DE3840836A1 - Matrixadressierte fluessigkristallanzeige mit flexiblen anschlussverbindungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristallanzeige der Art mit einer X-Y-Matrix, bei der vielschichtige flexible Ver­ hindungsleitungen die Treiberelektronik für die Anzeige tra­ gen. Mehr im besonderen bezieht sich die Erfindung auf ein raumeffizientes Verpackungsschema, bei dem der flexible Ver­ bindungsstromkreis von der Anzeigeebene weggebogen ist, um die Größe zu minimieren.

Flüssigkristall-Anzeigeelemente der Art mit X-Y-Matrix sind z.B. in der US-PS 46 88 896 beschrieben. Bei der Anzeige mit X-Y-Matrix greifen die Reihen- und Spalten-Adreßleitungen in­ einander (eine Hälfte erstreckt sich bis zu einer Kante der Anzeige und die andere Hälfte bis zur gegenüberliegenden Kante), so daß die Reihen- und Spalten-Adreßleitungen von allen vier Kanten der Anzeige aus angetrieben werden können. Bisher war es beim Verpacken von matrixadressierten Flüssigkristallanzei­ gen üblich, die Zeilen- und Spalten-Treiberelektronik auf star­ ren gedruckten Schaltungsplatten zu montieren und die Treiber­ elektronik mittels flexibler Verbindungselemente mit den Ver­ bindungsstellen auf dem Flüssigkristallanzeigeglas zu verbin­ den. Solche Systeme nach dem Stande der Technik hatten jedoch eine Reihe von Nachteilen, weil der Einsatz der gedruckten Schaltungsplatten zu einer ineffizienten Raumnutzung führte. Dies trifft besonders auf Anzeigen mit hoher Dichte zu, weil das Montieren der Treiberelektronik auf einer separaten Schal­ tungsplatte und der Einsatz eines flexiblen Verbindungsteiles zwischen der Elektronik auf der Schaltungsplatte und dem An­ zeigeelement zum Hinzufügen von größeren Randbereichen zum An­ zeigeelement führt, was die Gesamtgröße erhöht.

Es ist daher erwünscht, die Treiberelektronik direkt auf dem flexiblen Leiterteil zu montieren, das dann gebogen werden kann, um die Raumnutzung zu optimieren. Die Zeilen- und Spal­ ten-Treiberchips können daher in hermetisch abgedichteten, zuleitungsfreien, keramischen Chipträgern gesichert werden, die direkt auf dem mehrschichtigen flexiblen Verbindungsteil montiert werden.

Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verpackungssystem für ein X-Y-adressiertes Flüssigkristall- Anzeigeelement zu schaffen, das eine flexible Verbindungs­ schaltung benutzt, um die X-Y-Zeilen- und Spalten-Treiber­ schaltung zu tragen. Weiter soll eine Verpackungstechnik für eine Flüssigkristallanzeige hoher Dichte des X-Y-Matrixtyps geschaffen werden, wobei man eine flexible Verbindungsschal­ tung benutzt, um den Raumbedarf zu minimieren. Und schließ­ lich ist es Aufgabe der Erfindung, eine matrixadressierte Flüssigkristallanzeige mit flexiblen Verbindungsstücken zu schaffen, die die Treiberelektronik der Anzeige tragen. Wei­ tere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer flachen Flüs­ sigkristall-Anzeigeplatte (ohne das dazugehörige Gehäuse), die die flexiblen Verbindungsteile mit der darauf montierten Treiberelektronik zeigt;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teiles der Flüssigkri­ stallanzeige einschließlich des Gehäuses, die die Art und Weise zeigt, in der das flexible Verbin­ dungsteil in dem Gehäuse angeordnet ist;

Fig. 3 eine auseinandergezogene Ansicht des vielschich­ tigen flexiblen Verbindungsteiles und des Anzeige­ element-Glases, die die Ansicht zeigt, in der das flexible Verbindungsteil an die Verbindungsstellen des Anzeigelementes gelötet ist;

Fig. 4 eine Draufsicht der Unterseite eines zuleitungs­ freien keramischen Chipträgers, die die Art und Weise zeigt, in der ein Chipträger mit dem flexib­ len Verbindungsteil verbunden ist und

Fig. 5 eine photographische Aufnahme, die mehrere Chip­ träger auf dem flexiblen Verbindungsteil sowie einen Abschnitt des flexiblen Verbindungsteiles wiedergibt, das zur Montage eines Trägers vorbe­ reitet ist.

