证，发现GOA电路单元中ITO膜层的腐蚀对GOA驱动电路的稳定性输出有着直接的影响。

2 横纹不良产生原因

2.1 横纹不良现象确认

小尺寸TFT-LCD GOA显示屏在信赖性评价高温高湿(60 ℃，90%RH)环境下长期运行(200 h左右)后，出现半屏或全屏横纹的异常显示现象。宏观观察，半屏横纹表现为显示屏幕一半正常显示，一半显示出现横纹不良；全屏横纹则表现为整张屏幕都出现横纹不良。

在异常显示位置，沿水平栅极(Gate扫描线)方向，可见间隔规律的呈周期性分布的亮暗线。本实验研究产品为9.6 HADS显示屏，分辨率为1 280×800，常黑显示模式。图1所示为显示屏半屏横纹不良的一种现象，异常显示位置3行亮，1行暗，呈周期性规律分布。这是因为该产品GOA设计采用双边8 CLK交错驱动，其中每2个CLK控制一组GOA单元，共有4组GOA单元，故当1组GOA单元中某一个GOA单元信号输出异常时，导致本组其以上GOA单元都输出异常，从而出现上述异常显示现象。若输出异常的GOA单元为起始单元时，则会产生全屏横纹不良。

图1 半屏横纹不良现象Fig.1 Abnormal display on the half screen

2.2 横纹不良原因分析

GOA单元输出端信号检测：不良样品点亮后，在L63灰阶画面下，确认异常显示起始位置为第A个GOA 单元控制的GateA行(A=1，2，…，1 280，代表第A行Gate扫描线)，接着用示波器对比测试异常GOA单元和正常GOA单元输出端信号，测得正常GOA单元输出端最高点电压为20.01 V，最低点电压为-7.21 V；而异常GOA单元最高点电压仅为-5.94 V，最低点电压为-7.69 V；由测试结果可知，异常GOA单元输出端最高电压为负值，所以无法开启本行GOA控制的每个像素TFT开关，无法进行充电，从而导致整行像素都发暗。

光学&扫描电子显微镜检查：对不良样品剖屏后，在光学显微镜下(20×)观察异常GOA区域，发现GOA区域大部分ITO连接单元的边缘都发生了不同程度的腐蚀，ITO腐蚀严重的单元有栅极启动信号(STV)输出孔、关断电压(Vss)信号输出孔，输入(Input)信号连接孔，重置(Reset)信号连接孔，以及输出(Output)信号连接孔等位置，这些腐蚀严重的ITO单元，用扫描电子显微镜进一步检查，可见不仅ITO单元边缘部分发生了严重腐蚀。而且过孔内ITO边缘内也同样发生了严重腐蚀。我们推测这些腐蚀严重的ITO过孔是导致GOA信号无法正常导通的直接原因。图2所示为GOA单元腐蚀严重ITO连接单元。

图2 腐蚀ITO单元。(a)光学显微镜检查结果；(b)扫描电子显微镜检查结果。Fig.2 Corroded ITO unit . (a) Corroded ITO under optical microscope; (b) Corroded ITO under scanning electron microscope.

ITO过孔电阻测试：分别选取异常和正常GOA单元中连接Vss、STV、Output、Reset信号端 4处腐蚀严重和正常的ITO过孔，对比测试ITO电阻值。电阻测试示意图如图3所示，采用两个探针，一个探针接触ITO过孔内，另一个接触ITO过孔外边缘，测试方法为电压法和电流法，即通过两个探针，测得ITO孔内外间的电压和电流，然后再根据电阻公式R=U/I计算出电阻值，测试结果如表1所示。正常GOA单元中4处信号端的ITO过孔电阻平均值约为2.03×102Ω，而异常GOA单元中4处信号端的ITO过孔电阻平均值约为9.11×105Ω，可见，腐蚀的ITO过孔电阻异常偏大，可能造成GOA信号无法上下导通，产生横纹不良。

