39、超薄芯片技术在文档安全与柔性显示中的应用探索

超薄芯片技术在文档安全与柔性显示中的应用探索

1. 超薄芯片在文档安全领域的应用

在文档安全领域，超薄芯片发挥着至关重要的作用，不同的应用场景对芯片的厚度和性能有着不同的要求。
- 电子嵌体设计 ：最新的电子嵌体设计采用印刷嵌体，将安全控制器倒装芯片直接连接到天线上。芯片横跨天线环路，使额外的天线桥变得多余。用于电子身份证的安全控制器经过测试，厚度在30 - 75毫米之间。
- 显示卡应用 ：显示卡是高度集成系统的典型例子，随着硅面积的增加，芯片尺寸超过3平方毫米时，需要特殊手段来保证机械稳定性，否则芯片破裂的风险会很高。将晶圆减薄至50毫米以下，并结合激光切割和芯片边缘处理（倒圆角），可以保证必要的机械性能。显示卡的嵌体设计结合了两种基板：天线基板（FR4）和显示模块基板（PI），可选的电池使该设计成为双电源系统，显示采用E - Ink电泳电子纸类型。电子纸显示驱动器的集成是一个特殊挑战，由于单段驱动方案，引脚数量通常达到100个及以上。通过100个连接将芯片连接到基板会形成三明治结构，显著降低整个显示模块的灵活性。将芯片减薄至50毫米以下有助于补偿这种灵活性损失，还需要进行机械有限元模拟来确定卡上应力较低的区域（角落）。
- 印刷嵌体集成 ：以倒装芯片键合的显示模块为例，中间的两个芯片是100引脚的显示段驱动器，通过各向异性导电胶（ACA）方法组装，基板材料为聚酰亚胺。将显示模块安装到印刷嵌体上也采用ACA倒装芯片组装工艺。
- 安全标签和标签 ：文档安全标签是小型灵活的RFID应答器，可附着在安全文档上进行标记或防伪，如用于药品。由于天线面积小，这些应答器的读取范围限制在几毫米。与光学安全特征（全息图、条形码）结合，可以创建一个方便的标签，与现有的条形码光学扫描仪、全息图扫描仪和RFID阅读器兼容。
- 纸中芯片应用 ：为纸张文件或钞票添加安全功能时，硅芯片厚度需小于25毫米，以匹配主体材料的柔韧性。纸张厚度在80 - 100毫米之间，导电天线层厚度为20毫米，根据组装方法可能还需要10毫米的凸点层。考虑到上下各30毫米的纸张层，留给硅芯片的厚度不到15毫米。日立曾在2006年IEEE国际固态电路会议上展示了7.5微米厚的芯片样品，目标应用包括智能水印和电子印章。
- 混合系统中的薄组件 ：柔性聚合物电子学虽有潜力成为RFID应用中硅电子学的低成本替代方案，但目前还无法完全取代硅。对于高处理速度要求的系统，聚合物电子学尚不能满足性能和成本目标。可行的方法是将聚合物和硅组件结合，硅组件厚度需达到50毫米以下，并对芯片侧面进行精心改进，以匹配聚合物电子学的柔韧性。

应用场景	芯片厚度要求	相关特点
电子身份证安全控制器	30 - 75毫米	倒装芯片连接天线，无需额外天线桥
显示卡	≤50毫米	保证机械稳定性，补偿显示模块灵活性损失
纸中芯片	＜25毫米	匹配纸张柔韧性，用于智能水印和电子印章
混合系统硅组件	≤50毫米	匹配聚合物电子学柔韧性

