【導(dǎo)讀】液晶顯示器(LCD)在診斷型醫(yī)療中的應(yīng)用日益頻繁，盡管LCD監(jiān)視器與陰極射線管監(jiān)視器相比具有很多優(yōu)勢，但是(COG)技術(shù)是LCD設(shè)計(jì)的替代方法，在該技術(shù)中LCD驅(qū)動器直接安裝在顯示玻璃上，可為醫(yī)療應(yīng)用提供成本和設(shè)計(jì)優(yōu)勢。
液晶顯示器(LCD)醫(yī)療成像技術(shù)所取得的進(jìn)展使其在診斷型醫(yī)療圖像查看中的應(yīng)用日益頻繁。然而，盡管LCD監(jiān)視器與陰極射線管監(jiān)視器相比具有很多優(yōu)勢，但價(jià)格依然是醫(yī)療專業(yè)人員選擇設(shè)備時考慮的因素之一。醫(yī)療保健整體成本的持續(xù)上升使得盡可能降低設(shè)備成本的需求越來越迫切。
對于需要LCD顯示器的系統(tǒng)，一種典型的設(shè)計(jì)思路是將顯示玻璃以及驅(qū)動顯示的集成電路直接安裝在印刷電路板(PCB)上。但是，采用這種方法，PCB設(shè)計(jì)會變得復(fù)雜且空間緊張。為了解決這一難題，恩智浦開發(fā)出了一種(COG)LCD驅(qū)動方式，將集成電路直接安裝在顯示玻璃上，從而降低了系統(tǒng)成本。COG是一種非常可靠和成熟的技術(shù)，在汽車行業(yè)中經(jīng)常使用。
醫(yī)療成像中LCD顯示器的使用
醫(yī)藥行業(yè)對于圖像顯示的需求是巨大的，這里僅列舉少數(shù)幾個例子：數(shù)字X 光、CT、MRI以及超聲波等技術(shù)。在微創(chuàng)手術(shù)等需要成像為醫(yī)生提供指引的領(lǐng)域 中，技術(shù)進(jìn)步同樣會增加更多顯示需求。隨著LCD技術(shù)不斷取得進(jìn)步，醫(yī)療領(lǐng)域中 數(shù)字成像技術(shù)正在取代基于模擬技術(shù)的陰極射線管監(jiān)視器。相比于CRT，LCD監(jiān)視 器具有許多優(yōu)勢，其中包括：圖像更清晰銳利、眼部疲勞少、使用壽命更長、空間 效率高、省電效率高、輻射少、重量更輕以及產(chǎn)品整體質(zhì)量更好。妨礙該技術(shù)快速 普及的因素是價(jià)格。
隨著對設(shè)備便攜性的要求越來越高，降低成本的壓力也隨之增加。便攜式設(shè)備可讓醫(yī)療資源的使用更高效，甚至能做到居家護(hù)理。然而，為使便攜式設(shè)備適合家庭使用，它必須有一個合理的價(jià)位。因此，制造商必須找到盡可能降低成本的方法。削減成本的一種方法是使用創(chuàng)新的LCD設(shè)計(jì)技術(shù)——“”(COG)。而目前制造商經(jīng)常通過PCB將帶有LCD驅(qū)動器的集成電路與物理顯示相連的方式來實(shí)施LCD，COG技術(shù)卻是另一種設(shè)計(jì)思路，它將LCD驅(qū)動器直接安裝在顯示玻璃上。這樣所造成的總體影響就是系統(tǒng)成本的降低。
圖1：兩種方案的說明
COG的意義
當(dāng)前的表面貼裝技術(shù)（將密封的LCD驅(qū)動器集成電路通過PCB與 物理顯示器相連）是優(yōu)秀的機(jī)械解決方案，但需要更復(fù)雜以及空 間更緊張的PCB設(shè)計(jì)。
不同思路的COG技術(shù)（LCD驅(qū)動器直接安裝在顯示玻璃上）可降 低PCB上的線路和層數(shù)（削減電路板尺寸，降低復(fù)雜程度）且無 需集成電路封裝。（兩種方案的說明見圖1。）
