摘  要: 讨论LCoS显示器的结构和用途,给出了LCoS显示芯片的设计方法及其实际设计结果。LCoS显示屏是一种反射式液晶显示器,其周边驱动器和有源像素矩阵使用CMOS技术制作在单晶硅衬底上,并以晶片为基底封液晶盒,因而拥有小尺寸和高显示分辨率的双重特性。 

    关键词: 硅基液晶(LCoS)屏  片上系统(SoC)  版图  定制设计

1  LCoS显示芯片——一类新型的SoC芯片 

    提到液晶显示器,人们就会联想到笔记本电脑用液晶显示器,或是大屏幕等离子显示器。新出现的令人振奋的LCoS是制作在单晶硅上的LCD显示技术^[1]。 

    LCoS显示器是一类新型的反射式显示器,是半导体VLSI技术和液晶显示技术巧妙结合的高新技术产品,其显示芯片对角线尺寸约为18mm。由于LCoS可利用常规的CMOS技术批量生产,并可随半导体工艺的发展进一步微型化,同时提高分辨率,LCoS显示器将具备低功耗、微型尺寸、超轻重量等特点,因此在个人便携显示应用方面非常有优势,特别是功耗远低于许多有源矩阵液晶显示器(AMLCD),而生产成本可望与阴极射线管(CRT)相比拟。 

    尽管LCoS显示屏通常只有指甲大小,相应的像素也就非常小,以至不利于肉眼直接分辨,但LCoS显示器都配备有各式各样用于放大图像的光学系统(Optical Engine):一种是直接投影到视网膜上形成放大的虚像,由此产生了个人用虚拟成像平板显示技术;另一种是运用屏幕投影形成放大实像,如图1所示。LCoS显示技术导致了一类新型的大屏幕平板显示器的诞生。 

    作为LCoS显示技术核心的关键部件的单晶硅背板(LCoS显示芯片),是一块多功能、多结构的片上系统(SoC),即整个显示系统集成在一块18mm左右的晶片上。然而,SoC类芯片的设计必须全盘考虑整个系统的各种情况。正是因为如此设计周全,与由分离IC组合的显示系统相比,SoC类芯片可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标。可以预计,以系统芯片方式设计生产的新一代液晶显示器,其应用前景将非常广阔^[2]。 

2 LCoS显示屏 

    LCoS显示屏通常分为两大类:透射型和反射型。虽然它们在几何光学原理上截然迥异,但都能有选择地调制外光源光线而形成图像。透射型首先在晶片上完成驱动控制电路的设计制作,再用剥离(lift-off)技术^[3]或各向异性刻蚀(anisotropic etching)技术^[4]分离出管芯,粘附到透明衬底上制成微显芯片。如此巧妙设计一方面是利用单晶硅的优质电学性能,另一方面则是利用成熟的IC设计制造技术。反射型则是直接在晶片上制作驱动电路和显示矩阵电路,然后以此为基底封装液晶材料形成类似传统LCD (Liquid Crystal Display)结构的平板显示屏。所以常规IC技术可直接用于设计制作硅基液晶显示屏。 

    图2是笔者运用Cadence EDA工具,采用0.6μm的n-阱四层金属CMOS工艺规则设计的反射式LCoS(VGA分辨率,时序彩色化)电路结构图。其电路可划分为行扫描驱动器,列数据输入驱动器(包含DAC电路)和显示驱动矩阵(有源NMOS矩阵)^[5]。 

    在列数据输入驱动器中,串行输入的多位数字视频信号通过移位寄存器的作用,依次存入数字锁存器,然后在同一读出信号作用下,配合行扫描信号,同时输入到各列的数/模转换器(DAC),之后输出模拟电压信号作用到像素,因此一帧图像将被一次一行地传送到所有列。 

    在行扫描驱动器中,行扫描信号通过另一组移位寄存器作用,产生与数字视频信号同步的逐行扫描信号。 

    有源显示驱动矩阵的每一个像素包括像素开关(NMOS晶体管)、存储电容和在它们上面的铝反射电极。NMOS晶体管控制列数据线对液晶像素的充电,而存储电容中的充电电荷建立了相对于控制电极的电压差。由于液晶材料本身也有电容,并沿分子的取向充电,当一定量的电荷积聚在像素上时,液晶将按所施加的电场取向。液晶分子的再取向,导致液晶电容的变化,这就改变了加在像素的电压。为了解决这个问题,需要用较大的存储电容。 

    像素的截面如图3所示,采用了四层金属,分别用于扫描线、数据线、避光层和铝反射镜面电极。扫描线控制NMOS晶体管(像素开关)的栅极,当NMOS导通时数据线上的信号驱动到像素上。晶体管漏极,存储电容和反射镜面电极是电导通的。硅背板顶部制作1μm厚的液晶衬垫,用以确定液晶盒间隙。 

