专利名称：一种有源矩阵板及其制造方法
技术领域：
本发明属于光电子技术中的平板显示领域，它特别涉及有源矩阵技术。
背景技术：
有源矩阵由许多三端子有源器件或二端子有源器件在玻璃基片上以矩阵方式排列而构成，用于大信息容量的彩色液晶显示器件和有机发光显示器件。常用的三端子有源器件是薄膜场效应三极管(简称为TFT)。这种元件有输入端(源极)、输出端(漏极)和控制端(栅极)等三个端子，通过在玻璃基板上以一定顺序淀积金属薄膜、非晶硅或多晶硅薄膜、氧化物薄膜，通过5至6次金属和金属氧化物淀积以及光刻套刻等工艺制作而成。
有源矩阵也可以用薄膜二极管(简称为TFD)、多只薄膜二极管组成的背对背二极管串或正反向二极管环、金属-氧化物-金属(以下简称为MIM)元件、氧化锌电阻等具有两个电气端子的非线性元件构成。这种器件也要经过多次光刻、套刻和淀积过程才能制造出来。
二端子器件制造的有源矩阵具有工艺比较简单的优点而受到重视。作为二端子器件的所构成的有源矩阵例子有1.采用MIM元件所构成的有源矩阵。如中国专利CN96190271、美国专利US5,539,549、5,299,040、5,274,482、5,142,390所公开的制造MIM元件的有源矩阵的方法，在真空电子技术1999年第1期第15页所报道的制造MIM元件的有源矩阵的方法等。
2.采用背对背二极管制造有源矩阵。如美国专利US4,630,893所公开的采用背对背二极管驱动液晶显示器的结构与方法；美国专利US4,523,189所公开的采用背对背二极管驱动电致发光显示器的结构与方法等；3.在每一像素采用两只二端子非线性元件(如二极管)制造的有源矩阵。如美国专利US4,731,610所公开的在每一像素采用两只二端子非线性元件(例如二极管)制造有源矩阵并驱动液晶显示器的方法。
采用氧化锌电阻器、正反向二极管环等二端子元件以及其他二端子元件驱动液晶显示器的结构、原理与制造方法可见于1992年航空工业出版社出版的《液晶器件手册》之中。与有源矩阵有关的材料还可见于北京邮电大学出版社出版的《液晶器件工艺基础》、2000年由电子科技大学出版社出版的《液晶显示技术》等公开出版的书籍中。
以上资料介绍了二端子元件所构成的有源矩阵的原理、电路结构、电气连接方法、电极引出、与液晶显示材料的匹配要求等。本领域的技术人员应当具备以上资料以及其他公开发表的与液晶和电致发光相关的、关于有源矩阵的、完备的背景知识。
为了驱动显示器的像素，每像素至少有一只有源器件。为了提高显示单元的开口率，应尽量降低有源器件部分占整个像素面积的比例。像素较小的显示器开口率一般在80％以上，像素较大的显示器开口率更高。这就意味着玻璃基板上所淀积的金属、非晶硅或多晶硅薄膜、氧化物等绝大多数材料都在光刻工艺中被清洗掉了，既造成环境污染，又浪费了材料。而且，要在整个大基板(通常对角线达1米以上)上实施光刻工艺，使光刻、套刻的精度在1微米左右，对于设备的要求是非常高的，所以有源矩阵的生产线非常昂贵。例如，一条第5代生产线的设备投入达到50亿人民币，每天向外部排放污水6000吨(这还不包括生产线内可再生的废水的循环处理利用)。
无论是三端子有源器件构成的矩阵还是二端子有源器件构成的矩阵，现有的用于驱动显示器件像素的有源器件、绝缘膜及连线都在基片表面。
发明内容
本发明的目的是提供一种有源矩阵板及其制作方法，该有源矩阵板具有制作工艺简单、成本低廉、大大降低环境污染等特点。