采用COG可降低系統(tǒng)成本，但需要IC和LCD模塊生產(chǎn)商之間密切 的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)合作。恩智浦支持COG應(yīng)用，與全球主要LCD模塊 生產(chǎn)商保持著良好的關(guān)系，并得益于超過10年為COG應(yīng)用設(shè)計(jì) LCD驅(qū)動器的經(jīng)驗(yàn)。
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理解傳統(tǒng)的表面貼裝方式
在表面貼裝方式中，生產(chǎn)商將顯示器與顯示驅(qū)動器直接安裝在印 刷電路板上。固定引腳或彈性連接器(ZEBRA)均可連接顯示器與 印刷電路板。采用最高240區(qū)段的LCD段驅(qū)動器，在復(fù)用1:4模式 下，該方案無論在顯示驅(qū)動器與PCB之間、或PCB與顯示器之間 均可獲得最高64路連接。（見圖2，采用128區(qū)段顯示和36路連接 的實(shí)例。）
圖2：采用128區(qū)段顯示和36路連接的實(shí)例
圖3表示采用彈性連接器(ZEBRA)的SMD LCD結(jié)構(gòu)。 SMD顯示器由LCD單元和一 個夾住LCD單元并將其固定在彈性連接器 (ZEBRA)上的金屬或塑料擋板組成， 該SMD顯示器隨即與PCB上的線路接觸。 ZEBRA連接器由經(jīng)隔離段改造的細(xì)間距導(dǎo)電段組成， 嵌入兩條隔離條之間。 金屬或塑料擋板稍微緊貼ZEBRA， 以確保LCD和PCB之間的接觸穩(wěn)固。
圖3：以圖形表示采用彈性連接器的SMD LCD
與眾不同的COG概念
COGLCD模塊包括：
• 一塊顯示玻璃，代表活動顯示區(qū)域。
• 顯示玻璃周圍的密封圈，保護(hù)并密封顯示玻璃。
• 接觸凸緣，為LCD驅(qū)動器IC提供空間
LCD驅(qū)動器IC自身能產(chǎn)生顯示控制和驅(qū)動信號。Flex面板連接器 (FPC)將顯示驅(qū)動器IC與系統(tǒng)微控制器相連（見圖4）。
液晶顯示器由兩塊玻璃基板以及夾在它們之間的液晶組成，結(jié)構(gòu) 類似三明治。為了建立COG模塊，組成LCD的兩塊玻璃板中，有一 塊必須擴(kuò)大面積以便有足夠空間安裝LCD驅(qū)動器并提供連接（見 圖4和圖5）。玻璃表面的銦錫氧化物(ITO)電極通過各向異性導(dǎo)電 膜(ACF)連接到安裝在驅(qū)動器IC連接焊盤上的鍍金晶圓，以接通顯 示器。
圖4：COG LCD模塊
圖5：以圖形表示的COG LCD模塊
COG方案可增加LCD模塊的設(shè)計(jì)靈活性，這主要體現(xiàn)在以下幾方面：
• 對于COG，使用開放式顯示驅(qū)動器IC（無封裝的顯示驅(qū)動器）就 足夠了；唯一的要求是顯示驅(qū)動器IC必須有鍍金晶圓以便與LCD 玻璃上的銦錫氧化物線路相接觸。
• LCD驅(qū)動器IC可以位于活動顯示區(qū)域的任意一側(cè)。這種靈活性可 讓LCD驅(qū)動器IC位于面積較小的一側(cè)，以便最小化所需的接觸凸 緣區(qū)域，降低成本。
• COG技術(shù)允許幾個LCD驅(qū)動器IC在接觸凸緣上級聯(lián)，以滿足驅(qū)動 更大顯示分辨率的需要。
• COG技術(shù)允許在任意最合適的位置將顯示器與PCB相連，甚至 離開微控制器一段距離。
圖6：COG與表面貼裝設(shè)備的對比
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COG與SMD方案設(shè)計(jì)難度的對比