    整个硅背板都是在常规IC芯片生产线上完成的。在加工好的LCoS显示芯片上,覆盖取向层,涂上密封胶,粘合附着ITO电极的玻璃盖板,最后向这个液晶盒灌注液晶材料就形成了LCoS显示器。尽管LCoS显示芯片的面积比较大,但绝大部分是像素阵列,晶体管密度较低,故可得到高的成品率。采用现代IC制造技术生产LCoS显示器可谓驾轻就熟,也是制造高分辨率LCD显示器的一条降低成本的途径。 

3 芯片功耗分析 

    功率损耗是制约集成电路的一个重要因素,而CMOS电路的主要特点就是低功耗。由于LCoS芯片上的像素尺寸非常小(7～20μm),制作相应微滤色片(microfilter)的工艺复杂,且成本高。通常采用无微滤色片工艺,在单片LCoS芯片上使用时间混色模式(时序彩色化)实现彩色显示。表面上看时序彩色模式的LCoS芯片,要求其帧频为普通VGA显示的3倍以上来刷新屏幕,似乎功耗会增加许多倍,但实际并非如此。在图2所示的实际电路结构中,我们设计了行锁存器。这样,就可以采用逐行写入方式,把每场的图像信号输入到像素显示矩阵中。纵向数据驱动器中的视频串-并转换移位寄存器的工作频率约为25MHz,其它大部分电路的时钟频率不超过300kHz。LCoS芯片的功耗包括以下三部分: 

    (1)静态功耗P_S。由反向漏电流造成的直流功耗,CMOS电路一般可以忽略不计。 

    (2)动态功耗P_D。主要指逐行写入图像信号时,每行象素(电容)充放电产生的交流功耗。 

    (3)场反转功耗P_F。上盖板电极作周期性电场反转需要的功耗。 

    综合以上三项功耗,总的功耗为 

    P=P_S+P_D+P_F≈P_D+P_F                         (1) 

    可采用数字电路瞬态功耗估算公式得到: 

    P=C_L f_C V_DD²                           (2) 

    这里,每个象素的电容量Cp约为0.2pF, 

    每行象素的电容量为: 

    C_row=640 × Cp =128pF                  (3) 

    每屏象素的电容量为: 

    C_panel=480×C_row=61.44nF                (4) 

    另外,已知逐行写入频率接近300kHz,场反转频率150Hz,V_DD=5V,把这些值连同(2)、(3)、(4)式代入(1)式,得到LCoS芯片的功耗估计值: 

    P=C_row f_行 V_DD²+C_panel f_场 V_DD²≈1.2mW 

    可见,LCoS显示器的确属于低功耗器件。 

    我们利用0.6μm CMOS工艺设计制作的LCoS芯片,象素截距为12μm;象素驱动矩阵的占有面积为(640×12)μm×(480×12)μm=7.68mm×5.76mm。考虑到需要预留液晶盒的胶线封装区,最后整个LCoS显示芯片的尺寸为:11.0mm×9.4mm,对角线约为15mm。 

4 LCoS芯片研制策略与现代EDA技术 

    由前面分析器件结构及整个芯片的工作模式表明,LCoS芯片是一块复杂的数模混合电路芯片。这类电路的复杂性不仅要求同一条生产线能同时兼容数字和模拟IC的生产工艺^[6],更重要的是针对市场需要如何准确、快速地设计出LCoS显示芯片。对于前者有一定规模的现代半导体加工工厂都能相对容易地实现,而后者很大程度上决定于将采用的EDA设计平台。 

    所谓EDA是指以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包,主要能辅助进行三方面的设计工作:IC设计、电子电路设计以及PCB设计。我们将使用具备全定制设计功能的Cadence EDA设计工具,按照“自顶向下”的规则来设计LCoS芯片的版图。 

    设计从行为级开始,首先确定LCoS芯片的功能、性能、允许的芯片面积和成本等。接着进行结构设计,分化出尽可能简单的子系统。然后把各子系统间的逻辑关系转换成电路图,进行电路逻辑设计和电路仿真,这期间要遵循标准5V-0.6μm-CMOS工艺设计规则,采用全定制方法研制LCoS芯片的基本单元库。最后按照半定制设计流程综合出整个LCoS芯片版图。 

5 在CADENCE平台上设计LCoS芯片版图 

    根据中国微电子行业的加工条件,选择包含丰富EDA工具的Cadence软件,尝试着建立了一套0.6μm工艺LCoS芯片版图,其中包括电路符号库、电路设计库、单元版图库及其用于布局布线的Phanton库和仿真库等。主要设计流程如图4所示^[7]。 

