顯示面板設(shè)計的方法學(xué)

顯示面板設(shè)計的方法學(xué)

0顯示面板設(shè)計流程概述經(jīng)過多年的努力，中國的日化行業(yè)（fsd）取得了很大進(jìn)步。人們過去常說的“芯少脈少”現(xiàn)在變成了“芯少魂”。字的差異反映了繪畫的問題，該問題得到了解決。我國液晶面板（LCD)和集成電路設(shè)計一樣，電子設(shè)計自動化（EDA）也是顯示面板電路設(shè)計的基石。顯示面板設(shè)計流程包括面板電路原理圖設(shè)計、版圖設(shè)計、電路仿真、電路版圖寄生參數(shù)提取、電路設(shè)計驗證等，和模擬集成電路設(shè)計流程相似，但也有其獨(dú)特的設(shè)計流程與設(shè)計方法學(xué)，如圖1所示。早期國內(nèi)顯示面板的設(shè)計流程將就國外EDA工具拼湊實現(xiàn)。要完成一個上述流程的設(shè)計，需要多家國外廠商的EDA工具。由于用戶需要在這些廠商EDA工具之間頻繁切換，造成設(shè)計流程繁瑣，數(shù)據(jù)的兼容性、保密性都不夠好，出了問題不易追查，造成相互扯皮，效率低下，耽誤工期，并影響產(chǎn)品質(zhì)量的提升。另外，這些工具基本都是來自集成電路設(shè)計的工具，在解決顯示面板特有的專業(yè)需求及定制化開發(fā)方面都有明顯欠缺。因此，為解決用戶的各種難題，急需開發(fā)出顯示面板設(shè)計的EDA全流程解決方案，所有工具有機(jī)地整合在統(tǒng)一的EDA平臺，使顯示面板設(shè)計流程變得高效平滑，確保設(shè)計質(zhì)量，提升設(shè)計效率。同時，為滿足日新月異的高端及新型顯示面板的設(shè)計要求及國內(nèi)客戶的定制化要求，需要不斷地開發(fā)新功能和新產(chǎn)品，提高顯示面板EDA工具在全球的先進(jìn)性和競爭力。1高效的設(shè)計及分析本團(tuán)隊推出了全球唯一的顯示面板EDA設(shè)計全流程系統(tǒng)。圖2列出了該系統(tǒng)的主要工具，包括TCAD、SPICE建模、電路原理圖設(shè)計、版圖設(shè)計、電路仿真、電路仿真波形分析、寄生RC提取、版圖物理及電學(xué)驗證、全面板級版圖分析，及掩膜版分析等，實現(xiàn)了全流程覆蓋，數(shù)據(jù)傳遞平滑，極大地提升了設(shè)計效率。除了實現(xiàn)了全球唯一的顯示面板設(shè)計全流程解決方案，在滿足LCD常規(guī)設(shè)計基礎(chǔ)上，為滿足中國大陸面板產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的需要，華大九天緊跟面板設(shè)計需求的前沿，特別是針對目前熱門的異形設(shè)計、OLED高端顯示、觸控屏下面介紹其中的一些主要工具與技術(shù)。2器件特性分析方法EsimFPDModel是專門為顯示面板設(shè)計的SPICE模型參數(shù)提取優(yōu)化軟件。傳統(tǒng)的薄膜晶體管（TFT)RPI模型在非晶硅（A-Si)考慮到工藝波動對器件特性帶來的影響，在傳統(tǒng)建模方法學(xué)上進(jìn)行了改進(jìn)，基于大量采樣數(shù)據(jù)，對器件特性進(jìn)行統(tǒng)計分析，提取出考慮了工藝各批次擾動的工藝角模型及統(tǒng)計模型，為后續(xù)的顯示面板電路設(shè)計預(yù)留盡量小的合理余量，提高產(chǎn)品性能及良率。為進(jìn)一步提高模型的精度，基于器件物理的幾何依賴性，考慮了器件特性隨TFT器件長寬方向的變化規(guī)律，開發(fā)出可支持器件尺寸擴(kuò)展的bin模型本團(tuán)隊的工作已擴(kuò)展到支持OLED、氧化物半導(dǎo)體TFT(IGZO)另外，支持TFT器件可靠性建模3異形面板電路的實現(xiàn)顯示面板設(shè)計主要包含電路原理圖設(shè)計和版圖設(shè)計。