2. 柔性显示驱动芯片技术

近年来，柔性显示技术的快速发展让人们对全柔性显示产品的问世充满期待。全柔性、纸状显示需要将超薄驱动芯片嵌入到同一柔性基板中，这不仅能减少外部连接和产品成本，还能提高系统可靠性。
- 柔性显示分类与结构 ：根据柔韧性自由度，柔性显示可大致分为一次性柔性、半柔性和全柔性。一次性柔性显示器在制造时弯曲或成型后保持形状；半柔性显示器只能部分弯曲、滚动或折叠；全柔性显示器可以从任何方向多次滚动、折叠、弯曲和拉伸而不损坏。典型的平板柔性显示器由柔性基板、导电条纹或薄膜晶体管（TFT）矩阵层（背板）、功能显示材料层和封装层（前板）组成，前板还作为电极。
- 材料选择与驱动技术 ：柔性基板材料的选择需考虑柔韧性、坚固性、热性能、光学性能、阻隔性能、与其他层的兼容性以及卷对卷制造的可行性等因素。柔性玻璃、金属片、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚醚砜（PES）等聚合物薄片都有不错的表现，但目前还没有一种材料能成为通用选择。功能显示材料在施加适当电压时能反射或透射光，不同厂商采用了电泳、胆甾型液晶、电润湿、电流体和电致变色等技术。透明导电氧化物（TCO）薄膜用于形成前封装层，既具有良好的光学性能，又能作为显示器的电极。显示层的电压提供可采用被动矩阵或主动矩阵技术。被动矩阵中，前后板上的导电条纹相互垂直形成矩阵，条纹交点定义像素；主动矩阵中，基于TFT的像素电路（TFT开关）提供适当电压，前板作为公共电极。像素数量和密度由背板中TFT开关的数量和密度决定，不同类型的显示器所需的TFT数量不同，如电泳显示器只需1个TFT像素电路，而OLED显示器至少需要2个TFT像素电路，每个像素电路还使用存储电容来维持TFT栅极电压并减少漏电流影响。一般来说，主动矩阵寻址由于其更高的刷新率、更好的电压控制、减少的串扰和更少的闪烁问题而更受青睐，但被动矩阵方案因其简单性和低成本，仍适用于对大尺寸显示、高分辨率和快速刷新率要求不高的系统。
- 显示驱动原理 ：矩阵背板方案需要行和列驱动器通过像素电路为每个像素提供精确的电压信号。行（或扫描）驱动器是移位寄存器，为逐行寻址生成顺序电压脉冲。对于有N行的帧，需要一个带有N个缓冲器的行驱动器，其时钟频率由行数和刷新率的乘积决定，通常在几十千赫兹范围内。行驱动器中的电平转换器将电压从0和3.3V转换为 - 5和20 - 25V，以满足矩阵背板中TFT栅极的导通和截止要求。列驱动器则需要在矩阵背板中TFT的源极提供相对较高的模拟电压，设计更为复杂。典型的列驱动器接收串行低电压数字输入数据，将电压转换为更高电平，将数据转换为并行模拟信号，并同时应用于所选行的所有像素。对于高分辨率彩色显示器，列驱动器的工作频率要求较高，可通过增加驱动器数量、采用双扫描驱动、列分组、同时寻址等技术来降低高频要求。

graph LR
    A[柔性显示] --> B[一次性柔性]
    A --> C[半柔性]
    A --> D[全柔性]
    E[驱动技术] --> F[被动矩阵]
    E --> G[主动矩阵]
    H[显示材料技术] --> I[电泳]
    H --> J[胆甾型液晶]
    H --> K[电润湿]
    H --> L[电流体]
    H --> M[电致变色]

