LCD Driver IC测试方法及其挑战
(华强电子世界网讯) LCD显示器件在中国已有二十多年的发展历程，已经从最初的以数字显示为主转变为以点阵字符、图形显示为主。LCD显示设备以其低电压驱动、微小功耗、能够与CMOS电路和LSI直接匹配、具有极薄的扁平结构、可以在极亮的环境光下使用、工艺简单等等特点成为了极有发展前景的显示器件。
LCD显示器件种类繁多、发展迅速，从种类到原理、从结构到效应、从使用方式到应用范围差异很大，从测试原理上来说也就会有一些不同，目前比较常用的是STN和TFT的LCD显示器件。由于色彩表现能力、反应/刷新时间、视角等因素的限制，STN已经退出了大屏幕LCD器件的市场。不过由于彩屏手机、PDA市场的拓广，STN器件凭借其结构简单，技术要求不高，而且投资成本低等特点目前依然占有相当的市场份额。TFT型的LCD器件通过晶体管可以迅速地控制每个单元，由于各单元之间的电干扰很小，所以在使用大电流驱动时也不会有虚影和拖尾现象。较大的电流能提供更高的对比度、更锐利和更明亮的图像。
为了使LCD设备工作，必须用到LCD Driver芯片，图1中所示的是比较常见的LCD 器件的工作原理，当然也有许多厂商将这些部件集合在一起，称为LCD显示模块，但在生产设计时LCD Driver芯片依然是一个独立的部件。并且它的模拟输出直接驱动显示面板，因而LCD Driver IC的品质是液晶显示效果的决定性因素，因此出厂前必须经过严格的测试。由于这类IC具有大量高密度模拟输出引脚、低电压高频输入信号等特征，对于测试环境也是一个不小的考验，而且这种IC发展迅速，测试环境必须有一定的裕量，只有选择合适高效的测试系统才能够节约成本，提高生产效率。
由于STN并不是发展的趋势和主流，后文中我们将主要针对TFT的LCD Driver IC来谈谈此类IC的测试方法。
为了驱动TFT的液晶显示器需要使用Gate Driver 和Source Driver两种Driver IC，其中Source Driver负责提供列上各色素点的驱动电压，而Gate Driver控制每一行像素的选通状态。TFT Driver IC的难点主要是在于Source Driver IC的设计开发和测试。
LCD Driver的测试方法
和普通的IC一样，LCD Driver IC在生产过程中同样需要两次以上的测试，只不过由于其自身的特点而具有一些特殊的测试项目。
一般来说，LCD Driver IC会执行以下的一些测试项目：
（1） 参考电压源的动态电流测试（芯片处于运行状态）
主要是测试参考电压源引脚在芯片运作时的电流消耗，由于只是作为D/A转换时的基准电源，因此这个电流通常应当不大。
（2） 功能测试
用于检验IC能否完成应当具备的功能，例如：接受RGB输入并输出合适的驱动电压，选通进入特定的工作模式等。和一般逻辑IC测试的方法一样，需要使用Pattern程序为IC提供输入信号，并且检验引脚的输出是否和期待值相符和。
（3） DC参数测试（VSIM / ISVM）
测定IC的一些具体的电流、电压参数。例如：各引脚的漏电流、输入/输出的电压电流等等，通常需要使用DC（直流参数测试部件）或HVDC（高压直流参数测试部件）进行测试。
（4） Contact测试（联接完好性测试）
和一般IC的测试步骤一样，这是芯片测试时首先要进行的测试项目，电源引脚、参考电压源引脚、RGB输入和控制信号引脚、以及LCD输出引脚都需要分别进行Contact测试。Contact测试包括短路（Short）和断路（Open）测试两种。测试的方法多种多样，通常都是借助于IC内部的反偏保护二极管进行测试的。
（5） 动态电源电流和平均电源电流测试
用于衡量IC的平均功耗和瞬时功耗，一般情况下TFT Driver IC的功耗比STN的Driver IC 要大一些。另外，许多LCD 器件都有Standby（待机）模式和节能模式，这时就需要使用Pattern程序为IC输入特定的信号选通进入指定的模式，然后再进行电流的测试。
（6） 色阶测试