本发明提供的有源矩阵板结构包括聚合物、二端子器件、像素电极、电气连接，其特征是所述的二端子器件按像素位置或按有源矩阵的要求排列、并埋入聚合物之中，构成二端子器件板；二端子器件的一端在二端子器件板的一面与二端子器件板表面的像素电极连接；二端子器件的另一端在二端子器件板的聚合物之中或在二端子器件板的另一面按有源矩阵的要求作电气连接，像素电极在二端子器件板的表面。
需要说明的是，本发明所述像素电极上至少连接一只二端子器件；本发明所述的二端子器件包括不带封装的二端子芯片和带封装的二端子元件，也可以是对外具有两个端子的、具有非线性性质的组合元件、芯片或器件，如MIM元件、二极管，两只或多只串联的二极管等；同一封装的能被分解、等效成二端子器件组合的多端子器件，也被视为多个二端子器件而落于本发明的保护范围中。例如具有3个引出电极、封装成一体的共阴极二极管对在电气上可以分解、等效成为两只分离的二极管而成为两只二端子器件。
另外，所述的电气连接可以在聚合物中，所述像素电极在有源矩阵板的表面；所述的电气连接也可以在有源矩阵板的表面，所述像素电极在有源矩阵板的另一面。
为了提高整个结构的刚度和方便本发明结构的制造，也可以在有源矩阵板含有电气连接的一面衬以非金属板，如玻璃板。
本发明方法是这样的先将二端子器件按有源矩阵的要求排列起来，然后在二端子器件之间的空间或空隙里充以聚合物或预聚物，再让聚合物或预聚物固化，成为二端子器件板；将此二端子器件板两面整平，例如用磨床或刨床整平，整平以后二端子器件两端都露出二端子器件板表面，抛光二端子器件板其中一面，以公知的方法和材料(如带掩模的电子束蒸发ITO)镀上像素电极。二端子器件的另一端按有源矩阵的要求可在本工艺的任何阶段进行电气连接，例如排列二端子器件的时候通过焊接连线作电气连结，或磨平以后采用化学镀、印刷导电胶等方法作电气连结。
本发明的优点在于分立的二端子器件可以在小尺寸的基片上加工制造，并用划片机分开以后经封装以元件方式，或者不封装直接以芯片方式按像素位置排列起来而制成有源矩阵板，所以只需要在小的面积上制作二端子器件，减低了对设备的要求。同时，采用划片分割安装的方法也避免了腐蚀大面积的硅、金属、以及金属氧化物的工艺，避免了环境污染。本结构进一步的优点是，二端子元件或芯片包裹于聚合物中，使元件或芯片受到保护，因而有源矩阵的性能更加稳定。
为了使本发明结构比较容易看清楚，以下各图的二端子器件和导线均以实线绘出。
附图1、2为本发明有源矩阵板的结构示意图，其中附图1为本发明有源矩阵板的剖面图，附图2为附图1的俯视示意图。其中1为聚合物，2为二端子器件，3a和3b分别为二端子器件2的下部和上部引出电极，4为像素电极，5为埋在聚合物内的导线，6为有源矩阵板。
附图3、4为导线在表面的本发明有源矩阵板的结构示意图。附图3为采用二端子器件所构成的有源矩阵板的结构剖面示意图，附图4为附图3的俯视示意图。其中1为聚合物，2为二端子器件，3a和3b分别为二端子器件的下部和上部引出电极，4为像素电极，5为导线，6为有源矩阵板。
附图5、6表示每两个二端子器件驱动一个像素的有源矩阵板结构示意图。附图5为该有源矩阵板结构的剖面示意图，附图6为附图5的俯视示意图。其中1为聚合物，2为二端子器件，22为封装成一体的二端子器件，3a和3b分别为二端子器件的下部和上部引出电极，4为像素电极，5为导线，6为有源矩阵板。
附图7、8、9表示二端子器件的几种构成方式。其中附图7为两只背对背二极管所构成的二端子器件，附图8为多只二极管所构成的二端子器件，附图9为两只晶体三极管构成的二端子器件。
附图10、11是以二端子芯片构成的本发明有源矩阵板的实际结构示意图。附图10为有源矩阵板的结构剖面示意图，附图11为附图10的俯视示意图。其中1为聚合物，2为二端子芯片，3a和3b分别为二端子芯片2的下部和上部引出电极，4为像素电极，5为导线，6为有源矩阵板。