原理圖設(shè)計主要用于對顯示面板的像素單元、控制（GOA）單元以及面板整體的電路設(shè)計。原理圖設(shè)計一方面提供用于對設(shè)計進(jìn)行電路仿真所需的電路輸入，另一方面也作為電路數(shù)據(jù)提供給后續(xù)的原理圖與版圖（LVS）驗證工具驗證兩者的一致性。傳統(tǒng)矩形面板設(shè)計其電路相對比較簡單，陣列設(shè)計很規(guī)則，只是重復(fù)規(guī)模較大。例如4K顯示面板，需要支持4096×2160約八百萬個像素的電路規(guī)模。為了方便電路描述，原理圖設(shè)計工具提供了級聯(lián)（Cascade）模式專門用于描述陣列電路，極大地方便了設(shè)計人員進(jìn)行仿真和LVS驗證。以下是一個4K的矩形陣列電路的Cascade描述形式：顯示面板長期以來都是矩形的。所謂異形是指異于矩形的含有曲線形的顯示面板。近幾年來，異形手機(jī)面板層出不窮，劉海屏、水滴屏、四面曲面屏、屏下攝像頭等，宣告主流手機(jī)屏幕進(jìn)入了異形時代。其他的異形面板應(yīng)用包括圓形的手表及形狀各異的汽車表盤等。顯示面板EDA工具基本是從集成電路EDA工具沿襲而來。由于集成電路的設(shè)計方法是基于電路的矩形設(shè)計，異形面板需求的出現(xiàn)使得早期的面板EDA工具不能應(yīng)對，異形設(shè)計被迫以人工手工完成，費(fèi)時費(fèi)力，嚴(yán)重影響效率，且容易做錯，質(zhì)量也不易保證。因此，原理圖設(shè)計工具需要提供新的技術(shù)和方案來支持異形面板的電路。本研究團(tuán)隊開發(fā)的電路原理圖設(shè)計工具EsimFPDSE根據(jù)異形形狀定義自動產(chǎn)生異形面板電路，并同步應(yīng)用于電路仿真和LVS驗證，大大提高了設(shè)計人員原先通過手工編寫異形電路的極低的工作效率。例如，圖4為一個異形面板形狀的定義?；诖硕x，原理圖設(shè)計工具直接產(chǎn)生Cascade的層次式電路來描述此電路，并可自動提供電路符號的互聯(lián)與定義，支持RGB、RGBW、RGBY等多種像素結(jié)構(gòu)。面板設(shè)計人員利用此技術(shù)可以很方便地完成異形電路圖設(shè)計。同時，EDA平臺通過電路原理圖設(shè)計、電路仿真，及波形查看等技術(shù)的無縫集成，為顯示面板電路設(shè)計提供了完整高效的交互式設(shè)計流程。4異形面板面板設(shè)計在異形面板時代，非傳統(tǒng)矩形形式的面板發(fā)光區(qū)以及極端狹窄的邊框?qū)γ姘灏鎴D設(shè)計提出異常艱巨的挑戰(zhàn)，開發(fā)面向異形面板的專用設(shè)計工具已經(jīng)成為了當(dāng)代顯示面板領(lǐng)域的緊迫需求。在異形面板的設(shè)計中，首當(dāng)其沖的是如何打破傳統(tǒng)EDA工具的限制，在異形輪廓圖形里全自動準(zhǔn)確地填充像素陣列單元，并自動提取異形面板電路仿真網(wǎng)表。在Fanout布線領(lǐng)域，布線概念發(fā)生了巨大的變化。傳統(tǒng)的矩形面板是三段式path布線，但是異形面板要求是沿著發(fā)光（AA）區(qū)開關(guān)端口外的弧形輪廓進(jìn)行布線。這需要在弧形布線時確保滿足設(shè)計規(guī)則檢查（DRC）并且空間沒有浪費(fèi)任何一個格點(diǎn)的布線引擎技術(shù)。同時，異形面板邊框設(shè)計需要版圖數(shù)據(jù)庫能支持任意角度旋轉(zhuǎn)的單元，能夠在屏幕圓角位置旋轉(zhuǎn)擺放GOA單元以避免空間浪費(fèi)，實現(xiàn)更窄的邊框。在劉海屏、水滴屏等攝像頭導(dǎo)致的像素缺失區(qū)域，必須重新連接因像素缺失導(dǎo)致的開關(guān)線網(wǎng)分離的端口。同時，像素缺失導(dǎo)致所在的像素行負(fù)載異常，需要補(bǔ)償。