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小尺寸面板的ESD and EOS解決方案2019/10/01

 

摘要:小尺寸面板主要包括手機觸摸屏,平板觸摸屏以及數碼相機觸摸屏等等。這些面板與主板之間最常見的數據資料連接接口為MIPI (Mobile Industry Processor Interface), 通過對其添加TVS防護方案,並提高ESD and EOS耐受等級,將可大幅降低電子產品在日常生活使用中被干擾,甚至被破壞的機會;可因而延長產品的使用壽命,降低出廠返修率,使消費者更加信任,提高品牌商譽。

 

 

關鍵字: ESD, MIPI, EOS, Panel

 

 

隨著小型化智能產品的普及,各種消費類電子產品日新月異,出現了越來越多功能集成化、複雜化的產品,面板顯示技術也隨之發生了翻天覆地的變化。隨著顯示面板分辨率的增大,數據傳輸亦變得更為複雜與快速。但是同時也造成數據傳輸更容易被外界干擾問題,而最常見的干擾因素就是ESD and EOS。如何有效的防護面板,避免因ESD/EOS的攻擊而影響功能運作甚至損毀,是我們刻不容緩需要處理的問題。

 

 

一、何謂ESD/EOS?

  ESD (Electro-Static Discharge) 即為靜電放電。指當兩個物體通過摩擦,電感應等方式,導致物體之間有電位差,將它們相互靠近或者直接接觸而產生的電荷轉移現象。實際生活中ESD事件發生的十分頻繁,特別是在濕度越低的環境下,越容易發生。譬如冬天搓手後觸碰門把手,會有被電擊的感覺;冬天睡覺前脫掉毛衣出現刺啦刺啦的電弧;以及下雨天室外的閃電;這些其實都是發生在我們身邊的ESD事件。

 

 

  乾燥的環境可能使我們身體攜帶高達數十萬伏特的靜電,如果在不加以控制時直接接觸手機等電子產品的屏幕, ESD將通過面板的FPC,進入到電子設備的內部電路,瞬間釋放高達數十安培的電流。現今半導體製程工藝越來精密,最先進的製程工藝已經達到7nm, 但此類昂貴的高階IC芯片本身耐受ESD的能力卻大不如前,造成使用這種芯片的先進電子設備面臨著極大的挑戰, ESD事件輕則干擾電子設備的正常工作,嚴重則可能直接擊穿電子設備內部IC芯片,造成芯片內部不可恢復的永久破壞。

 

 

  EOS (ElectricalOverStress) 即為過度電性應力。當外界電流或電壓超過器件或電子產品的最大規範條件時,產品性能會減弱甚至損壞。EOS產生情況很多種:包括電源不穩定所造成的突波;熱插拔產生瞬態浪湧電流;雷擊產生的瞬態感應電流;測試等接線誤操作......

 

 

二、電源ESD/EOS解決方案

  針對電子設備進行系統等級的測試時,使用的靜電測試環境必須符合IEC 61000-4-2的標準規定。標準文件內有規定接觸放電和空氣放電兩種測試方式,針對不同的環境和電子產品,品牌廠商可根據實際應用環境及需要制定相應的測試等級。對於小尺寸Panel的產品,一般建議進行接觸放電 ±8kV 且空氣放電 ±15kV 的測試,制定合理的測試標準有助於提高產品的可靠性,減少市場客退率。

 

 

  除了 ESD測試,許多小尺寸面板產品亦通過 8/20μs的浪湧波形來完成EOS測試,測試時依照 IEC 61000-4-5標準文件來進行,測試電壓等級及需要進行測試的位置亦由品牌廠商依據實際情況自行定義。目前國內外許多知名手機品牌都有制定相關測試標準,主要針對VSP, VSN, VCI(1.8V) Power…等等。由於FPC置件區空間的限制,可以採用單路DFN1006 (0402)封裝,甚至是更小尺寸的CSP0603 (0201) 封裝的TVS產品進行防護,下表是晶焱科技 (Amazing) 推薦使用在電源線路上的ESD and EOS防護方案: 

 

 

 

三、什麼是MIPI接口?