附图12、13为MIM作为二端子元件所构成的有源矩阵板的结构示意图。其中附图12为该有源矩阵板的剖面结构示意图，附图13为附图12的俯视图。其中1为聚合物，2为MIM元件，3a和3b分别为MIM的下部和上部引出电极，4为像素电极，5为金属制造的导线，6为有源矩阵板。
附图14、15为每像素使用两只二极管的有源矩阵板的结构示意图。其中，附图14为该结构有源矩阵板的剖面示意图，附图15为附图14的俯视图。其中1为聚合物，2为二极管，22表示两只二极管包装成一体的元件，3a和3b分别为二极管的下部和上部引出电极，4为像素电极，5为导线，6为有源矩阵板。
下面对照附图详细介绍本发明。
如附图1、2所示，二端子器件2按显示像素的位置排成矩阵。每一个二端子器件2的其中一个端子通过引出电极3a连接一个像素电极4，像素电极4为多边形片状电极，但最好为矩形。像素电极4最好为用金属或金属氧化物或它们的复合物制造的薄膜电极。各像素电极之间相互绝缘。二端子器件2的另一个引出电极3b则按有源矩阵的要求，通常按行通过聚合物内的导线5作电气连接，导线5最好为金属导线，通常用金属导线按行与上述二端子器件2的另一个端子3b逐个焊接起来。聚合物1填充于空隙处，形成外形为长方体的、所有的二端子器件2、引出电极3a、3b、导线5均埋入聚合物1之中的有源矩阵板6。当二端子器件引出电极3a或3b很薄的时候，可以将引出电极3a、3b分别与像素电极4和导线5合为一体而分别取消引出电极3a或3b。像素电极4的下表面为平面，最好与有源矩阵板6的下表面尽可能地处于同一平面。导线5从有源矩阵板6的侧面或侧面附近的适当位置引出，以便与外电路连接。为了提高有源矩阵板对像素的驱动能力，最好不要把像素电极4的外表面埋在聚合物2内，若确实需要在像素电极外表面制造一层非金属膜(包括聚合物薄膜)以避免金属直接接触显示材料时，这层非金属膜的厚度也要尽可能薄，不要大于10微米，最好不要大于1微米。
如附图3、4所示，若干二端子器件2按显示像素的位置排成矩阵，每一个二端子器件2通过下部的引出电极3a连接一个像素电极4。像素电极4为多边形片状电极，最好为金属或金属氧化物(如ITO材料)或其复合物制作的矩形薄膜电极。各像素电极之间相互绝缘。二端子器件2的上部端子3b则按有源矩阵的要求，通常按行通过聚合物上部表面的导线5作电气连接。导线5最好为金属导线，也可以通过金属化、塑料化学镀或丝网印刷而形成的导电线条，并使所述导电线条逐行与二端子器件2上部的端子逐个连接(例如，通过接触或焊接)起来。当二端子器件引出电极3a或3b很薄的时候，可以将引出电极3a、3b分别与像素电极4和导线5合为一体而分别取消引出电极3a或3b。聚合物1填充于空隙处，形成外形为长方体的有源矩阵板6。导线5在有源矩阵板6的上表面。像素电极4的外表面为平面，与有源矩阵板6的下表面最好尽可能地处于同一平面。为了提高有源矩阵板对像素的驱动能力，最好不要把像素电极4的外表面埋在聚合物2内，若确实需要在像素电极外表面制造一层非金属膜(包括聚合物薄膜)以避免金属直接接触显示材料时，这层非金属膜的厚度也要尽可能薄，不要大于10微米，最好不要大于1微米。