面對異形面板設(shè)計的上述諸多挑戰(zhàn)，本研究團(tuán)隊的AetherFPDLEXP應(yīng)運(yùn)而生。該工具提供適用于異形顯示面板的版圖設(shè)計，滿足手機(jī)、手表、汽車表盤等消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)︼@示面板的要求。AetherFPDLEXP可根據(jù)異形輪廓產(chǎn)生像素陣列，根據(jù)環(huán)境批量化正交/旋轉(zhuǎn)擺放外圍單元，在基于傳統(tǒng)的布線算法AetherFPDLEXP階梯方案可實現(xiàn)A-Si/IGZO工藝1.1mm邊框異形版圖設(shè)計要求，緊密排布及規(guī)則走線，保證產(chǎn)品穩(wěn)定性。異形版圖階梯設(shè)計效果圖如圖6所示。應(yīng)對異形的輪廓，AetherFPDLEXP提供了可緊貼圓弧的極其緊湊的捆線形式，如圖6中的外圍Fanout繞線。AetherFPDLEXP旋轉(zhuǎn)方案可實現(xiàn)LTPS工藝GOA單元任意角度均勻布局，連線圓滑美觀緊湊，提升產(chǎn)品良率。異形版圖旋轉(zhuǎn)設(shè)計效果如圖7所示，AetherFPDLEXP對傳統(tǒng)EDA數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了精密的改進(jìn)，完美支持了圓角處以任意角度擺放的旋轉(zhuǎn)GOA單元。這是異形版圖設(shè)計工具極為重要的關(guān)鍵技術(shù)突破。在劉海屏幕的Notch區(qū)，AetherFPDLEXP提供了自動電容補(bǔ)償功能，成功實現(xiàn)對數(shù)據(jù)端口根據(jù)缺失的電容進(jìn)行電容補(bǔ)償。5旋轉(zhuǎn)前先合并版圖驗證工具的作用是檢查版圖是否滿足設(shè)計規(guī)則、電學(xué)規(guī)則、版圖與原理圖是否一致等(1）異形DRC的挑戰(zhàn)在版圖中使用網(wǎng)格來確定圖形的位置，圖形的頂點(diǎn)在網(wǎng)格點(diǎn)上。版圖的旋轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致圖形的頂點(diǎn)和網(wǎng)格點(diǎn)錯位，導(dǎo)致原本垂直的兩條邊不再垂直。以圖8為例，旋轉(zhuǎn)之后，“a”和“c”,及“a”和“e”不再保持90゜，DRC可能報假錯，如“a-c”及“d-e”最小距離不夠。這時需要增加支持角度容差規(guī)則，如將帶有“小邊”“小角”等特征的錯誤過濾掉，避免報假錯。當(dāng)然，這個方法有一定風(fēng)險，用戶可以將這些錯誤輸出到特定的文件中，將這些微小錯誤和重要錯誤區(qū)分開，用戶優(yōu)先檢查重要錯誤。另外，如果能在旋轉(zhuǎn)前先對圖形進(jìn)行合并，也可避免錯誤。(2）異形LVS的挑戰(zhàn)由于版圖旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致誤差增大，LVS在提取電路網(wǎng)表時可能會導(dǎo)致器件提取失敗。以圖9為例，旋轉(zhuǎn)之后,同樣由于圖形的頂點(diǎn)和網(wǎng)格點(diǎn)錯位，導(dǎo)致源漏端和柵極不相交，晶體管提取失敗。以上DRC消除假錯的方法如支持容差、圖形旋轉(zhuǎn)前先合并等也適用于LVS。本研究團(tuán)隊開發(fā)的ArgusFPD并行層次式版圖驗證工具，專注于顯示面板市場，面向超大規(guī)模版圖及先進(jìn)的設(shè)計方法如異形設(shè)計的驗證需求，為客戶提供版圖驗證的解決方案，可以滿足顯示面板設(shè)計的簽核需求。6顯示面板電路的結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真算法傳統(tǒng)上的顯示面板電路的SPICE仿真和集成電路的SPICE仿真，除了要支持面板電路所用的TFT模型之外，沒有什么特殊之處。