Fig. 1 gibt eine perspektivische Ansicht eines Flüssigkri­ stall-Anzeigeelements (LCD) und der vielschichtigen flexib­ len Verbindungsschaltung wieder, die die Treiberchips trägt. Der Einfachheit halber sind das Gehäuse, Deckringe usw., in denen das Anzeigeelement, die Beleuchtung und die dazugehöri­ ge Verbindungs- und elektronische Schaltung montiert sind, in Fig. 1 nicht gezeigt.

Das eine flache Platte bildende Flüssigkristall-Anzeigeelement 10 besteht üblicherweise aus einem Paar von Glassubstraten, die um die Kanten herum abgedichtet sind, um einen Hohlraum zu bilden, in dem die Flüssigkristall-Lösung gehalten ist. Die innere Oberfläche eines der Substrate enthält eine trans­ parente, leitende Grund- bzw. Erdungsebene, die vorzugsweise aus Indium-Zinnoxid (ITO) besteht. Auf der inneren Oberfläche des anderen Glassubstrates befindet sich ein nicht dargestell­ tes Muster einzelner transparenter Elektroden, die eine X-Y- Matrix der einzelnen Flüssigkristallzellen bilden. Die Zellen bilden Bildelemente oder Pixel. Die einzelnen Pixel sind durch X- und Y-Adreßleitungen getrennt und bilden eine Zeilen- und Spalten-Anordnung, wobei die Adreßleitungen vorzugsweise in­ einandergreifen, wie in der obengenannten US-PS 46 88 896 ge­ zeigt, so daß die Y- und X-Adreßleitungen von gegenüberlie­ genden Kanten der Anzeige aus angetrieben werden können.

An den rechten und oberen Kanten der Anzeige 10 befindet sich eine Vielzahl von mehrschichtigen flexiblen Verbindungslei­ tungen 11 und 14, die Zeilentreiber 12 und Spaltentreiber 13 tragen. Die Zeilentreiber 12 und die Spaltentreiber 13 sind hermetisch abgedichtet in zuleitungsfreien Chipträgern 15, die nicht gezeigte Treiberchips enthalten. Die Treiberchips sind mit den vielschichtigen flexiblen Leitern durch die Lei­ terflecken verbunden, die sich auf der Seite und der Untersei­ te der Chipträger befinden, wie am deutlichsten in Fig. 4 ersichtlich.

Ein Ende jeder der vielschichtigen flexiblen Zuleitungen 11 und 14 ist mit den einzelnen Adreßleitungs-Verbindungsflecken verbunden, die sich bis zur Kante des Anzeigensubstrates er­ strecken. Nachdem die flexiblen Verbindungsteile an diese Adreßleitungs-Verbindungsflecken gelötet worden sind, wurden die flexiblen Leiterteile, wie dargestellt, vorzugsweise im rechten Winkel, aus der Ebene der Flüssigkristall-Anzeigeplat­ te herausgebogen, wobei sowohl die Kantenoberfläche der An­ zeigeplatte als auch die Gesamtoberfläche der Anzeigeneinheit minimiert wird. In Fig. 1 weisen die obere und die rechte Seite je vier flexible Leiterteile auf, die jeweils einen zulei­ tungslosen Chipträger tragen. So weist z.B. eine 4 × 4 Flüs­ sigkristallanzeige mit einer Leitungsdichte von 100 Leitungen pro 2,5 cm jede Kante der Anzeige 200 Verbindungsflecken und 200 Adreßleitungen auf, die jeweils von jeder Kante aus ange­ trieben werden. Auf diese Weise treibt jeder der flexiblen Schaltungsleitungen 50 Adreßleitungen an.