3. 超薄驱动芯片的挑战与解决方案

实现全柔性、纸状显示需要将超薄驱动芯片嵌入柔性基板，但开发与柔性基板兼容的超薄驱动芯片是一项艰巨的任务。
- 制造工艺挑战 ：塑料基板无法承受高温处理，且尺寸稳定性低于刚性基板，因此需要对传统的刚性基板器件制造工艺进行修改。目前主要有两种方法：一是在塑料基板上直接制造低温处理的TFT；二是将预制器件转移到塑料基板上。前者适用于非晶硅、低温多晶硅（LTPS）和有机半导体（OTFT），后者适用于高温处理的多晶硅或单晶硅TFT。但降低处理温度会导致载流子迁移率降低，直接制造方法不适合在塑料基板上生产高性能电路，而高迁移率晶体管对于满足视频流的高刷新率至关重要。此外，柔性基板上的TFT还会因阈值电压变化、自热和压阻效应而出现性能显著下降的问题。
- 不同材料TFT分析
- 氢化非晶硅（a - Si:H）TFT ：需要低温处理，适合在柔性基板上直接制造。基于a - Si:H TFT的驱动器在较低刷新率（几十赫兹）或偶尔图像刷新应用中表现良好，但由于迁移率低（约0.1 - 1cm²/V - s），无法满足视频信号刷新要求。该电路还面临阈值电压不稳定的问题，这是由于电荷注入或捕获在栅极绝缘体以及非晶硅沟道区域的缺陷形成导致的。通过精确建模和改进电路设计可以尽量减少阈值电压漂移的影响。
- 多晶硅TFT ：多晶硅TFT的迁移率远高于非晶硅TFT。高温（>600°C）处理的多晶硅TFT性能优于低温处理的多晶硅（LTPS）TFT，但高温不适合在柔性塑料基板上直接制造，不过可以在柔性金属片上制造，其n沟道MOS（NMOS）和p沟道MOS（PMOS）TFT的迁移率分别可达300cm²/V - s和150cm²/V - s。对于在塑料基板上制造驱动电路，可以将预处理的低温多晶硅TFT转移到柔性塑料基板上，目前也可以直接在具有较高玻璃化转变温度的塑料基板（如聚酰亚胺，Tg > 350°C）上制造迁移率约为50cm²/V - s的低温多晶硅TFT。
- 有机TFT ：有机TFT具有低温处理和与卷对卷印刷技术兼容的优点，可在所有柔性基板上直接制造。但有机晶体管的迁移率非常低，p型约为1cm²/V - s，n型约为0.2cm²/V - s，这限制了其在低分辨率和小尺寸显示器中的应用。不过，溶液处理的有机TFT迁移率可达5cm²/V - s，超过了非晶硅TFT，便于通过印刷技术进行大规模生产。有机TFT在电路设计方面还面临n型性能不佳和稳定性差的问题，可以采用PMOS - only或伪PMOS方法，也可以使用混合CMOS器件方法，但后者需要大量的处理工作。
- 单晶硅TFT ：传统上，单晶硅技术因高温处理而被认为与塑料基板不兼容，但随着将预制单晶硅器件转移到柔性基板技术的发展，单晶硅技术在柔性显示领域有了应用前景。为了保持产品的柔韧性，需要将硅芯片减薄至20毫米以下，传统的背面研磨技术不适合，可采用ChipfilmTM等技术。利用单晶硅技术可以在柔性基板上获得迁移率>500cm²/V - s、开/关比>10⁵的高速晶体管。对于列驱动器中的电平转换阶段，需要高压晶体管来提升电压，传统的LDMOS晶体管设计受深阱限制，不利于芯片减薄，因此需要对其设计进行修改。目前已经有一些超薄高压晶体管的设计尝试，如35毫米厚的高压晶体管，击穿电压>110V；基于ChipfilmTM技术的约10毫米厚的LDMOS晶体管，可承受约100V的高压。单晶硅晶体管在弯曲状态下，由于压阻效应，漏极电流会发生变化，在模拟电路设计中需要考虑这些影响。
- 散热与充电问题 ：驱动芯片需要提供几十伏的电压和足够的电流来快速充电和放电负载电容，产生的热量必须从芯片中散发出去，以减少热效应导致的性能下降。在柔性显示系统中，驱动芯片嵌入两层柔性材料之间，大多数材料是热绝缘体，这会显著减少热量散发到环境中的量，导致自热问题恶化器件性能。可以通过改进晶体管设计降低导通电阻，采用电荷回收和选择性更新等方案来进一步降低功耗。对于高分辨率和大尺寸柔性显示器，还面临像素充电时间不足和长行信号延迟的挑战。像素可看作电容，其充电和放电时间取决于显示材料的响应时间。随着分辨率的提高，行线时间减少，可能导致像素充电不足，影响图像质量和均匀性。对于大尺寸显示器，行线表现为分布式电阻 - 电容（RC）网络，会导致同一行像素之间的信号延迟，减少像素的可用充电时间。可以采用行时间扩展（LiTEX）方法增加有效行线时间，采用水平行延迟补偿（H - LDC）和自适应充电等技术来补偿行线信号延迟。