隨著顯示面板解析度的提高，面板電路的規(guī)模越來越大，要實現(xiàn)全面版的電路仿真采用傳統(tǒng)的SPICE電路仿真是不現(xiàn)實的。電路仿真的計算消耗主要分為兩大部分，即SPICE器件模型計算和電路矩陣求解電路仿真器加速的另一個方法是要考慮到顯示面板電路的結(jié)構(gòu)去優(yōu)化仿真算法。顯示面板的結(jié)構(gòu)是由發(fā)光像素單元排成一個二維的陣列所組成，如圖10所示，cell即為像素單元。cell里面有紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B)3個子像素。從電路層面來講，F(xiàn)PD就是頂層電路，而cell就是下一級的子電路，子像素電路又是下一層的子電路。每個cell都具有相同的電路結(jié)構(gòu)，cell里面每個子像素電路也具有相同的電路結(jié)構(gòu)。這些具有相同的電路結(jié)構(gòu)，并且在工作時其狀態(tài)也相似的單元，可以定義為基本單元。相同結(jié)構(gòu)、相同狀態(tài)的電路部分只需存儲并只仿真一個基本單元，仿真數(shù)據(jù)對其他單元共享，這可以極大地降低仿真時間及所需內(nèi)存。另外，CPU+GPU的異質(zhì)計算結(jié)構(gòu)是提高全面版電路仿真速度的新方向73rcexpl采用問題求解算法本研究團(tuán)隊的寄生RC提取工具RCExplorerFPD針對多種顯示面板設(shè)計應(yīng)用場景，提供像素及觸摸屏電容電阻模擬分析工具。基于精確三維場求解器的寄生電容電阻提取技術(shù)，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，精確模擬耦合電容。三維場求解器基于電場分析，利用數(shù)值計算方法求解拉普拉斯方程。電容求解問題可以轉(zhuǎn)化為求解一定偏置電壓下導(dǎo)體的感應(yīng)電荷，此問題可以通過求解如下電磁場方程解決RCExplorerFPD工具同時支持像素級的液晶電容提取，如圖11所示。同時可以支持Gate-on電容提取。此外，RCExplorerFPD在觸摸屏設(shè)計中可以進(jìn)行觸摸屏的電容模擬，如圖12所示。由于觸摸屏設(shè)計尺寸較大，對于電容精度要求很高，技術(shù)上需要同時保證精度和性能要求。工具采用包括基于三角形元和梯形元混合的網(wǎng)格剖分方法，智能網(wǎng)格剖分引擎自動判定疏密程度，高效率的自適應(yīng)的網(wǎng)格加密根據(jù)RCExplorerFPD提取的寄生電容電阻，用戶可以進(jìn)行后仿真分析，確認(rèn)設(shè)計負(fù)載是否在可接受范圍內(nèi)，幫忙設(shè)計人員優(yōu)化版圖負(fù)載設(shè)計。8全面板級布置結(jié)構(gòu)式快速計算方法高精度的OLED器件電流控制對OLED面板的發(fā)光均勻性極為重要，而保證電源及地電位的穩(wěn)定性至為關(guān)鍵該套工具采用了精確電阻計算方法，Cascade陣列網(wǎng)表輸出，層次式快速計算方法，熱傳導(dǎo)熱對流等先進(jìn)技術(shù)，可以快速精確地作全面板的分析。整個流程運(yùn)用二維場求解器計算獲得最高精度的電阻網(wǎng)絡(luò)，并利用像素陣列層次式快速計算整體電阻網(wǎng)絡(luò)的電壓和電流分布，如圖13所示。由此計算得到每一個TFT的電源及地的電位。根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的走線電阻值以及節(jié)點(diǎn)的電壓結(jié)果，配合器件電壓電流信息，可以計算整個面板各個位置的功率值。有了功率分布，根據(jù)熱傳導(dǎo)與熱對流混合模型，可以得到面板的熱分布，如圖14所示。