Fabrication d'écrans plats
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Fabrication d'écrans plats

Cette page explique le principe de fonctionnent des systèmes d'affichage à Cristaux Liquides (LCDs) à matrice passive ou active et les principales étapes de leur fabrication. Les liens hypertextes des paragraphes suivants vous orienteront vers les machines associées aux procédés décrits. Avec nos partenaires au Japon et en Corée, nous pouvons offrir des équipements pour presque toutes les étapes de production, même si ces machines ne sont pas explicitement mentionnées sur notre site.

Principe de Fonctionnement

Les Cristaux Liquides.

Les cristaux liquides sont des molécules organiques ressemblant à des petits bâtonnets ou à des disques présentant une structure cristalline à l'état solide et des propriétés optiques isotropiques à l'état liquide. Entre ces deux états, les molécules, sous différentes phases, présentent des propriétés optiques anisotropiques qui seront exploitées pour la réalisation d'afficheurs à cristaux liquides. Soumis à l'action d'un champ électrique variable, les cristaux liquides se comporteront comme un robinet qui autorisera ou bloquera complétement le passage d'une lumière préalablement polarisée. 

LCD setup

Montage type d'un LCD : 1 - polariseur, 2 - dalle de verre, 3 - joint, 4 - espaceur, 5 - ITO, 6 -passivation, 7 - poly-imide, 8 - TFT

Matrice LCD de base (passive).

Une matrice LCD est constituée de deux dalles de verre superposées et soudées entre elles par un cordon de scellement. Chaque plaque de verre a reçu une série de traitements (dépôts, gravure des lignes et colonnes dans ITO pour création des pixels,...) avant assemblage. L'espace inter-dalles, assuré par l'étalement ou la gravure d'espaceurs calibrés, est rempli de cristaux liquides. Un Polariseur est collé sur la face arrière et un analyseur sur la face avant de l'écran. L'application d'un champ électrique variable sur chaque pixel permettra de contrôler l'intensité de la lumière polarisée traversant l'écran et d'obtenir ainsi un affichage sur la face avant. L'ajout d'un filtre coloré sur la plaque de verre supérieure avant assemblage permettra d'obtenir un affichage en couleur.
Cette technologie est aussi utilisée pour la fabrication des fenêtres intelligentes.

LCD à Matrice active.

La matrice active est dotée de TFT (Thin Film Transistor) gravés sur la dalle de verre inférieure à chaque pixel. Le matériau utilisé est du silicium sous forme amorphe ou polycristalline. Bien que la forme Polycristalline donne des performances supérieures, c'est la forme amorphe qui est la plus utilisée et ce, pour des raisons pratiques. Le silicium amorphe peut être déposé à basse température dans des réacteurs de grand volume tandis que le silicium Polycrisatllin est déposé à haute température dans des fours à tubes limitant ainsi la taille des substrats pouvant être traités. L'intérêt du TFT est de réduire les courants d'adressage et de supprimer les risques de claquage ou de court-circuit entre lignes et colonnes.

LCD à affichage en Couleur.

Un filtre coloré est déposé sur la face arrière de la dalle de verre supérieure de l'écran. Ce filtre est constitué de luninophores générant les trois couleurs fondamentales (Rouge, Vert, Bleu) disposés sur chaque pixel et séparés entre eux par une bande très absorbante (Black Matrix) qui supprimera les risques de fuite de lumière entre les filtres.

Procédé de Fabrication.

Les deux dalles de verre sont traitées de manière identique avec : 1, couche ITO (Indium-Tin Oxide, metal transparent assurant la conductivité electrique sans altérer la transparence du verre), 2, couche de passivation (SiO2) isolant électrique, 3, Couche d'orientation des Cristaux liquides (Poly-imide).

Des espaceurs calibrés, un cordon de scellement ainsi que des plots de contact sont déposés ou gravés sur l'une des dalles avant l'opération d'assemblage. L'opération d'assemblage consiste à superposer et aligner avec très grande précision les deux dalles de verre et les sceller définitivement entre elles. Aujourd'hui, ce processus est réalisé dans des conditions de vide dans le process ODF. L'écran afficheur est ensuite découpé scribe and break à sa dimension finale. Les bords sont meulés, le module est rempli avec les cristaux liquides et pour finir un film polariseur est déposé sur chaque face de l'écran. La matrice terminée, celle-ci est acheminée vers les ateliers de connexion electronique, mise en boîtier, tests.