附图5、6为每两个二端子器件驱动一个像素的结构示意图。每像素两个二端子器件2依显示像素的位置排成矩阵。每像素上的两个二端子器件2的下部引出电极3a连接到一个共同的像素电极4上。像素电极4为多边形片状电极，最好采用金属或金属氧化物(如ITO材料)或其复合物制作的矩形薄膜电极。各像素电极之间相互绝缘。二端子器件2的上部引线3b则按有源矩阵的要求以导线5作电气连接。导线5最好为金属导线，也可以是通过金属化、塑料化学镀或丝网印刷而形成的导电线条，并使所述导电线条逐行与二端子器件2上部的引出电极3b逐个连接(例如，通过接触或焊接)起来。聚合物1填充于空隙处，形成外形为长方体的有源矩阵板6。导线5可以象附图1、2所示那样埋在聚合物中，也可以象附图5、6所示那样置于有源矩阵板6的上表面。附图5、6表示的是将导线5放置在有源矩阵板6上表面的情况。当二端子器件引出电极3a或3b很薄的时候，可以将引出电极3a、3b分别与像素电极4和导线5合为一体而分别取消引出电极3a或3b。像素电极4的外表面为平面，与有源矩阵板6的下表面最好尽可能地处于同一平面。为了提高有源矩阵板对像素的驱动能力，最好不要把像素电极4的外表面埋在聚合物2内，若确实需要在像素电极外表面制造一层非金属膜(包括聚合物薄膜)以避免金属直接接触显示材料时，这层非金属膜的厚度也要尽可能薄，不要大于10微米，最好不要大于1微米。
按照附图5、6所表示的结构，也可以制造多个二端子器件连接到一个像素电极上的结构的有源矩阵板。
按照附图5虚线所表示的结构，可以将两个二端子器件包装为一体，成为双二端子器件22，再依上述结构制造有源矩阵板。进一步地，这种双二端子器件22结构中用于附图5、6的结构时，双二端子器件22的下面两个电极可以合并为一个成为假的三端子器件。
同一封装的多端子的器件只要能被分解、等效成二端子器件的组合，也被视为多个二端子器件而进入如图1、3、5所示的本发明的结构之中。按上述结构的原理，还可以将多个二端子器件封装成一体，再按上述结构制造有源矩阵板。
具体实施例方式
实施例1附图7、8、9表示以常用的器件构成的二端子器件的实例，其中附图7为两只背对背二极管所构成的二端子器件，附图8为多只二极管构成的二端子器件，附图9为两只晶体三极管构成的二端子器件。还可以用其他元器件、芯片按照更复杂的电路构成二端子器件或在单一芯片上按照已知的技术制造二端子芯片，但是只要对外只有两个电极引线的电路，都作为二端子器件而按照本发明结构制造有源矩阵。
实施例2附图10、11为采用芯片实现附图3、4结构的实例示意图。
如附图10、11所示，在玻璃板7上按显示矩阵的要求预先制作好的导线5。若干二端子芯片2按显示像素的位置在玻璃板7上的导线5上排成矩阵，二端子芯片2的上部的电极3b与导线5作电气连接。导线5最好使用金属。因引出电极3b很薄，引出电极3b可以与导线5融为一体，因而也可以取消引出电极3b。每一个二端子芯片2的下部电极3a连接一个像素电极4。因引出电极3a很薄而且面积比像素电极4小许多，引出电极3a可以与像素电极4融为一体，因而可以取消引出电极3a。像素电极4为多边形片状电极，但最好为矩形。像素电极4最好为用金属或金属氧化物或它们的复合物制造的薄膜电极。各像素电极之间相互绝缘。聚合物1填充于空隙处，形成外形为长方体的有源矩阵板6。像素电极4的外表面为平面，与有源矩阵板6的下表面最好尽可能地处于同一平面。导线5从有源矩阵板6的侧面或其附近的适当位置引出，以便与外电路连接。为了提高有源矩阵板对像素的驱动能力，最好不要把像素电极4的外表面埋在聚合物2内，若确实需要在像素电极外表面制造一层非金属膜(包括聚合物薄膜)以避免金属直接接触显示材料时，这层非金属膜的厚度也要尽可能薄，不要大于10微米，最好不要大于1微米。本结构的优点在于有源矩阵板衬在玻璃板上而使其刚性得到了加强。
若将上述玻璃板7换成聚合物板，则获得附图1、2所示的有源矩阵板的实际结构。