采用SMD方案，顯示器與顯示驅(qū)動器直接貼裝在PCB上（見圖6）。采用COG方案，則顯示驅(qū)動器貼裝在顯示模塊上，并通過Flex面板連接器(FPC)連接到PCB。
2種系統(tǒng)所需的器件列于表1。雖然COG方案確實(shí)需要額外的玻璃表面積，但它可提供未來升級的靈活性并同時降低PCB區(qū)域和所需的連接數(shù)量。兩種方式設(shè)計(jì)與難度的不同之處總結(jié)于表2。
表1：器件
表2：兩種方式設(shè)計(jì)與難度的不同之處總結(jié)于表
COG方案對比SMD方案所具有的成本優(yōu)勢
決定COG或SMD顯示方案成本的是4個關(guān)鍵元件。它們包括：
• 印刷電路板
• LCD驅(qū)動器
• 顯示玻璃
• 用料與組裝
下面將詳細(xì)敘述每個元件，表3提供了兩種方案的成本對比。
表3：關(guān)鍵元件成本對比匯總
印刷電路板：PCB是主要的成本支出項(xiàng)；PCB越大、越復(fù)雜（層數(shù)、過孔數(shù)），則越昂貴。通過將SMD LCD模塊換成COG LCD模 塊，顯示模塊和顯示驅(qū)動器就可以從PCB上移除，節(jié)省電路板區(qū) 域并降低它的復(fù)雜程度。電路板面積減小與復(fù)雜度下降有助于 降低整體系統(tǒng)成本。
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LCD驅(qū)動器：LCD驅(qū)動器也是成本開支的一項(xiàng)主要因素。驅(qū)動器成本的很大一部分來源于它的封裝。如果將封閉式LCD驅(qū)動器換成開放式LCD驅(qū)動器，就以節(jié)省一筆可觀的費(fèi)用（見圖7）。（圖7中未反映出COG LCD模塊所需的額外鍍金晶圓成本支出。）
圖7：以顯示零件總數(shù)計(jì)算的封裝成本在總顯示驅(qū)動器成本中所占的比重
此外，更多的封裝引腳數(shù)將導(dǎo)致封裝成本迅速上升（見圖8）。
結(jié)論：當(dāng)單個封裝導(dǎo)致的顯示零件數(shù)目增加時，每個顯示零件的封裝成本便增加（見圖9）
圖8：以引腳數(shù)目計(jì)算的封裝成本
圖9：以顯示零件總數(shù)計(jì)算的每個顯示零件的封裝成本
顯示玻璃：顯示玻璃是另一個對LCD模塊成本有主要影響的項(xiàng)目，LCD驅(qū)動器IC。該額外面積在很大程度上取決于驅(qū)動器IC的物理尺直接與顯示面積成正比。COG方案需要額外的玻璃面積以容納LCD驅(qū)動器IC。該額外面積在很大程度上取決于驅(qū)動器IC的物理尺寸以及LCD單元的長寬尺寸。理想的驅(qū)動器IC設(shè)計(jì)是長度最大，寬度最小。這種長而窄的驅(qū)動器IC所占的額外玻璃面積較小。恩智浦設(shè)計(jì)的大部分COG LCD驅(qū)動器IC都以此為標(biāo)準(zhǔn)——長而窄以降低玻璃成本（見圖10）。
圖10：所需的顯示面積取決于驅(qū)動器IC的尺寸
為了更進(jìn)一步降低成本，顯示驅(qū)動器IC應(yīng)始終放置在活動顯示區(qū) 域較小的一側(cè)（見圖11）。為使顯示驅(qū)動器的位置具有完全的靈活 性，理想的顯示驅(qū)動器IC在兩側(cè)都有背板輸出。恩智浦設(shè)計(jì)的所有 最新COG顯示驅(qū)動器IC都以此為標(biāo)準(zhǔn)——雙側(cè)背板輸出，IC長邊的 每一側(cè)都有一塊背板（見圖12）。
圖11：顯示驅(qū)動器IC在顯示器上的放置
圖12：恩智浦COG顯示驅(qū)動器上的背板位置示例