材料类型	迁移率（cm²/V - s）	优点	缺点	适用场景
氢化非晶硅（a - Si:H）	约0.1 - 1	低温处理，适合直接制造	迁移率低，阈值电压不稳定	低刷新率或偶尔图像刷新应用
多晶硅	高温处理可达300（NMOS）、150（PMOS）；低温处理约50	迁移率高	高温不适合塑料基板	高性能显示驱动
有机	p型约1，n型约0.2；溶液处理可达5	低温处理，适合印刷	迁移率低，n型性能差	低分辨率小尺寸显示
单晶硅	>500	迁移率高，性能好	高温处理，减薄有挑战	高速显示驱动

4. 驱动芯片的放置方案

不同的驱动芯片放置方案可以根据显示器的分辨率和尺寸进行选择，以更好地驱动负载。
- 正常分辨率和小尺寸显示 ：通常采用典型的放置方案，将驱动芯片放置在显示器周围。
- 高分辨率和大尺寸显示 ：可采用双扫描方法，有多种不同的放置可能性，以应对高分辨率和大尺寸带来的挑战。

graph LR
    A[驱动芯片放置方案] --> B[正常分辨率小尺寸]
    A --> C[高分辨率大尺寸]
    C --> D[双扫描方法1]
    C --> E[双扫描方法2]
    C --> F[双扫描方法3]

综上所述，超薄芯片技术在文档安全和柔性显示领域有着广泛的应用前景，但也面临着诸多技术挑战。通过不断的研究和创新，克服这些挑战，有望实现全柔性显示系统的大规模生产，为电子显示行业带来新的发展机遇。同时，在文档安全领域，超薄芯片的应用也将进一步提升文档的安全性和防伪能力。

超薄芯片技术在文档安全与柔性显示中的应用探索

5. 文档安全领域超薄芯片应用的优势与前景

文档安全领域中，超薄芯片的应用展现出了多方面的优势，并且具有广阔的前景。
- 安全性提升 ：在电子身份证、安全标签等应用中，超薄芯片的使用使得文档具备了更高的防伪能力。例如电子身份证中的安全控制器，通过倒装芯片直接连接天线的设计，不仅减少了额外的天线桥，还增加了芯片与天线连接的稳定性和独特性，使得伪造变得更加困难。安全标签结合光学安全特征后，兼容多种扫描设备，进一步提高了文档的安全性验证手段。
- 柔韧性与兼容性 ：纸中芯片应用体现了超薄芯片在柔韧性和兼容性方面的优势。将芯片厚度控制在小于25毫米，能够与纸张等柔性材料完美匹配，实现智能水印和电子印章等功能。这不仅为纸张文件和钞票等传统文档增添了新的安全特性，还拓展了芯片在不同材质文档中的应用范围。
- 未来发展方向 ：随着技术的不断进步，超薄芯片在文档安全领域的应用有望进一步拓展。例如，可能会开发出更薄、性能更强大的芯片，用于更复杂的安全验证和信息存储。同时，与物联网技术的结合也可能使得文档在流通和管理过程中实现更高效的监控和追溯。

6. 柔性显示驱动芯片技术的发展趋势

柔性显示驱动芯片技术正朝着更高性能、更轻薄化和更智能化的方向发展。
- 性能提升 ：为了满足视频流等高速数据传输和显示的需求，驱动芯片需要不断提高晶体管的迁移率。单晶硅技术在这方面具有巨大的潜力，通过改进制造工艺和设计方法，有望在柔性基板上实现更高迁移率和更好性能的晶体管。同时，对于多晶硅和有机材料等，也在不断探索提高其迁移率和稳定性的方法。
- 轻薄化设计 ：全柔性、纸状显示的目标要求驱动芯片进一步减薄。除了采用ChipfilmTM等现有技术外，还需要开发新的减薄工艺和材料，以实现更轻薄的芯片设计。这不仅有助于提高显示的柔韧性，还能减少芯片对整个显示系统厚度和重量的影响。
- 智能化驱动 ：随着显示技术的发展，驱动芯片需要具备更智能化的驱动能力。例如，能够根据显示内容和环境条件自动调整驱动参数，以实现更好的显示效果和更低的功耗。同时，对于高分辨率和大尺寸显示器，需要采用更先进的驱动算法和技术来解决像素充电和信号延迟等问题。