实施例3MIM作为二端子器件所构成的有源矩阵板的实例。
附图12、13所示为MIM作为二端子器件按附图1、2的结构所构成的有源矩阵板的实例。MIM元件2按像素的位置排成矩阵。每一个MIM元件2的下部电极3a连接到一个像素电极4上。像素电极4为ITO(氧化铟锡)制造的薄膜电极。各像素电极之间相互绝缘。MIM元件2的另一个电极3b则按有源矩阵的要求，按行通过聚合物内的导线5连接起来。聚合物1则填充于MIM元件2、引出电极3a、3b、导线5a之间的空隙处，形成外形为长方体的、全部的MIM元件2和引出电极3a、3b、导线5a均嵌入聚合物1的有源矩阵板6。像素电极4的外表面与有源矩阵板6的下表面处于同一平面。
若将本例中的导线5置于有源矩阵板6的上表面，而不是埋于聚合物1之中，则成为附图3、4结构的实施例。
实施例4采用双二极管的有源矩阵板。
附图14、15为附图5、6结构的实施例，其电路原理可参考美国专利US4,731,610。每像素上的一对二极管2为电流导通方向相反的一对二极管，若干对二极管按每像素两只的依像素位置排成矩阵。每像素上的两只二极管2的下部电极3a连接到一个共同的像素电极4上。每像素上的两只二极管2的下部引线3a也可以先连接起来再接到像素电极4上，这在电气上是等同的。像素电极4为用ITO(氧化铟锡)材料所制造的矩形薄膜电极。各像素电极之间相互绝缘。两只二极管的上部端子3b则分别按行以导线5作电气连接。聚合物1填充于空隙处，形成外形为长方体的有源矩阵板6。导线5可以按附图1、2所示那样埋在聚合物中，在有源矩阵板6的侧面引出，也可以象附图3、4所示那样置于有源矩阵板6的上表面。附图14、15表示的是将导线5放置在有源矩阵板6上表面的情形。像素电极4的外表面为平面，与有源矩阵板6的下表面处于同一平面。
若将本实施例中的每像素上的两只二极管2包装成一体，成为双二极管22，如附图14、15上的虚线所表示的那样，则在电路上将双二极管22可以等效为两只二极管而仍然为本实施例的结构。
尽管以上附图所表示的是用于驱动24×24或24×12像素的有源矩阵板的结构，液晶显示器件领域的普通技术人员很容易将这些结构扩展成为用于驱动更大规模或更小规模的像素矩阵的有源矩阵板。
实施例5以下以附图1、2所示的结构为例，说明实现本发明结构的方法1.按制造有源矩阵板所要求的尺寸制造长方体空腔的阴模模具；2.将二端子元件在模具中以任何公知的方法竖立起来，根据像素的位置排列成矩阵；3.将预聚物(例如按照配方混合均匀的环氧树脂，或制造有机玻璃的预聚物。)倾入模具中，这样，二端子元件之间的空间或空隙里就会填满预聚物；4.以公知的方法让预聚物固化，成为有源矩阵板；5.将此有源矩阵板两面整平，使得二端子元件两头的引出线都露出基板表面；6.将有源矩阵板的下表面抛光，使表面的不平整度小于10微米，最好小于1微米。
7.将已抛光的下表面套上网状的，网孔按像素位置排列的掩模，然后蒸镀一层金属材料的或ITO材料的像素电极。
8.将有源矩阵板的上表面的二端子元件裸露的电极按有源矩阵的要求采用焊接、化学镀或印刷导电胶等方法制作按要求连线的电极。
9.在有源矩阵板的上表面浇注一层预聚物，并将预聚物固化。
按以上步骤就可以实现本发明附图1、2所示的结构。
若取消上述第8步，就可以实现附图3、4所示的结构。
若本实施例中的第7步的所用的网状的掩模的网孔放大一倍，使每像素电极包含两只二端子元件，这样制造出来的有源矩阵板就具有附图5、6的结构。
