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深入剖析觸控面板的靜電放電防護2012/04/25

水可載舟,亦可覆舟 - 靜電成就觸控,但又潛藏放電危機。
 
 晶焱科技 研發部協理 陳東暘 博士
 
隨著人機介面的進步,觸控介面已逐步在生活中佔了一席之地。產品的輕薄短小,使得生活中的電子設備變成了隨身必備品。在產品中各式積體電路集縮在極小的空間中,產品的設計及量產中,需面臨各種生產環境的試鍊;而人類生活的環境千變萬化,這些人機介面需有極高的可靠度,挑戰各種嚴苛環境下人們的接觸。
 
液晶平面顯示器在近幾年的研究開發一日千里,各種技術及尺寸的應用,已成為顯示產品的主流。有了多樣性產品的量產開發,顯示裝置已不是只在家中、工作環境中才會出現,在許多人的隨身包中就放了許多,如:手機,隨身聽,平板電腦,筆記型電腦...等。隨著觸控技術的演進,顯示裝置也不再像以往僅供顯示使用,結合了觸控科技,使得它不再只可遠觀而不可褻玩焉!
 
觸控的研發已有數十年,依照感應原理來區分,以電阻式(Resistive)、電容式(Capacitive)、音波式(Surface Acoustic Wave)及光學式(Optics)等四種為主。目前市場上,除了電阻式觸控已被廣泛應用外,當前最火紅的就屬電容式觸控,因為其相較具有防塵、防火、防刮、強固耐用及具有高解析度等優點,被廣泛應用在智慧手機、平板電腦以及電子書。
 
隨著手持裝置的快速普及化及多樣性的選擇,消費者也漸漸認為產品的可靠度是重要的購買因素之一,所以國際各大廠除了針對軟硬體上進行效能研發、設計外,對於產品所面臨的環境因素,以及消費者的操作方式都必須增加產品可靠性的模擬,其中以靜電放電(ESD, Electrostatic Discharge)的問題,就是一個重要卻不容易解決的問題。當積體電路(IC, Integrated Circuits)產品結合系統後,往往因為系統缺乏生產面及搭配性的ESD防護解決方案,經常到了最後產品進入量產初步階段才開始發現問題,這時僅能做貼貼補補的工作,而所耗費的成本及風險,相對於一開始就在系統上做好防範設計,更是高出許多。
 
觸控面板以結構分類,可為表面接觸型(Surface Touch)及內在投射型(Inner Project Touch),如圖一中的(a)及(b)所示,在表面接觸型的防護層之厚度之影響,需參考表一的絕緣材料崩潰電場,當觸控面板表面的靜電電壓與內部感測電容元件的壓差超過臨界電場時,靜電電流就有機會由感測元件流進控制(Control)IC,因此在實際產品的驗證中,時會發現感測元件的故障燒毁或感測控制IC的接收IO故障。此外,多數的觸控玻璃外緣會有氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)隔離層(Shielding Bar)的設計,在一些包覆性較少的手持裝置中,靜電更有機會直接釋放到這位置,因此在圖一(c)中的線距∆x與壓差,又成為了靜電防護上重要的觀察指標。
 
要解決靜電放電的問題,有許多的手法可以應用,可從機構設計,生產環境管控,系統電路或元件特性設計...等各種手法做防護。從物理的基本原理就是要減少主要元件的放電電流,要降低這靜電電流之方法,一是增加路徑的阻抗值,另一則是減少路徑上的電壓差。系統上的ESD防護設計,在待保護路徑並聯一具有低觸發電壓、低箝制電壓(Clamping Voltage)又能耐受更大二次崩潰電流(Secondary Breakdown Current, It2)的元件,是目前已被驗證有效的主要方法,因此瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppresser, TVS)被市場接受而廣泛應用。
 

 

表一:各種絕緣材料的崩潰電場
Materials
Breakdown Electric Field (kV/mm)
空氣(Air)
0.8 ~ 3
電木(Bakelite)
12 ~ 22
橡皮(Rubber)
18 ~ 28
膠片(Shellac)
36
鐵氟龍(Teflon)
60
玻璃(Glass)
80 ~ 120
雲母(Mica)
200

 

     
(a) 表面接觸型觸控玻璃  (b) 內在投射型觸控玻璃   (c)電容式感測電容元件與隔離導線
圖一:電容式觸控面板感應電容範例
 

 

圖二:控制IC在軟板上的觸控模組之ESD潛在危險
 
圖二中所示,即為觸控面板中最常發生靜電放電問題而需要防護的所在,由前面的解析可知,在結構的物理特性及外在的靜電電壓雙重作用下,必然有極限值存在,超過此極限值後,就必需在系統的電路設計上加強防護,如隔離層與內部訊號之地線間,甚至是在內部電源到地線間,都是必需被箝制的端點。一般內在投射型在訊號上較少有機會是直接從表面保護層崩潰來的直接電流,多是耦合問題影響到電源,除非在其物理限制已達極限,感測訊號才需如表面接觸型需加箝制元件。
產品在經過重重的研發後,因可靠度問題造成了產品的品質問題,進而影響到了公司的商譽,最後在公司間的賠償問題,又是引發一連串的商業損失,更造成品牌形象的破壞,預防勝於治療才是真正降低產品量產風險及提昇品質形象的不二法門。
 
 
                                      

 

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