图3 ITO过孔电阻测试示意图Fig.3 Diagram of resistivity test of ITO holes

表1 ITO过孔电阻测试结果 Tab.1 Result of ITO holes’ resistivity test

修复实验：为了确认是ITO电阻偏大造成GOA信号无法导通，形成不良的直接原因，我们做了钨粉沉积修复实验，即用钨粉沉积在腐蚀严重ITO连接孔表面，达到减小过孔电阻，恢复ITO过孔导通性的目的。实验证明，用钨粉沉积后，点屏确认，不良现象消失，屏幕恢复正常显示，实验证明形成不良的直接原因为腐蚀后的ITO电阻值偏大造成。

3 横纹不良发生机理

3.1 ITO腐蚀条件：

因为横纹不良是产品在高温高湿测试条件下工作时产生的功能性问题，直接影响着产品寿命，同时也不满足品质出货标准(信赖性THO测试≥1 000 h)，因此为改善这个不良，找到ITO发生腐蚀的原因和机理尤为重要。首先，我们研究了引起ITO发生腐蚀的必要条件，将温度、湿度及电信号影响因子进行分离评价，即在常温高湿给信号、高温常湿给信号、高温高湿给信号以及高温高湿不给信号4种不同条件下，进行了长期信赖性测试，如表2所示。测试结果表明，只有在高温高湿给信号条件下，且在较短的时间内，ITO就会发生严重腐蚀，造成横纹不良，由此可见，高温、高湿和电信号是ITO发生腐蚀的3个必要条件。

表2 ITO腐蚀条件测试结果Tab.1 Result of ITO Corrosion in different condition

3.2 ITO腐蚀规律

在光学显微镜下观察异常GOA区域ITO连接单元，只有4处保持完好，分别为时钟(CLK)信号输入连接孔、时钟(CLKB)信号输入连接孔、CLKB输入TFT模块M9的源栅连接孔以及M9和M5模块的漏栅连接孔位置，除以上ITO连接单元外，其余位置ITO单元均出现了不同程度的腐蚀，腐蚀严重的主要在STV信号输出孔以及输入M7模块的源栅连接孔、Input信号输入M1模块的源栅连接孔、Output信号输出连接孔以及Reset信号输入连接孔等位置，图4(a)所示为部分腐蚀严重和保持完好的ITO单元。通过进一步对ITO连接单元施腐蚀情况和电信号的研究，我们发现这些ITO连接单元的腐蚀情况与所施加的电信号有一定的对应关系，保持完好或者腐蚀程度较轻的ITO连接单元，对应施加的电信号都是方波信号，而腐蚀严重ITO连接单元，对应施加电信号都是脉冲信号，GOA电路单元工作时，施加的电信号波形，如图4(b)所示。

(a)异常GOA单元ITO连接单元(a) ITO units of abnormal GOA

(b)驱动电压波形(b) Oscillograph of driving voltage图4 ITO连接孔腐蚀情况与驱动电信号关系Fig.4 Relation between ITO units and driving voltage

3.3 ITO腐蚀机理

通过ITO连接单元腐蚀发生条件和ITO腐蚀规律的研究，我们认为ITO发生腐蚀的根本原因为，产品在高温高湿环境条件下长期运行，水汽不断通过封框胶(Seal)或者聚酰亚胺(PI)膜等膜层渗入盒内，使周边区域的液晶(LC)、PI导电能力增强，形成通路，从而使处于阴极的ITO发生电化学腐蚀[9-12]。

ITO连接单元施加电信号为方波信号时，相对脉冲信号，位于高电位，ITO不发生腐蚀，而当ITO连接单元施加电信号为脉冲信号时，相对方波信号，位于低电位，ITO则发生腐蚀，证明ITO腐蚀与周边的电位有关，根据电化学腐蚀原理，推测处于低电位的ITO与周围的高电位ITO形成了电解池，处于低电位的ITO发生阴极腐蚀反应而被还原。反应机理推测如图5所示。