7. 应对超薄驱动芯片挑战的策略总结

面对超薄驱动芯片在制造、性能和散热等方面的挑战，需要综合运用多种策略来解决。
- 制造工艺优化 ：根据不同材料的特点，选择合适的制造工艺。对于需要高温处理的材料，可以先在耐高温的基板上制造，然后转移到柔性基板上；对于适合低温处理的材料，则可以直接在柔性基板上制造。同时，不断改进制造工艺，提高载流子迁移率和器件稳定性。
- 材料选择与改进 ：在选择材料时，要充分考虑其迁移率、稳定性、成本和制造工艺等因素。对于不同应用场景，可以采用混合材料的方法，结合各种材料的优点。例如，在有机TFT中采用混合CMOS器件方法，提高电路性能。
- 散热与功耗管理 ：通过改进晶体管设计降低导通电阻，采用电荷回收和选择性更新等方案来降低功耗。同时，开发高效的散热结构和材料，提高芯片的散热能力，减少自热问题对器件性能的影响。
- 信号处理与补偿技术 ：针对高分辨率和大尺寸显示器的像素充电和信号延迟问题，采用行时间扩展、水平行延迟补偿和自适应充电等技术进行补偿。不断优化这些技术，提高显示的质量和均匀性。

8. 驱动芯片放置方案的优化与创新

驱动芯片的放置方案对于显示器的性能和成本有着重要影响，需要不断进行优化和创新。
- 根据显示需求定制方案 ：对于不同分辨率和尺寸的显示器，要根据其具体需求选择合适的驱动芯片放置方案。正常分辨率和小尺寸显示器可以采用典型的放置方案，而高分辨率和大尺寸显示器则需要采用双扫描等更复杂的方案。同时，还可以根据显示器的形状和应用场景进行定制化设计。
- 集成化与模块化设计 ：未来的驱动芯片放置方案可能会朝着集成化和模块化的方向发展。将多个驱动芯片集成在一起，形成一个模块，可以减少芯片之间的连接和布线，提高系统的可靠性和稳定性。同时，模块化设计也便于生产和维护。
- 与显示技术协同发展 ：驱动芯片放置方案要与显示技术的发展相协同。随着显示技术的不断进步，如新型显示材料和结构的出现，驱动芯片的放置方案也需要相应地进行调整和优化，以实现最佳的显示效果。

graph LR
    A[文档安全领域] --> B[安全性提升]
    A --> C[柔韧性与兼容性]
    A --> D[未来发展方向]
    E[柔性显示驱动芯片技术] --> F[性能提升]
    E --> G[轻薄化设计]
    H --> I[智能化驱动]
    J[应对超薄驱动芯片挑战] --> K[制造工艺优化]
    J --> L[材料选择与改进]
    J --> M[散热与功耗管理]
    J --> N[信号处理与补偿技术]
    O[驱动芯片放置方案] --> P[根据显示需求定制方案]
    O --> Q[集成化与模块化设计]
    O --> R[与显示技术协同发展]

9. 总结与展望

超薄芯片技术在文档安全和柔性显示领域都有着重要的应用价值和广阔的发展前景。在文档安全领域，超薄芯片通过提高安全性、柔韧性和兼容性等方面，为传统文档带来了新的安全保障和应用功能。在柔性显示领域，超薄驱动芯片技术的发展是实现全柔性、纸状显示的关键，虽然面临着诸多挑战，但通过不断的技术创新和优化，有望实现更高性能、更轻薄化和更智能化的显示系统。

未来，随着技术的不断突破和融合，超薄芯片技术可能会在更多领域得到应用。例如，在可穿戴设备、智能包装等领域，超薄芯片的柔韧性和高性能将发挥重要作用。同时，跨领域的合作和创新也将加速超薄芯片技术的发展，为人们带来更多新颖和实用的产品。我们期待着超薄芯片技术在未来能够创造出更多的可能性，推动电子信息产业的不断发展。

领域	优势	挑战	发展趋势
文档安全领域	安全性提升、柔韧性与兼容性好	无	拓展应用范围、与物联网结合
柔性显示驱动芯片技术	满足高速显示需求、轻薄化设计潜力大	制造工艺、性能和散热等挑战	高性能、轻薄化、智能化
应对超薄驱动芯片挑战	多种策略综合运用	无	不断优化和创新
驱动芯片放置方案	可定制化、集成化和模块化潜力大	无	与显示技术协同发展