  MIPI (Mobile Industry Processor Interface) [1] 是移動產業處理器接口的簡稱,是MIPI聯盟為移動應用處理器制定的開放標準規範。相較於傳統的信號傳輸方式,使用MIPI接口的模組具有速度快、傳輸數據量大、功耗低、抗干擾的優點,因此受到移動產業市場的青睞。

 

  小尺寸面板所用的MIPI傳輸線路中,在信號傳輸的部份包含低速和高速信號傳輸的差分線, MIPI規定了一個差分時鐘通道搭配可擴展為四對差分對的數據通道,可根據處理器和外設的需求來調節數據率。而且,MIPI D-PHY規範只給出了數據率範圍,並沒有規定具體的工作速率。在一個應用中,可用的數據通道和數據率都由接口兩端的器件決定。目前可用的MIPI D-PHY IP內核可提供每數據通道高達1Gbps的傳輸率,這種特性已讓 MIPI 完全適用於當前的高性能應用需求。此外,在屏顯驅動或其他IC供電的電源線方面,其電源電壓高低與面板大小相關,一般可能採用 1.8V, 3.3V, 5V, 8V or 12V…等等電壓。

 

 

四、MIPI接口最佳 ESD 防護方案

  為了保證數據線信號傳輸的完整性,電源電壓的穩定性以及相關IC芯片不受ESD的影響,需要在MIPI對應的線路添加ESD防護器件。針對其複雜的線路需求,添加半導體TVS (Transient Voltage Suppressor; 瞬態電壓抑制器) 產品是目前最優的保護方案。當TVS管兩端經受瞬間的高能量衝擊時,它能以極快的反應速度(<1ns)使其阻抗驟然降低,將大電流導引至地,並使其兩端間的電壓箝位在一個預定的數值上,從而確保後面的電路元件免受瞬態高能量的衝擊而損壞。

  

  半導體TVS具有響應時間快、瞬態功率大、電容低、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓低、體積小、易於安裝等優點。在TVS選擇上,由於MIPI接口數據線信號傳輸速率較快,建議選用低容值 (≤0.5pF) 的防護方案。另外,由於小尺寸面板的FPC置件區空間有限,在低ESD鉗位電壓的前提下,也要盡可能選擇小型封裝的TVS器件,下表料件是晶焱科技 (Amazing) 推薦使用在小尺寸面板MIPI接口數據線的ESD保護方案:

 

 

 


  上述表格的方案推薦中,最值得注意的產品為AZ1743-04F, 採用的 DFN1308P5Z封裝大小只有1.3mmx0.8mmx0.4mm, 且單顆極小封裝 TVS 陣列已同時集成4 I/O保護線路 (請參考圖一), 遠比兩四顆單路的 0402 封裝 TVS 產品占 PCB 空間更小,更有利於在小尺寸面板極小空間的FPC板上實現設計。同時,AZ1743-04F相比其他幾顆產品,容值更低,鉗位電壓更低,產品性能最優 (請參考圖二), 是針對MIPI接口數據線防護ESD的最優保護方案。

  

 

 

圖一、AZ1743-04F內部電路及封裝示意圖

 

 

圖二、AZ1743-04F的超低靜電鉗位電壓及超低寄生電容特性

 

 

 

  綜上所述,為了提高電子產品的使用體驗,延長電子產品的使用年限,各項測試要求將會不斷地提高,針對ESD/EOS的測試需求亦同樣是如此。再加上目前各類IC芯片由於採用的製程工藝越來越先進,造成芯片的耐受能力越來越低。為了通過更嚴格的ESD/EOS測試,在接口處或內部鄰近敏感芯片週邊的電路皆需要先考量更為有效率的保護方案。隨著電子產品功能日新月異, TVS產品的設計工藝不斷地更新與進步,以繼續提供電子產品更為堅固的壁壘。

 

 

 

 

參考文獻

 

[1]. MIPI官方網站:https://mipi.org/.

 

 

 

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