这是彩色（灰度）LCD Driver IC最重要的测试项目，由液晶器件的显示原理可知，LCD显示器件的色彩表现是通过向LCD面板加不同的电压来实现的，因此测试的方法就是在向IC输入不同RGB信号组合的同时检验IC 驱动引脚的输出电压是否是在预期的范围内来完成测试的，如图2所示。
如果LCD Driver输出的驱动电压精度要求并不高，为了减少测试时间，通常只需要使用LCD-CP（电压比较部件）对所有的输出引脚同时进行测试。此项测试只比较电压高低，不需要测定具体的电压数值。
假如显示色彩的深度比较高，那么驱动电压的测试精度要求就会比较高，那么LCD-CP已经无法满足测试的要求，这时候就需要使用数字采样器（Digitizer）来完成测试。数字采样器的数量将直接关系到测试的时间。
（7） AC参数测试
众所周知，响应/刷新时间是LCD显示器件除了色彩深度以外最重要的指标之一，AC参数测试就是为了对IC的开关特性进行检验。诸如：输出响应时间、输入最小设置/保持时间等，这些都属于AC参数测试的范畴。
（8） LCD输出偏差测试
对于大屏幕的显示器件来说，Driver IC的输出引脚数量巨大，要求各引脚在同样的RGB数据输入时的输出电压偏差不能太大，否则在显示时就会有各像素显示颜色不一致的现象，而且这些显示器件通常需要使用多枚IC同时进行驱动，那么就会要求这些IC在同一RGB输入数据下的输出电压也要尽量一致，如图3所示。在这种情况下，就必须对各引脚在不同RGB输入时的输出电压分别测定实际的电压数据，然后进行输出偏差、极限值、平均值等等相关计算。
假设被测的是256色、384 LCD输出且具有Dot 翻转功能的IC，那么由公式可得需要测试的电压值个数为：
256（颜色深度）ｘ384（pin数）ｘ2(Dot 翻转) ＝196,608
一般的DC测试部件的测试时间为几到几十个uS，由此可知测试时间将会比较长。如果IC的色彩深度高一些的话（65535色），测试时间根本无法让人接受，因此在进行此类测试时需要使用数字采样器（Digitizer）来连续地进行电压采样，这样就可以在很短的时间进行此项繁复的测试了。在这种情况下，由于LCD输出引脚数量很大，可以同时进行电压采样的数字采样器的数量与所需的测试时间成反比，增加同步工作的数字采样器的数量将会节约测试时间，大幅降低IC的相对生产成本，但是另一方面，数字采样器数量的提升会引起测试系统成本的上升，因此适当地将每几个LCD输出通道配备一个数字采样器是一个折中的解决方案，例如Advantest的T6371测试系统就是使用每八个LCD输出引脚配备一个数字采样器的配置方法。
另外，由于需要采样数据量巨大，数据运算也需要一定的时间，如果在数据采样的同时能够进行数据运算的工作的话，将大大缩短测试时间。目前这种工作方式在T6371测试系统上已经通过Double-bank AQM的构架实现。
（9） 其他
当然，由于各种LCD 器件差异、生产厂商的不同，以及IC内部构架的不同，各种LCD Driver IC都会具有一些独特的测试项目，应当根据实际情况选择测试项目。
LCD Driver IC的特点对测试系统提出的挑战
图4为常见LCD Driver IC的引脚分布：
LCD Driver IC的输出引脚数量很大
虽然LCD显示器件规格的不断扩大（>17 inch），但是行列驱动芯片的数量却基本上不变，这使得单个IC的LCD 驱动引脚的数目也就愈来愈多，许多LCD Driver IC的驱动引脚数已经达到700以上，参见下表，QXGA所需的LCD Driver输出引脚数目的计算公式为：
QXGA 2048（Pixel）×3（RGB）÷8（IC）＝768（Pin）。
SVGA ( 800 x 600 )
XGA ( 1024 x 768 ) 10.4”~15”
SXGA ( 1280 x 1024 )
SXGA+ ( 1400 x 1050 ) 15”~17”
UXGA ( 1600 x 1200 ) 17”
QXGA ( 2048 x 1536 ) 19”