Integrated production line

Ci-dessus, vous voyez une ligne d'assemblage ligne de fabrication LCD intégrée réalisée par Joyo Ehgineering. 1- Station de chargement, 2 - Station de nettoyage, 3 - Dépôt de poly-imide, 4 - Inspection, 5 - Frottage du Poly-imide , 6 - Station de nettoyage Ultra-sons, 7 - Nettoyage post-frottage, 8 - Dépôt des espaceurs, 9 - Contrôle uniformité du dépôt, 10 - Dépôt plots de contact Argent, 11 - Dépôt du cordon de scellement, 12 - Four de Pré-durcissement du joint de scellement, 13 - Machine d'assemblage,   14 - Four de pressage à chaud, 15 - Contôle de l'alignement, 16 - Station de déchargement.

A côté de lignes entièrement automatisées, un grand nombre de machines autonomes sont disponibles pour chacunes des opérations décrites ci-dessus. Des configurations personnalisées sont également réalisables selon un cahier des charges préalablement défini.

Réalisation du TFT sur dalle de verre inférieure. 

La formation de TFT consiste en une série de procédés sous vide utilisant des équipements de PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) pour déposer le Silicium amorphe et les diélectriques ainsi que des bâtis de pulvérisation cathodique pour les dépôts métalliques comme l' ITO. Exemple d'un processus type : dépôt du métal de grille (Ta, Al, MoTa), photogravure, oxydation de l'anode (Ta2O5), dépôt de Nitrure de Silicium (Si3N4), photogravure, dépôt de Silicium amorphe (a-Si) pour l'électrode, photogravure, dépôt source et lignes d'adressage (Ti, Al), photogravure, dépôt ITO pour constitution des pixels, photogravure, passivation, photogravure. Certains fabricants utilisent des substrats de verre préalablement revêtus d' ITO. La première étape dans ce cas sera la gravure de l'ITO.   

Pour des afficheurs haute performances, le Silicium amorphe est remplacé par du Silicium poly-cristallin dépôt de poly-silicium. Le dépôt de Silicium poly-cristallin est fait à basse pression et "haute" température (LPCVD) dans un four approprié. Cet équipement est comparable à celui utilisé dans l'industrie du semiconducteur.

Pour réaliser l'architecture de la matrice, des équipements de photo-lithographie classiques sont utilisés comme des pistes de couchage/développement de résine, des photo-répéteurs, des stations de gravure Humide ou Séche (plasma). La gravure sèche donne de bien meilleurs résultats mais reste onéreuse et oblige un traitement individuel des plaques alors que la gravure humide permet de traiter par lot (batch).

Application du Filtre Coloré sur dalle supérieure.

Le procédé d'application du filtre coloré est très important et reste très critique. Le coût des matériaux utilisés et généralement élevé pour un rendement faible. Plusieurs méthodes d'application sont utilisées aujourd'hui. La plus simple des techniques et de déposer les pigments colorants par centifugation impliquant un très faible rendement et un gaspillage énorme du produit. Une autre technique plus performante appelée "Flexo printing" doctor blade technology permet de gérer la quantité de produit utilisé et donne des caractéristiques de dépôt d'excellente qualité. Pour ces deux techniques, une étape de cuisson est nécessaire procédé de recuit. Il existe une troisième possibilité consistant à appliquer un film application de filtres colorés sur la face supérieure de l'écran. Un revêtement de protection est toujours déposé sur le filtre coloré.

Dépôt d' ITO.

L' ITO (Indium Tin Oxide, InSn2O3) est généralement pulvérisé sur le verre.

Passivation

La couche de passivation est généralement un verre de Silicium (SiOx) déposée par centrifugation (SOG) ou impression flexo printer technology et doit être ensuite durcie par traitement thermique cuisson et recuit dans un four.

La couche de Poly-imide (PI)

La couche de Poly-imide est imprimée sur le substrat par la technique de flexo printing technology. Ce matériau doit être rcuit recuit sous gaz inerte procédé de recuit après dépôt. Cette opération peut être réalisée sur des soles chauffantes (hot plates) ou dans des fours à convection offrant des conditions et des résultats de procédés supérieurs en particulier l'uniformité de la température sur le lot complet et plaque à plaque.

Frottage (Rubbing).

Il est nécessaire de procéder à cette opération brossage du Polyimide pour orienter ou aligner les molécules formant les cristaux liquides. La direction ou l'orientation du frottage est directement associée à la position du Polariseur et à sa fonction.

Espaceurs.