实施例6以下为实现附图10、11的结构的方法1.按制造有源矩阵板所要求的尺寸制成长方体空腔的阴模模具；2.制造与阴模面积略小的非金属平板，比如玻璃板；3.在上述非金属平板上按有源矩阵的要求采用化学镀或印刷导电胶等方法制作按要求连线的薄膜电极；4.将二端子芯片根据像素的位置在非金属平板上的薄膜电极内排列成矩阵，以二端子芯片朝上将非金属平板放于阴模模具中；5.将预聚物(例如按照配方混合均匀的环氧树脂，或制造有机玻璃的预聚物。)倾入模具中，这样，二端子芯片之间的空间或空隙里就会填满预聚物；6.以公知的方法让预聚物固化，成为有源矩阵板；7.将此有源矩阵板的上表面和侧面用磨床或刨床整平、抛光，使得二端子芯片的电极露出基板表面，非金属平板上的薄膜电极漏出有源矩阵板侧面；8.将有源矩阵板抛光面套上网状的，网孔按像素位置排列的掩模，然后蒸镀一层金属材料的或ITO材料的像素电极。
若将本实施中的第8步的所用的网状的掩模的网孔放大一倍，使每像素电极包含两只二端子器件，这样制造出来的有源矩阵板就具有附图5、6的结构。
根据这里叙述的采用二端子器件制造有源矩阵的方法，本领域的普通技术人员就能够制造出其他附图所表示的有源矩阵的结构。
权利要求
1.一种有源矩阵板，包括聚合物、二端子器件、像素电极、电气连接，其特征是所述的二端子器件按像素位置或按有源矩阵的要求排列、并埋入聚合物之中，构成二端子器件板；二端子器件的一端在二端子器件板的一面与二端子器件板表面的像素电极连接；二端子器件的另一端在二端子器件板的聚合物之中或在二端子器件板的另一面按有源矩阵的要求作电气连接，像素电极在二端子器件板的表面。
2.如权利要求书1所述的有源矩阵板，其特征在于所述像素电极上至少有一只二端子器件。在聚合物中按所述的每像素至少一只二端子器件或按有源矩阵的要求埋入二端子器件，成为二端子器件板。
3.如权利要求书1所述的有源矩阵板，其特征是所述的二端子器件可以是包括不带封装的二端子芯片和带封装的二端子元件，也可以是对外具有两个端子的、具有非线性性质的组合元件、芯片或器件。
4.如权利要求书1所述的有源矩阵板，其特征是所述的二端子器件还包括同一封装的能被分解、等效成二端子器件组合的多端子器件。
5.如权利要求书1所述的有源矩阵板，其特征是所述的电气连接可以在聚合物中，所述像素电极在有源矩阵板的表面；所述的电气连接也可以有源矩阵板的表面，所述像素电极在有源矩阵板的另一面。
6.如权利要求书1或2或3或4或5所述的有源矩阵板，其特征是在有源矩阵板含有电气连接的一面衬以非金属板，所述的非金属板可以是玻璃板。
7.如权利要求书1所述的有源矩阵板，其特征是所述的有源矩阵板的制作方法是采用下面的步骤先将二端子器件按有源矩阵的要求排列起来，然后在二端子器件之间的空间或空隙里充以聚合物或预聚物，让聚合物或预聚物固化，构成二端子器件板；将此二端子器件板两面整平，抛光二端子器件板其中一面，并镀上像素电极；二端子器件的另一端按有源矩阵的要求进行电气连接。
全文摘要
本发明公开了一种有源矩阵板，它是由二端子器件按像素位置或按有源矩阵的要求排列、并埋入聚合物之中，二端子器件的一端与二端子器件板表面的像素电极连接；二端子器件的另一端按有源矩阵的要求作电气连接，像素电极在二端子器件板的表面。该结构的优点是，二端子元件或芯片包裹于聚合物中，使元件或芯片受到保护，因而有源矩阵的性能更加稳定。该有源矩阵板具有制作工艺简单、成本低廉、大大降低环境污染等特点。
文档编号G02F1/133GK1510464SQ0212807
公开日2004年7月7日 申请日期2002年12月23日 优先权日2002年12月23日
发明者黄子强, 王继岷, 杨文君 申请人:电子科技大学