Die flexiblen Verbindungsteile 11 und 14 sind jeweils mit Kaskadenverbindungen 15 und 16 und dann mit Vielstift-Verbin­ dungsteilen 17 und 18 verbunden, um die Treiberschaltungen mit Energie zu versehen.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines Teiles einer Gesamt­ einheit einschließlich des Gehäuses, der Deckringe usw., und diese Ansicht zeigt auch die Art und Weise, in der der flexib­ le Leiterteil innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Eine Anzeige 20, die die Form einer flachen Platte hat, ist inner­ halb eines Drehringes 21 und eines Gehäuses 22 abgestützt, welch letzteres mit einem metallischen Wärmeverteiler 33 an dem Deckring 21 befestigt ist. Die Flüssigkristall-Anzeigen­ platte 20 ist zwischen den Polarisatoren 24 und 25 getragen, wobei der Polarisator 24 auch ein nicht gezeigtes zerstreu­ endes Element aufweist. Auf der oberen Oberfläche des Pola­ risators 25 ist ein antireflektierender Überzug 26 abgeschie­ den.

Leitende Bahnen aus flexiblen Leiterteilen 27 sind an die Verbindungsflecken 28 auf den Oberflächen der flachen Flüs­ sigkristallplatte 20 angelötet. Über den Befestigungspunkt an die Verbindungsflecken 28 hinaus wird das flexible Verbin­ dungsteil senkrecht zur Ebene der Anzeige gebogen und wird zwischen einem ersten flexiblen, gegen Reißen schützenden Teil 30, das sich zwischen der Kante des Polarisators 24 und dem Deckring 21 befindet, abgestützt.

Das flexible Leitungsteil 27 wird durch ein zweites gegen Reißen schützendes Teil 30 abgestützt und unter Bildung einer flexiblen Verbraucherschlaufe 31 gebogen. Danach erstreckt sich das Lei­ tungsteil parallel zum Gehäuse 22. Der Chipträger 35, der auf dem flexiblen Leitungsteil 27 abgestützt ist, wird gegen den Wärmeausbreiter 33 angeordnet, um Wärme vom Chipträger zu verteilen. Der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß der Abstand zwischen dem flexiblen Element und der Wandung sehr gering sein kann, wobei der minimale Abstand die Höhe des flexiblen Chipträgers ist, wodurch die Gesamtgröße der Anzeige verrin­ gert und die thermische Leistungsfähigkeit des Treiberchips verbessert wird.

Eine nicht dargestellte Lichtquelle ist im Raum 34 hinter den Polarisatoren 24 zum selektiven Beleuchten der matrixadressier­ ten Flüssigkristallanzeige angeordnet.

Das mehrschichtige flexible Verbindungsteil besteht aus einer oberen isolierenden Schicht aus Polyimid, wie es unter der Handelsbezeichnung Kapton von der DuPont Company erhältlich ist, einer Mehrfach-Kupferbahnschicht, einer mittleren Kapton­ schicht, einer Kupfer-Abschirmungsschicht und einer unteren Kaptonschicht, wobei alle Schichten aus Epoxy-, Acryl- oder anderen Klebmittelschichten zusammengehalten sind.

Um die einzelnen Kupferbahnenschichten an einem Ende des mehr­ schichtigen flexiblen Verbindungsteiles mit den Verbindungs­ flecken auf der Flüssigkristallanzeige zu verbinden, werden die untere und mittlere Kaptonschicht sowie die Kupfer-Ab­ schirmungsschichten weggeätzt, um die mehrfachen Kupferbahnen freizulegen. Wie im Zusammenhang mit Fig. 3 detaillierter beschrieben wird, werden die freigelegten Kupferbahnen auf der flexiblen Einheit an die einzelnen Verbindungsflecken auf der Anzeige gelötet und verbinden dadurch die Treiberelek­ tronik, die im zuleitungsfreien Chipträger gesichert ist, mit den Verbindungsflecken der flachen Anzeigenplatte. Die Epoxy- Klebstoffschichten halten nicht nur die einzelnen Kupfer- und Kapton-Schichten zusammen, sondern wirken auch als seitlich nachgiebige Schichten, so daß irgendwelche Spannungen auf­ grund von unterschiedlichen Temperatur-Ausdehnungskoeffizien­ ten zwischen den flexiblen Schichten und dem zuleitungsfreien keramischen Chipträger partiell ausgeglichen werden.

