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高解析度面板的 ESD最佳解決方案2019/08/06

   近年來,面板廠專注於發展高質化面板,各家紛紛投入高階面板設計以分軒輊,產品類型包括筆記型電腦、電視、螢幕、AIOAll-in-One)電腦等。然而,隨著高階面板的興起,也衍生出許多新型態問題。

 

面板的訊號傳輸原理

   我們先從面板架構談起。有人說液晶是面板的心臟,那麼時序控制器(Time ControllerT-CON) 就是面板的大腦。如圖一所示,T-CON自電視或筆電的GPU(圖像處理器)接收影像數據,轉換格式給Source driver使用,並產生控制訊號給Gate driverSource IC,進而輸出電壓控制液晶排列方向、產出畫面。T-CON 接收端(Rx)、發送端(Tx)之傳輸介面會隨著解析度需求不同而改變。

 

圖一、面板架構示意圖

 

T-CON發送端介面的演進與衍生問題

  在T-CON Rx的傳輸介面中,低電壓差分訊號(Low-Voltage Differential SignalingLVDS)是最基本款。自西元1994年蘋果電腦與國家半導體公司 (National Semiconductor) 引進本介面後,就一直沿用至今。然而,隨著近幾年電視尺寸、螢幕解析度及頻率等規格上升, LVDS已無法符合8K新世代傳輸所需(如表一所示)。也因此,兩大高速介面在面板的使用率逐年上升:分別是日本Thine公司的V-by-One技術,以及由Intel/AMD/NividaApple等多家業者聯合提出的eDP (VESA Embedded Display Port)技術。

 

表一、V-by-One ®US與現存傳輸介面的比較

Interface technology

Data rate per lane

Cables for 4K image transmission with 60Hz

Cables for 8K image transmission with 60Hz

V-by-One ®US

16Gbps

2 pairs

8

V-by-One ®HS

4Gbps

8 pairs

32

LVDS

~0.5Gbps

48 pairs

192

 

 靜電放電(Electrostatic Discharge, ESD)為環境中無法避免的自然現象。面板具有多道製程,配向、塗佈期間會有許多物體相互接觸的機會,而組裝時也須進行薄膜的貼附與分離,以上現象都會造成摩擦生電。再者,隨著面板解析度增大,會需要更多端口以連接多塊電路板,增加人員在組裝、測試過程中的插拔總數,進而產生ESD,對IC造成破壞,造成點亮畫面異常。

 

  關於插拔造成的破壞,可參考姜信欽博士先前在《靜電放電防護1》提出的熱插拔論述,使用Direct pin injection測試法,直接對I/O施加ESD以模擬實際熱插拔事件。

 

8K新世代傳輸的ESD解決方案-接收端

  關於以上問題,可在T-CON邏輯板之對外連接端口放上ESD防護元件,以作為最前線的防護。此時挑選防護元件要注意兩大要點:一是ESD防護元件的雜散電容必須夠低,對於V-by-One ®HS以及V-by-One ®US的雜散電容限制下限並不相同;第二,針對Direct pin injection測試,ESD防護元件在ESD事件發生期間所提供的箝制電壓必須要夠低,不能造成傳輸過程的失誤及T-CON的損壞。

 

  晶焱科技提供市面上最有效的ESD防護元件TVS(Transient Voltage Suppressor device ),比起其他ESD防護元件,TVS低箝制電壓的特性,使得保護效果可到達Class A等級。LVDS以及V-by-One®HS可通用雜散電容0.5 pFTVSAZ1043-08F」,其Layout設置如圖二,Feed-through 的特性使得佈線更便利,更容易實現阻抗匹配。至於即將登上8K舞台的V-by-One®US,因一對差分訊號(Differential pair)的傳輸速度高達16Gbps,建議使用AZ111S-08F,該TVS可通過IEC61000-4-2 系統測試最高等級:Contact 8kV/air 15kV,如圖三所示,並以極低的雜散電容(0.1pF)迎接未來各種高速應用。

 

 

圖二、AZ1043-04F應用在V-by-One®HS

 

圖三、AZ111S-08F應用在V-by-One®US

 

8K新世代傳輸的ESD解決方案-發送端及其他端口

  上述提到ESD保護元件須放在T-CON邏輯板之對外連接端口,其中也包括T-CONTx(如圖一所示)。目前最通用的傳輸介面為Mini-LVDS,當ESDMini-LVDS端口進入時,可能會造成Mini-LVDS損壞,導致面板出現垂直亮線。故建議也在Mini-LVDS端口加上TVS,以防止資料傳輸受ESD影響甚至造成T-CON永久損毀。Mini-LVDS傳輸速度為331Mbps,可在Mini-LVDS端口放置0.5pFAZ1043-08F以茲保護。另外,圖一中也顯示,面板的介面還包括I2C、控制訊號和負責調整背光控制的PWM訊號等等,這些低速的訊號或其他電源線對於TVS的電容值並無嚴苛要求,可選擇適當電容值的TVS後,再依系統最大操作電壓做挑選。

 

  綜觀整塊面板的結構,因其涵括許多大面積絕緣材質(如玻璃),前段製程容易累積的靜電,可能在組裝時發生ESD事件轟擊內部IC,且隨著T-CON高階化,晶片製程微縮後更容易因ESD導致損毀。諸多原因導致面板組裝廠的不良率會比其他領域電子產品超出許多,此時TVS在面板製造的防護上便擔任關鍵角色。一顆好的TVS可避免在面板製造過程中,昂貴的主晶片被燒毀以及產線停擺的狀況發生。

 

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