这样在测试时就需要有大量的高电压模拟输出测试通道与之相对应，上述QXGA的source driver就要求测试系统单个测试头上的高电压模拟输出测试通道能够达到768或以上。不仅如此，现在有许多单个IC驱动的小屏幕液晶显示器件，由于其行列信号都由单个IC提供，假设是240×180彩色显示，需要的LCD输出引脚就需要240×3＋180＝900个，因此对测试来说是一个比较大的挑战。
对于测试系统来说，一方面要对应于LCD Driver IC的特点而具备高精度、高频、低振幅电压的供给能力和海量的模拟输出引脚同时测试的功能。由于LCD Driver IC的驱动输出数可能会超过700个，那么就要求测试系统的单个测试头上具有700个以上甚至是1000个以上的模拟输出测试通道。
此外，LCD Driver IC发展至今，由于其引脚密集度极高的特点，当点阵液晶显示器件为640×480甚至高于640×3×480时，或者LCD驱动IC的引脚超过200个以上时，封装形式只能采用特殊的方式，常用的为TCP、COG、COF等，此时，后道测试时使用的Handler就必须选择专用的TCP Handler。
RGB输入为高频低振幅电压
随着对显示器屏幕尺寸要求的提高，为了保证显示器的刷新频率，对LCD Driver的RGB数字数据输入信号的频率也不断提出更高的要求。
由于LCD面板Pixel数目越来越多，RGB的输入信号通常都采用200 mVp-p（甚至是100mVp-p）的高频低振幅电压进行驱动以提高传输速度，因此测试系统必须能够提供高精度的波形输入部件为RGB输入引脚输入波形。
缩短测试时间
前面也已经提到，LCD Driver IC的LCD驱动引脚数目巨大，而且各色阶的驱动电压（模拟电压）都必须分别进行测定，因此测试时间会比较长，怎样提高测试效率，缩短测试时间是直接关系到厂商利益的焦点。
由于需要对中高端的LCD Driver IC（例如：TFT Source Driver IC）输出引脚的电压进行偏差分析、极限值分析
LCD显示器件种类繁多、发展迅速，从种类到原理、从结构到效应、从使用方式到应用范围差异很大，从测试原理上来说也就会有一些不同，目前比较常用的是STN和TFT的LCD显示器件。由于色彩表现能力、反应/刷新时间、视角等因素的限制，STN已经退出了大屏幕LCD器件的市场。不过由于彩屏手机、PDA市场的拓广，STN器件凭借其结构简单，技术要求不高，而且投资成本低等特点目前依然占有相当的市场份额。TFT型的LCD器件通过晶体管可以迅速地控制每个单元，由于各单元之间的电干扰很小，所以在使用大电流驱动时也不会有虚影和拖尾现象。较大的电流能提供更高的对比度、更锐利和更明亮的图像。
为了使LCD设备工作，必须用到LCD Driver芯片，图1中所示的是比较常见的LCD 器件的工作原理，当然也有许多厂商将这些部件集合在一起，称为LCD显示模块，但在生产设计时LCD Driver芯片依然是一个独立的部件。并且它的模拟输出直接驱动显示面板，因而LCD Driver IC的品质是液晶显示效果的决定性因素，因此出厂前必须经过严格的测试。由于这类IC具有大量高密度模拟输出引脚、低电压高频输入信号等特征，对于测试环境也是一个不小的考验，而且这种IC发展迅速，测试环境必须有一定的裕量，只有选择合适高效的测试系统才能够节约成本，提高生产效率。
由于STN并不是发展的趋势和主流，后文中我们将主要针对TFT的LCD Driver IC来谈谈此类IC的测试方法。
为了驱动TFT的液晶显示器需要使用Gate Driver 和Source Driver两种Driver IC，其中Source Driver负责提供列上各色素点的驱动电压，而Gate Driver控制每一行像素的选通状态。TFT Driver IC的难点主要是在于Source Driver IC的设计开发和测试。
LCD Driver的测试方法
和普通的IC一样，LCD Driver IC在生产过程中同样需要两次以上的测试，只不过由于其自身的特点而具有一些特殊的测试项目。