Die vielschichtigen flexiblen Verbindungsteile sind in einer Vielfalt von Größen und mit einer Vielfalt von Leitermustern im Handel von vielen Quellen erhältlich. Eine solche Quelle ist die Tech Etch Company aus Plymouth, MA.

Die Schnittansicht der Fig. 3 veranschaulicht die Art und Weise, in der die Kupferbahnen des flexiblen Leitungsteils an den Verbindungsflecken bzw. -anschlußstellen auf der Flüssig­ kristallanzeige befestigt sind. In Fig. 3 sind Anschlußteile 41 für die Adreßleitungen auf der Oberfläche des Flüssigkri­ stall-Substrates 40 abgeschieden. Die Anschlußteile 41 be­ stehen üblicherweise aus einer Molybdän-Titan-Legierung. Um das Löten der Anschlußteile zu erleichtern, wird eine drei­ schichtige metallische Verbindungsstruktur über dem Anschluß­ teil 41 abgeschieden. Als erstes scheidet man direkt über dem Anschlußteil eine Chromschicht 42 ab, die auch die Oberfläche des Glassubstrates kontaktiert. Chrom ist ein Metall, das gut an Glas haftet. Eine Schicht aus porösem Nickel 43 wird über der Chromschicht abgeschieden, und eine Silberschicht 44, die vom Zinnlötmittel leicht benetzbar ist, scheidet man über dem Nickel ab. Die Silberschicht ist somit leicht von dem Lötmittelwulst 45 benetzbar, der auf der freigelegten Kupfer­ bahn abgeschieden wird. Das flexible Verbindungsteil, das allgemein mit 46 bezeichnet ist, besteht aus drei isolieren­ den Kaptonschichten 47, 48 und 49, die durch Klebstoff und die Kupferbahnenschicht 50 sowie die Kupferabschirmungsschicht 51 voneinander getrennt sind. Die untere und mittlere Kapton­ schicht 48 und 49 sowie die Kupferabschirmungsschicht 51 sind zurückgesetzt, um den Lötmittelwulst 45 mit der mehrschichti­ gen Struktur 41 bis 44 des Anschlußteiles auszurichten.

Die Kaptonschichten können unter Verwendung geeigneter Poly­ imid-Ätzmittel/Lösungsmittel entfernt werden, wobei ein basi­ sches Ätzmittel bevorzugt ist. Die Kupferabschirmungsschicht 51 kann unter Verwendung einer FeCl₃- oder verdünnten HCl- Lösung entfernt werden.

Die flexible Schicht wird über der Anschlußstellenstruktur 41 bis 44 angeordnet, wobei der Lötmittelwulst 45, der entweder eine Lötmittelpaste oder ein Lötmittelband sein kann, mit dem Anschlußkissen in Berührung steht. Das Lötmittel wird durch IR-Strahlung oder einen Laserstrahl erhitzt, der das Lötmittel rasch schmelzen läßt, woraufhin dieses die Silberschicht 44 auf dem Anschlußkissen benetzt. Beim Abkühlen wird eine feste Lötverbindung zwischen der Anschlußstelle und der Kupferbahn 50 gebildet.