图5 ITO腐蚀机理Fig.5 Mechanism of ITO corrosion

(1)在高温高湿条件下，水汽进入盒内，促进周边LC、PI等杂质电离；

(2)当GOA电路工作后，各个ITO上有了不同的电压，在电压差作用下，杂质离子在特定区域内移动，形成通路，阴离子往阳极ITO移动，阳离子往阴极ITO移动；

(3)电解池反应是强制的氧化还原反应，当电压差达到阈值电压后，就会发生电解池反应；

(4)假设阳极反应中杂质阴离子为OH-，则阴极和阳极反应分别如下：

阴极反应(还原)：In2O3+ 3H2O + 6e→ 2In + 6OH-；

阳极反应(氧化)：4OH-→ O2+ 2H2O + 4e；

总反应：In2O3→ 2In + 3/2 O2。

注：阳极反应中若杂质阴离子中有放电顺序优于氢氧根的，优先杂质离子反应(如氯离子等)。

3.4 ITO腐蚀机理验证

为了证明处于低电位的ITO发生阴极腐蚀反应而被还原，我们用EDS能谱分析了被腐蚀ITO和正常ITO的元素成分，测得腐蚀ITO中，In含量明显增加，从正常的4.69%增加到16.56%；而O的含量明显减少，从8.24%下降到了4.17%。由此可以证明ITO发生了电化学腐蚀，部分ITO已被还原成In单质。

4 改善验证及结果讨论

综上，小尺寸TFT-LCD GOA显示屏横纹不良直接原因为GOA区域ITO连接单元发生了腐蚀，ITO过孔电阻变大，导致GOA电信号无法上下导通；而ITO腐蚀的根本原因为产品长期工作在高温高湿环境条件下，水汽逐渐通过封框胶或者PI膜等膜层渗入盒内，使周边区域的LC、PI导电能力增强，形成通路，从而使处于阴极的ITO发生电化学腐蚀。根据电化学腐蚀机理研究，影响ITO腐蚀的主要因素为温度、湿度以及电位差，且存在着渐进性。因此我们可以从隔绝水汽，降低电化学反应电位差以及增加ITO防腐蚀能力等方面来阻止此类电化学腐蚀。

对此，我们制定了以下改善方案，并且进行了实验验证，验证结果如下：

将本产品之前采用的SWB-73型号封框胶变更为隔绝水汽效果较好的SWB-21型号封框胶。SWB-21胶的吸水率为2.5%，透湿率为57 g/m2(24 h)，而SWB-73胶的吸水率为4%，透湿率为90 g/m2(24 h)，SWB-21胶在隔绝水汽方面要明显优于SWB-73胶。样品制作完成后，投入信赖性测试，测试环境温度为60 ℃，相对湿度为90%，在R、G、B、L0、L63、L127以及L255等7种显示画面不断重复切换下，检查显示屏的工作状态。测试结果显示，采用SWB-21胶样品，发生不良的时间为600～720 h，而SWB-73胶的样品，发生不良的时间为176～240 h，可见SWB-21胶的隔水性要明显优于SWB-73胶。实验证明采用隔水性好的封框胶，可以减少或减慢水汽进入产品，可有效降低ITO腐蚀作用，减缓ITO腐蚀时间。

在采用隔水性较好SWB-21型号封框胶基础上，ITO膜厚由之前40 nm增加到70 nm，最后验证样品测试超过1 000 h未发生不良，可见ITO膜厚的增加，可以有效提高ITO抗腐蚀作用。

在采用隔水性较好SWB-92型号封框胶基础上，从降低电位差出发，把低电平Vss电压从之前的-11 V调整到-8 V后，测试样品也超过1 000 h都未发生不良，可见降低电位差同样可以有效降低ITO腐蚀作用。

通过以上方案及实验验证，可见采用隔水性好的封框胶、增加ITO膜厚、以及降低Vss电位，都可以有效降低ITO的腐蚀作用，延缓ITO腐蚀时间，有效预防因ITO腐蚀引起的横纹不良发生。

5 结 论

本文对小尺寸TFT-LCD GOA显示屏长期工作在高温高湿环境条件下产生的功能性横纹不良进行了深入的分析与改善研究，通过大量测试和实验验证，明确了不良产生的直接原因为GOA区域ITO连接单元发生了腐蚀，ITO过孔电阻变大，导致GOA电信号无法上下导通。而且进一步发现了ITO发生腐蚀的原因和机理，即在高温高湿条件下工作时，ITO发生了电化学腐蚀。最后根据ITO电化学腐蚀的影响因素和腐蚀机理，制定并验证了有效解决该不良的改善方案，使ITO腐蚀发生时间从200 h左右延长到超过1 000 h。该横纹不良分析与改善研究对以后小尺寸TFT-LCD GOA显示屏的开发设计或相似问题的解决积累了宝贵的经验，具有很大的参考价值。