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一般来说，LCD Driver IC会执行以下的一些测试项目：
（1） 参考电压源的动态电流测试（芯片处于运行状态）
主要是测试参考电压源引脚在芯片运作时的电流消耗，由于只是作为D/A转换时的基准电源，因此这个电流通常应当不大。
（2） 功能测试
用于检验IC能否完成应当具备的功能，例如：接受RGB输入并输出合适的驱动电压，选通进入特定的工作模式等。和一般逻辑IC测试的方法一样，需要使用Pattern程序为IC提供输入信号，并且检验引脚的输出是否和期待值相符和。
（3） DC参数测试（VSIM / ISVM）
测定IC的一些具体的电流、电压参数。例如：各引脚的漏电流、输入/输出的电压电流等等，通常需要使用DC（直流参数测试部件）或HVDC（高压直流参数测试部件）进行测试。
（4） Contact测试（联接完好性测试）
和一般IC的测试步骤一样，这是芯片测试时首先要进行的测试项目，电源引脚、参考电压源引脚、RGB输入和控制信号引脚、以及LCD输出引脚都需要分别进行Contact测试。Contact测试包括短路（Short）和断路（Open）测试两种。测试的方法多种多样，通常都是借助于IC内部的反偏保护二极管进行测试的。
（5） 动态电源电流和平均电源电流测试
用于衡量IC的平均功耗和瞬时功耗，一般情况下TFT Driver IC的功耗比STN的Driver IC 要大一些。另外，许多LCD 器件都有Standby（待机）模式和节能模式，这时就需要使用Pattern程序为IC输入特定的信号选通进入指定的模式，然后再进行电流的测试。
（6） 色阶测试
这是彩色（灰度）LCD Driver IC最重要的测试项目，由液晶器件的显示原理可知，LCD显示器件的色彩表现是通过向LCD面板加不同的电压来实现的，因此测试的方法就是在向IC输入不同RGB信号组合的同时检验IC 驱动引脚的输出电压是否是在预期的范围内来完成测试的，如图2所示。
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如果LCD Driver输出的驱动电压精度要求并不高，为了减少测试时间，通常只需要使用LCD-CP（电压比较部件）对所有的输出引脚同时进行测试。此项测试只比较电压高低，不需要测定具体的电压数值。
假如显示色彩的深度比较高，那么驱动电压的测试精度要求就会比较高，那么LCD-CP已经无法满足测试的要求，这时候就需要使用数字采样器（Digitizer）来完成测试。数字采样器的数量将直接关系到测试的时间。
（7） AC参数测试
众所周知，响应/刷新时间是LCD显示器件除了色彩深度以外最重要的指标之一，AC参数测试就是为了对IC的开关特性进行检验。诸如：输出响应时间、输入最小设置/保持时间等，这些都属于AC参数测试的范畴。
（8） LCD输出偏差测试
对于大屏幕的显示器件来说，Driver IC的输出引脚数量巨大，要求各引脚在同样的RGB数据输入时的输出电压偏差不能太大，否则在显示时就会有各像素显示颜色不一致的现象，而且这些显示器件通常需要使用多枚IC同时进行驱动，那么就会要求这些IC在同一RGB输入数据下的输出电压也要尽量一致，如图3所示。在这种情况下，就必须对各引脚在不同RGB输入时的输出电压分别测定实际的电压数据，然后进行输出偏差、极限值、平均值等等相关计算。
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假设被测的是256色、384 LCD输出且具有Dot 翻转功能的IC，那么由公式可得需要测试的电压值个数为：
256（颜色深度）ｘ384（pin数）ｘ2(Dot 翻转) ＝196,608