Pour créer une distance uniforme et assurer un parallèlisme de grande qualité entre les deux dalles de verre des espaceurs sont déposé sur l'une d'elles avant assemblage. Maintenant entretoise litho sont utilisés dans la plupart des cas. Dans les dernières entretoises ont été pulvérisés sur le substrat. Ce sont en général des microbilles en verre ou en plastique. Le dépôt se fait par pulvérisation avec des variantes dans le procédé. Ainsi on trouve trois techniques de pulvérisation : 1- Sèche, Dry spray, qui est utilisé pour la production de masse, 2- Demi-Sèche, semi-dry, où les billes ont liées au départ par un solvant qui va s'évaporer pendant la chute des billes dans l'enceinte de dépôt. Cette technique est utilisée pour les écrans de taille moyenne avec une cadence de production limitée. 3- Mouillée, Wet, : dans ce cas, les billes atteignent la surface du verre encore mouillées et le solvant s'évapore ensuite. Selon la qualité du produit souhaitée, le fabricant peut choisir de graver les espaceurs par photo dans une couche de polymère déposée à cet effet.

Dépôt et durcissement du cordon de scellement.

Pour les productions de masse, la méthode la plus utilisée est la sérigraphie. Cette méthode allie performances et productivité. Pour des productions moindres ou des applications particulières nécessitant une certaine flexibilité, la méthode de dépose, Cordon de scellement est la plus appropriée. La colle doit être pré-durcie pre-durcissement dans un four avant la mise en contact des deux plaques de verre. Une fois la cellule constituée (plaques de verre superposées et scellées entre elles) le joint est durci recuit final dans un four ou l'ensemble est maintenu sous pression. Cette opération peut traiter une seule cellule comme plusieurs empilées les unes sur les autres.

Réalisation des contacts électriques.

Les contacts électriques, (interconnexions entre dalles ou liaisons avec l'extérieur) sont obtenus par sérigraphie avec comme matériau de base la pâte d'argent. Cette même pâte conductrice peut être déposée Dépose de pâte d'argent sous forme de plots (dots).

Bloc Cellule

Les deux plaques de verre, une fois traitées, sont superposées alignées avec grande précision et scellées superposition et alignement des dalles entre elles. Les positions relatives des deux dalles de verre, une fois alignées, sont maintenues fixes par un durcissement des points de contact préalablement déposés. L'assemblage de la cellule peut également être effectuée dans des conditions de vide, si cela est nécessaire.

Durcissement sous presse.

Comme déjà décrit plus haut, le joint de scellement doit être durci définitivement après l'assemblage des deux plaques de verre. Cette opération est réalisée sous presse pour mettre en contact les espaceurs qui fixeront définitivement l'écart entre les deux plaques de verre. Des presses à chaud comme, des fours à convection  machine de procédé par lots  où plusieurs cellules sont empilées les unes sur les autres, ou des modules de pressage Four de pressage unitaire qui, intégrés dans une ligne d'assemblage permettent le traitement unitaire et continu des cellules.

Remplissage avec les cristaux liquides.

La méthode de remplissage des cellules méthode de remplissage des LCD est une application faisant intervenir le vide et aujourd'hui plus nécessaire, puisque dans le processus ODF, le remplissage se produit pendant l'assemblage de la cellule. Les cellules sont placées dans une enceinte au dessus d'un bain de cristaux liquides. En pompant l'enceinte on crée ainsi le vide à l'intérieur des cellules. Une fois le vide créé, les cellules sont trempées partiellement dans le bain de cristaux liquides et l'enceinte est remise à la pression atmosphérique. Les cristaux liquides, sous la poussée de l'air, vont remplir les cellules à travers les ports de remplissage, laissés à cet effet dans le cordon de scellement. Ces ouvertures, laissées généralement dans un coin, seront refermées une fois les cellules complètement remplies.
Alternativement, les cristaux liquides peuvent être dispensés sur la plaque de verre inférieure avant l'assemblage de cellules. Cette technologie est appelée technologie ODF et il faut une machine d'assemblage sous vide.

Dépose du polariseur.

Après un nettoyage approprié de la surface du verre, un film polariseur est déposé sur chaque face de la cellule. Cette opération est la dernière étape dans le processus d'assemblage d'une cellule LCD.

Nettoyage

Plusieurs étapes de nettoyage sont nécessaires tout au long du processus de fabrication des LCD: nettoyage initial du verre, nettoyage avant pulvérisation des espaceurs (après brossage), nettoyage avant dépose des polariseurs, etc. Les Ultra-Sons constituent la technique de base de nettoyage des substrats tout au long de la fabrication.

Inspection / Contrôle

Il est indispensable de contrôler la qualité des produits à différentes phases de leur fabrication. La plus importante reste l'inspection ou le contrôle final. Dans beaucoup de cas, le contrôle final est fait manuellement. De plus en plus de machines automatisées sont cependant utilisées aujourd'hui.

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