Fig. 4 zeigt eine ebene Ansicht der Unterseite eines kerami­ schen zuleitungsfreien Chipträgers 51 und veranschaulicht die Art und Weise, in der der Chipträger mit den leitenden Kupfer­ bahnen des flexiblen Verbindungsteiles verbunden ist. Die in Fig. 4 gezeigte Unterseite eines Chipträgers 51 weist eine Vielzahl von leitenden Anschlußstellen 52 auf, die um die Peripherie herum verteilt sind. Ein flexibles Verbindungsteil 53 ist mit der unteren Kaptonschicht 54, der Kupfer-Abschir­ mungsschicht 55 und der mittleren Kaptonschicht 56 weggebro­ chen dargestellt, um die mehreren Kupferbahnen 57 freizulegen, die einzeln mit den leitenden Anschlußstellen 52 auf dem zulei­ tungsfreien Chipträger verbunden sind. Die einzelnen Kupfer­ bahnen 57 sind mittels eines geeigneten Lötmittels, wobei ein Zinn/Blei-Lötmittel bevorzugt ist, mit den leitenden An­ schlußstellen 52 verlötet.

Eine Ausdehnungsstelle 58 wird in die obere Kaptonschicht ge­ ätzt und befindet sich zwischen Kupferleitern 57. Die Ausdeh­ nungsstellen in Form geätzter Fenster 58 gestatten die Bewe­ gung der Lötstelle und minimieren bzw. beseitigen die Span­ nung, die aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten von Kapton, der Kupferbahnen und des zulei­ tungsfreien Chipträgers auf die Lötstelle wirken. Obwohl in Fig. 4 nur eine einzelne geätzte Ausdehnungsstelle 58 gezeigt ist, ist es offensichtlich, daß zwischen den Bahnen mehr als eine solche Ausdehnungsstelle vorgesehen werden kann, um das erwünschte Ergebnis zu erzielen. Außerdem zeigt die Draufsicht der Unterseite des zuleitungsfreien Chipträgers der besseren Übersichtlichkeit halber nur eine relativ geringe Zahl von Kontaktelementen auf jeder Seite. Tatsächlich haben im Handel erhältliche Chipträger eine große Anzahl von Kontaktwülsten. Die Kontaktwülste erstrecken sich durch den Körper des Chip­ trägers hindurch und, wie bekannt, berühren die einzelnen Zu­ leitungen in den Chipträgern, die nach außen sich erstrecken­ de Zuleitungen der im Chipträger montierten Chips sind.

Fig. 5 gibt eine photographische Aufnahme mehrerer Chipträ­ ger wieder, die auf einem flexiblen Verbindungsteil montiert sind, wobei diese Aufnahme im wesentlichen eine Draufsicht der flexiblen Einheit vor dem Verbinden der leitenden Bahnen mit der Flüssigkristallanzeige ist. Das vielschichtige flexib­ le Verbindungsteil ist allgemein mit 60 bezeichnet und weist mehrere daran befestigte Chipträger 64 auf. Die einzelnen lei­ tenden Bahnen 62 des flexiblen Verbindungsteils sind an die nicht dargestellten auf der Seite und am Boden der Träger be­ findlichen leitenden Anschlüsse gelötet. Die Chipträger sind ohne die Kappen gezeigt, die sie hermetisch abdichten, so daß die inneren Kammern 63 erkennbar sind, in denen die Treiber oder andere elektronische Schaltungschips montiert sind. Eine Vielzahl von Verbindungsleitungen 64 ist auf der Oberfläche der Kammern 63 abgeschieden. Die inneren Enden jeder Zuleitung können mit den äußeren Zuleitungen der Schaltungschips, die in der Kammer montiert sind, verbunden werden. Die anderen Enden dieser Zuleitungen erstrecken sich durch den Körper des Chipträgers und berühren die leitenden Anschlüsse an den Sei­ ten und am Boden des Chipträgers.

Eine geringe Verformung des flexiblen Verbindungsteils unter dem Chipträger sorgt für eine Beseitigung von Spannungen zwi­ schen den Lotmittelwülsten auf den gegenüberliegenden Seiten und über die Ecken.