用料與組裝：談到用料和組裝，COG LCD解決方案比SMD LCD解 決方案更為經(jīng)濟(jì)。在COG方案中，無需將LCD單元和LCD驅(qū)動器放 置并焊接到PCB上，避免了這一步的處理成本以及后續(xù)的檢測與驗(yàn) 證的成本。另外，對于SMD方案的用料，需要數(shù)目可觀的連接器（電 源、區(qū)段、背板）以連接PCB和LCD單元（取決于連接到顯示器的連 接器數(shù)目），而在COG方案中，只需要考慮電源和接口引腳。
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成本對比案例
為了說明COG方案與SMD方案的成本，本章節(jié)提供基于160段 扭曲向列(TN)、尺寸為40 mm x 24 mm的LCD成本計(jì)算案例。在 COG方案中，假設(shè)顯示器由PCF8576DU驅(qū)動（40 x 4 LCD段驅(qū)動 器）；在SMD方案中，假設(shè)由PCF85176驅(qū)動（工業(yè)應(yīng)用40 x 4 LCD 段驅(qū)動器，采用TSSOP56封裝）。SMD方案中，顯示器為原始尺寸 (40 mm x 24 mm)。COG方案中，顯示區(qū)域略為龐大(40 mm x 26 mm)，因?yàn)轵?qū)動器必須置于玻璃上，需要2 mm額外寬度。本例中 以FR4類型的PCB為基礎(chǔ)。SMD方案中的面積假設(shè)為80 mm x 40 mm；COG方案中為64 mm x 40 mm。
為便于比較，兩種模塊（SMD和COG）均采用Flex面板連接器(FPC), 如圖13所示。
圖13：LCD模塊的成本對比
為了比較成本，我們將關(guān)注如下因素：(1)LCD玻璃，(2)LCD驅(qū)動器IC，(3)PCB面積，(4)用料、組裝和測試（見表4）。
表4：成本參數(shù)
表5提供了SMD方案與COG方案的成本和各項(xiàng)所占的比重結(jié)構(gòu)。它列出了成本結(jié)構(gòu)以及表4中所列的不同器件所占的百分比。
表5：成本與各項(xiàng)所占比重結(jié)構(gòu)
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驅(qū)動器和驅(qū)動器類型
圖14表示每個部件的一對一成本支出。它揭示了最大的一筆成本節(jié)約是顯示驅(qū)動器IC，因?yàn)樵贑OG方案中，它無需封裝。但另一方面COG方案需要更大的顯示玻璃面積。這反映在COG這邊的平衡支 出增加。如圖7所示，封裝支出占驅(qū)動器成本的47%到62%，具體取決于顯示器件數(shù)目。
圖14：標(biāo)準(zhǔn)化COG和SMD成本支出結(jié)構(gòu)圖
圖15：COG與SMD成本對比
結(jié)論
(COG)技術(shù)是LCD設(shè)計(jì)的替代方法，在該技術(shù)中LCD驅(qū)動器直接安裝在顯示玻璃上，可為醫(yī)療應(yīng)用提供成本和設(shè)計(jì)優(yōu)勢。相比表面貼裝設(shè)備(SMD)等傳統(tǒng)方案，COG的優(yōu)勢包括：從PCB移除LCD驅(qū)動器的能力，可降低PCB的復(fù)雜度、提高穩(wěn)定性、讓應(yīng)用的設(shè)計(jì)與重新設(shè)計(jì)更靈活，并且降低系統(tǒng)成本。COG是一種非?？煽亢统墒斓募夹g(shù)，在汽車行業(yè)中經(jīng)常使用。恩智浦在為COG應(yīng)用設(shè)計(jì)LCD驅(qū)動器方面擁有超過10年的經(jīng)驗(yàn)，提供不斷豐富的COG顯示驅(qū)動器IC產(chǎn)品線。
表6：COG相比SMD的優(yōu)勢匯總