    首先确定设计方案,同时要选择能实现该方案的合适的CMOS工艺流程。然后根据具体的CMOS元器件参数设计电路原理图。接着进行第一次仿真,包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析、瞬态分析。LCoS芯片电路在进行仿真时,必须要有元件模型库的支持,计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。 

    EDA技术使得LCoS设计人员在实际的芯片产生之前,就可以全面了解系统的功能特性和物理特性,从而将开发过程中出现的缺陷消灭在设计阶段,不仅缩短了开发时间,也降低了开发成本。 

    前端设计检查完毕后,进行版图布局、寄生参数的提取和静态时序分析。在后仿真验证过程中,可先用从版图中提取的寄生参数文件计算出延迟文件,再反标回逻辑网表进行后仿真。仿真通过后则设计完毕,便可进行下一步的投片生产。 

6 LCoS生产与应用 

    如上所述,LCoS显示器是半导体VLSI技术和液晶显示技术巧妙结合的高新技术产品,因此LCoS可利用常规的CMOS技术批量生产,并随半导体工艺的发展进一步微型化。 

    从IC产品结构的角度来说,LCoS显示芯片是一块多功能、多结构、与现代CMOS制造工艺息息相关的SoC;从IC生产工艺角度来说,当初在IC工艺中建立CMP(化学机械抛光)技术是为了填平复杂的电路走线,提高各金属布线层的平面光刻精度^[8],防止电荷尖端积累效应。现在,这些优势都成为制作LCoS芯片像素反射镜面的必然方法。其它如遮光层工艺也源于IC技术。 

    众所周知,IC技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精度的微电子结构模块。然而,这种技术一旦与其它学科相结合,便会诞生出崭新的学科和重大的经济增长点。笔者认为LCoS技术就是硅平面技术与平板显示技术结合而诞生的典型例子。 

    由于LCoS显示器具有尺寸小、功耗低、分辨率高的优点,在与其它平面显示技术竞争中越来越占有利地位。比如,一般移动电话都使用ECB TN-LCD和STN-LCD,但是越来越多的用户希望看到E-mail、视频图像及网上浏览,这就需要移动电话配置分辨率不低于QVGA(320×240)的虚拟显示屏。这也是LCoS技术的潜在市场之一。 

    另一个潜在应用是数码摄像机的取景器。与传统的直视型AMLCD(对角线2～4英寸)相比,LCoS技术提供的图像大到5～10倍,分辨率不低于QVGA,功耗仅为原来的1/15～1/30,重量约1/5。投影显示器的主要应用将仍然是投影机。而最大的增长潜力是消费类产品,LCoS虚拟显示器非常适合许多消费产品应用,包括上面提到的数字摄像机、可视移动电话以及PDA和头盔显示器等需要嵌入微型显示器的电子产品。 

    LCoS显示屏是硅平面技术与平板显示技术发展到相对成熟阶段且二者相结合而诞生的,因而具有VLSI技术的全部设计特征。然而LCoS显示芯片也是混合信号市场的一个产品,而“time to market”同样对LCoS显示芯片的设计提出巨大挑战。Cadence设计环境下丰富的EDA工具,保障了设计人员可以把精力集中于创造性的概念构思与方案上。这样,新的概念才得以迅速有效的成为产品,大大缩短了产品的研制周期。不仅如此,基于我们为LCoS显示芯片建立的一套综合基本库,Cadence平台上的综合优化工具将能按不同显示模式,如QVGA(240×320)、VGA(640×480)、SVGA(600×800)等,自动规划布局成对应版图,从而使开发LCoS平板显示技术系列产品变得轻松容易。 

参考文献 

1 Morrissy J.H, Pfeiffer M, Schott D, Vithana H.Reflective Microdisplays for Projection or Virtual-View Applications.SID’99 Digest, 1999； 30(16): 180～183 

2 Michael Stefanov. Manufacturing LCoS Microdisplays. Information Display, 2000； 16(7): 24～26 

3 Salerno J. P. Single Crystal-Silicon Transmissive AMLCD.SID’92 Digest, 1992； 23(11): 63～66 

4 Khormaei R. A 1280x1024 Active Matrix EL Display.SID’95 Digest, 1995; 26(20): 891～893 

5 代永平,孙钟林,耿卫东. 彩色LCoS微型显示器设计.半导体技术, 2001； 26(10): 37～39 

6 H.C.Huang,Y.T.Wong,C.T.Nguyen,H.S.Kwok. Planarization of Liquid-Crystal-on-Silicon Projection Display with Multilevel Metallization and Chemical-Mechanical Polishing. SID’96 Digest, 1996; 27(19): 685～688 

7 Design Framework User Guide. CADENCE Version 9502.CADENCE Inc. 1994,11 

8 DeJule R.Advances in CMP. semiconductor Internationals,1996； 19(12): 88～96