In Fig. 5 ist auch ein Abschnitt des flexiblen Verbindungs­ teiles ersichtlich, das zur Montage eines Chipträgers vorbe­ reitet worden ist. Die obere Kaptonschicht des flexiblen Ver­ bindungsteiles wurde weggeätzt, um einen Bereich 65 sowie eine Vielzahl von leitenden Bahnen freizulegen. Das Ende jeder Bahn im freigelegten Bereich 65 weist einen Lotmittelwulst 66 auf, der vorzugsweise aus einer darauf abgeschiedenen Zinn­ legierung als Lötmittel besteht. Die Lotmittelwulste stehen in Berührung mit den leitenden Anschlußstellen am Boden des Chipträgers, wenn ein Chipträger im Bereich 65 montiert ist. Die Lotmittelwülste werden dann zur Herstellung einer Lot­ verbindung zwischen den Lotmittelwülsten 66 und den leitenden Anschlußstellen auf dem Chipträger erhitzt.

Die vorliegende Erfindung schafft ein sehr raumeffektives, kompaktes Verbindungs- und Verpackungssystem für eine Flüssig­ kristallanzeige in Form einer flachen Platte, wobei ein fle­ xibles mehrschichtiges Verbindungsteil benutzt wird, das die Treiberelektronik trägt, wobei das flexible Verbindungsteil senkrecht zum Anzeigeelement gebogen ist, wodurch ein wirksa­ mer Gebrauch des verfügbaren Raumes um die Anzeige herum er­ möglicht wird. Da das flexible Verbindungsteil senkrecht zur Anzeigenoberfläche angeordnet ist, erhält man einen minimalen Vorderbereich und eine minimale Grenze für die Anzeige, was den Anzeigebereich maximiert und die Gesamtgröße minimiert.

Claims (6)

1. Flüssigkristallanzeige-Anordnung mit

• a) einem flachen plattenförmigen Flüssigkristallan­ zeigeelement (10) mit mehreren Flüssigkristall­ zellen, die in einer X-Y-Matrix angeordnet sind, wobei sich Anschlußstellen für die Matrix zur Kan­ te der Anzeigeelemente hin erstrecken,
• b) einem mehrschichtigen flexiblen Verbindungsteil mit mindestens einer Schicht mit mehreren leitenden Bahnen und mindestens zwei flexiblen Isolations­ schichten auf jeder der Bahnenschichten,
• c) mindestens einem Chipträger, der einen elektroni­ schen Chip zur Lieferung von Signalen an das An­ zeigeelement trägt,
• d) einer Einrichtung zum Verbinden der genannten Chips in dem Chipträger mit den leitenden Bahnen,
• e) einer Einrichtung zum Verbinden des flexiblen Ver­ bindungsteiles mit mindestens einer Kante des An­ zeigeelementes, wobei die leitenden Bahnen des Ver­ bindungsteiles einzeln mit den Verbindungsstellen der Matrix an der Kante der Anzeige verbunden wer­ den und
• f) das flexible Verbindungsteil aus der Ebene der An­ zeige über den Verbindungspunkt mit den Verbindungs­ stellen hinaus gebogen wird, wodurch der durch das Anzeigelement und das Verbindungsteil eingenommene Raum minimiert wird.

2. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, worin flexib­ le, chiptragende Verbindungsteile mit jeder Kante des Anzeigeelementes verbunden sind.

3. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, worin das flexible Verbindungsteil im wesentlichen im rechten Winkel zur Ebene des Anzeigeelementes gebogen ist.

4. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 2, worin alle flexiblen, chiptragenden Verbindungen im wesentlichen in rechten Winkeln mit Bezug auf die Ebene des Anzeige­ elementes gebogen sind.

5. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, worin der Chipträger ein zuleitungsloser Träger mit Anschluß­ stellen auf den äußeren Oberflächen ist, wobei von dem flexiblen Verbindungsteil ein Abschnitt der isolieren­ den Schicht entfernt ist, um die leitenden Bahnen freizulegen, und mit einer Einrichtung zum Verbinden der leitenden Bahnen mit den Anschlußstellen auf dem Chipträger.

6. Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1 mit Chipträgern- Zuleitungen.