9splitpanel功能掩膜版分析技術(shù)提供Mask高級分析模擬功能，包括MRC檢查（markrulecheck）、SplitPanel、JobFile自動產(chǎn)生等技術(shù)。(1)MRC檢查MRC檢查是設(shè)計流程中掩膜版圖完成以后的重要一環(huán)。本研究團(tuán)隊的MRC工具為Mask和Glass圖紙設(shè)計工程師提供了檢查Mark擺放正確性的工具。Mark是曝光、刻蝕等機(jī)臺進(jìn)行工藝對位的重要基準(zhǔn)，對失誤零容忍。MRC工具提供了自動化的Mark檢查手段，提升Mark設(shè)計可靠性。MRC工具能夠進(jìn)行禁空區(qū)、對稱性、標(biāo)準(zhǔn)Mark位置比對等十多種規(guī)則及其組合的檢查，并提供清晰易理解的返標(biāo)卡通以標(biāo)志出錯位置，例如禁空區(qū)檢查錯誤，如圖15所示。SplitPanel功能為大尺寸面板設(shè)計工程師提供了將面板版圖切割為多塊Mask版圖的功能。SplitPanel是大尺寸拼接設(shè)計里必不可少的功能。當(dāng)Panel的尺寸超過曝光機(jī)尺寸時，一次曝光無法完成大尺寸Panel的生產(chǎn)，需要拼接設(shè)計進(jìn)行多次曝光才能最終完成一個Panel的生產(chǎn)。基于大尺寸Panel的版圖，SplitPanel根據(jù)Mask大小，通過Guideline或卡通直接切割的方式對Panel進(jìn)行切割，從而分為多塊Mask版圖，如圖16所示。SplitPanel功能可以自動調(diào)用馬賽克（Mosaic）功能。如果相鄰兩次曝光邊界處是筆直的切割，成品后人眼就能夠清晰辨別屏幕發(fā)光區(qū)內(nèi)的曝光分割線，因為人眼對長條形的形狀比較敏感。為了規(guī)避以上問題，需要專門在曝光邊界處進(jìn)行模糊切割，方法是在發(fā)光區(qū)（AA）區(qū)內(nèi)的曝光分割線（divisionline）兩側(cè)與分割線平行的范圍內(nèi)，隨機(jī)選擇像素進(jìn)行光刻。比如，對于某個層來說，某個像素如果要在shotA內(nèi)曝光，則在shotAcell內(nèi)保留其層圖形。反之，用與pixeloutline等大小的同層矩形完全遮蓋。目標(biāo)就是讓分割線變得非線性且沒有規(guī)律，規(guī)避人眼能識別規(guī)則邊界的問題。如圖17所示，隨機(jī)分割像素到兩個或更多個shotcells的功能被稱為為馬賽克功能。(3)JobFile自動產(chǎn)生在Mask和Glass版圖均完成之后，需要提取Mark信息給生產(chǎn)部門，此時需要JobFile功能。JobFile功能為版圖后設(shè)計環(huán)節(jié)提供了自動提取指定的Mark的坐標(biāo)列表并按照指定的模板或者規(guī)則輸出工藝文件的功能。一般而言，輸出的工藝文件將作為機(jī)臺工作和其他生產(chǎn)工藝的基準(zhǔn)坐標(biāo)文件，輸出結(jié)果如圖18所示。10系統(tǒng)仿真平臺華大九天未來不僅僅關(guān)注電學(xué)仿真部分，更著眼于未來建立完善的系統(tǒng)級仿真體系，如圖19所示。結(jié)合電學(xué)仿真平臺優(yōu)勢，與光熱模塊整合，實現(xiàn)光電混合仿真；與流體、力學(xué)模塊互補(bǔ)，創(chuàng)建FPD柔性設(shè)計系統(tǒng)；在擴(kuò)展工藝仿真，與FPD工藝產(chǎn)業(yè)鏈連接，加速工藝問題定位并解決，提升產(chǎn)品良率。11我國顯示面板產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀本文介紹了華大九天的顯示面板設(shè)計全流程解決方案，包括電路原理圖設(shè)計，版圖設(shè)計，SPICE器件建模，SPICE電路仿真，版圖寄生RC參數(shù)提取，電路IR-drop分析及熱分析，設(shè)計驗證