一般的DC测试部件的测试时间为几到几十个uS，由此可知测试时间将会比较长。如果IC的色彩深度高一些的话（65535色），测试时间根本无法让人接受，因此在进行此类测试时需要使用数字采样器（Digitizer）来连续地进行电压采样，这样就可以在很短的时间进行此项繁复的测试了。在这种情况下，由于LCD输出引脚数量很大，可以同时进行电压采样的数字采样器的数量与所需的测试时间成反比，增加同步工作的数字采样器的数量将会节约测试时间，大幅降低IC的相对生产成本，但是另一方面，数字采样器数量的提升会引起测试系统成本的上升，因此适当地将每几个LCD输出通道配备一个数字采样器是一个折中的解决方案，例如Advantest的T6371测试系统就是使用每八个LCD输出引脚配备一个数字采样器的配置方法。
另外，由于需要采样数据量巨大，数据运算也需要一定的时间，如果在数据采样的同时能够进行数据运算的工作的话，将大大缩短测试时间。目前这种工作方式在T6371测试系统上已经通过Double-bank AQM的构架实现。
（9） 其他
当然，由于各种LCD 器件差异、生产厂商的不同，以及IC内部构架的不同，各种LCD Driver IC都会具有一些独特的测试项目，应当根据实际情况选择测试项目。
LCD Driver IC的特点对测试系统提出的挑战
图4为常见LCD Driver IC的引脚分布：
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LCD Driver IC的输出引脚数量很大
虽然LCD显示器件规格的不断扩大（>17 inch），但是行列驱动芯片的数量却基本上不变，这使得单个IC的LCD 驱动引脚的数目也就愈来愈多，许多LCD Driver IC的驱动引脚数已经达到700以上，参见下表，QXGA所需的LCD Driver输出引脚数目的计算公式为：
QXGA 2048（Pixel）×3（RGB）÷8（IC）＝768（Pin）。
SVGA ( 800 x 600 )
XGA ( 1024 x 768 ) 10.4”~15”
SXGA ( 1280 x 1024 )
SXGA+ ( 1400 x 1050 ) 15”~17”
UXGA ( 1600 x 1200 ) 17”
QXGA ( 2048 x 1536 ) 19”
这样在测试时就需要有大量的高电压模拟输出测试通道与之相对应，上述QXGA的source driver就要求测试系统单个测试头上的高电压模拟输出测试通道能够达到768或以上。不仅如此，现在有许多单个IC驱动的小屏幕液晶显示器件，由于其行列信号都由单个IC提供，假设是240×180彩色显示，需要的LCD输出引脚就需要240×3＋180＝900个，因此对测试来说是一个比较大的挑战。
对于测试系统来说，一方面要对应于LCD Driver IC的特点而具备高精度、高频、低振幅电压的供给能力和海量的模拟输出引脚同时测试的功能。由于LCD Driver IC的驱动输出数可能会超过700个，那么就要求测试系统的单个测试头上具有700个以上甚至是1000个以上的模拟输出测试通道。
此外，LCD Driver IC发展至今，由于其引脚密集度极高的特点，当点阵液晶显示器件为640×480甚至高于640×3×480时，或者LCD驱动IC的引脚超过200个以上时，封装形式只能采用特殊的方式，常用的为TCP、COG、COF等，此时，后道测试时使用的Handler就必须选择专用的TCP Handler。
RGB输入为高频低振幅电压
随着对显示器屏幕尺寸要求的提高，为了保证显示器的刷新频率，对LCD Driver的RGB数字数据输入信号的频率也不断提出更高的要求。
由于LCD面板Pixel数目越来越多，RGB的输入信号通常都采用200 mVp-p（甚至是100mVp-p）的高频低振幅电压进行驱动以提高传输速度，因此测试系统必须能够提供高精度的波形输入部件为RGB输入引脚输入波形。
缩短测试时间
前面也已经提到，LCD Driver IC的LCD驱动引脚数目巨大，而且各色阶的驱动电压（模拟电压）都必须分别进行测定，因此测试时间会比较长，怎样提高测试效率，缩短测试时间是直接关系到厂商利益的焦点。
由于需要对中高端的LCD Driver IC（例如：TFT Source Driver IC）输出引脚的电压进行偏差分析、极限值分析