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防護(hù)觸控面板的靜電放電策略

發(fā)布時(shí)間:2012-01-05

中心議題:

  • 觸控面板的介紹
  • 如何防護(hù)觸控面板的靜電放電

解決方案:

  • 增加路徑的阻抗值
  • 減少路徑上的電壓差


隨著人機(jī)介面的進(jìn)步,觸控介面已逐步在生活中占了一席之地。產(chǎn)品的輕薄短小,使得生活中的電子設(shè)備變成了隨身必備品。在產(chǎn)品中各式積體電路集縮在極小的空間中,在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及量產(chǎn)流程上,需面臨各種生產(chǎn)環(huán)境的試鏈;而人類生活的環(huán)境千變?nèi)f化,這些人機(jī)介面必需有極高的可靠度,才能滿足在各種環(huán)境、甚至是嚴(yán)苛操作條件下的操作。
  
液晶平面監(jiān)視器在近幾年的研究開發(fā)一日千里,各種技術(shù)及尺寸的應(yīng)用,已成為顯示產(chǎn)品的主流。有了多樣性產(chǎn)品的量產(chǎn)開發(fā),顯示裝置已不是只在家中、工作環(huán)境中才會(huì)出現(xiàn),在許多人的提袋、背包中,或多或少都有下列數(shù)位產(chǎn)品的存在,像是手機(jī)、隨身聽、平板電腦、筆記型電腦、數(shù)位相機(jī)…等。伴隨著觸控技術(shù)的演進(jìn),各類顯示裝置或面板的功能,也不再像以往僅提供資訊顯示功能,在結(jié)合觸控科技後,使得產(chǎn)品的操作能夠更加直覺、簡化,不再讓人有只可遠(yuǎn)觀而不可褻玩的距離感!
  
觸控面板技術(shù)的研發(fā)已有數(shù)十年,依照感應(yīng)原理來區(qū)分,以電阻式(Resistive)、電容式(Capacitive)、音波式(Surface Acoustic Wave)及光學(xué)式(Optics)等4種為主。目前市場上,除了電阻式觸控已被廣泛應(yīng)用外,當(dāng)前最火紅的就屬電容式觸控,因?yàn)槠湎鄬?duì)具有防塵、防火、防刮、強(qiáng)固耐用及具有高解析度等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在智慧手機(jī)、平板電腦以及電子書等產(chǎn)品之上。
  
隨著手持智慧裝置的快速普及化及多樣性的選擇,消費(fèi)者也漸漸認(rèn)為產(chǎn)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(duì)軟硬體上進(jìn)行效能研發(fā)、設(shè)計(jì)外,對(duì)於產(chǎn)品所面臨的環(huán)境因素,以及消費(fèi)者的操作方式,都必須增加產(chǎn)品可靠性的模擬測(cè)試;其中尤其以靜電放電(Electrostatic Discharge;ESD)的問題,就是一個(gè)重要卻不容易解決的問題。
 

表1 各種絕緣材料的崩潰電場

  

當(dāng)積體電路(Integrated Circuits;IC)產(chǎn)品結(jié)合系統(tǒng)後,往往因?yàn)橄到y(tǒng)缺乏生產(chǎn)面及搭配性的ESD防護(hù)解決方案,經(jīng)常到了產(chǎn)品進(jìn)入最後量產(chǎn)初步階段才開始發(fā)現(xiàn)問題,但這時(shí)僅能做貼貼補(bǔ)補(bǔ)的工作,而所耗費(fèi)的成本及風(fēng)險(xiǎn),相對(duì)於一開始就在系統(tǒng)上做好防范設(shè)計(jì),更是高出許多。
  
觸控面板若以結(jié)構(gòu)作分類,則可分為表面接觸型(Surface Touch)及內(nèi)在投射型(Inner Project Touch),如圖1中的(a)及(b)所示,在表面接觸型的防護(hù)層之厚度之影響,需參考表1的絕緣材料崩潰電場,當(dāng)觸控面板表面的靜電電壓與內(nèi)部感測(cè)電容元件的壓差超過臨界電場時(shí),靜電電流就有機(jī)會(huì)由感測(cè)元件流進(jìn)控制(Control)IC,因此在實(shí)際產(chǎn)品的驗(yàn)證中,時(shí)常會(huì)發(fā)現(xiàn)感測(cè)元件的故障燒毀或感測(cè)控制IC的接收I/O故障。[page]
 


圖1(a)電容式觸控面板感應(yīng)電容范例:表面接觸型觸控玻璃

圖1(b)電容式觸控面板感應(yīng)電容范例:內(nèi)在投射型觸控玻璃

圖1(c)電容式觸控面板感應(yīng)電容范例:電容式感測(cè)電容元件與隔離導(dǎo)線


此外,多數(shù)的觸控玻璃外緣會(huì)有氧化銦錫(Indium Tin Oxide;ITO)隔離層(Shielding Bar)的設(shè)計(jì),在一些包覆性較少的手持裝置中,靜電更有機(jī)會(huì)直接釋放到這位置,因此在圖1(c)中的線距△x與壓差,又成為了靜電防護(hù)上重要的觀察指標(biāo)。
  
要解決靜電放電的問題,有許多的手法可以應(yīng)用,可從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)環(huán)境管控、系統(tǒng)電路或元件特性設(shè)計(jì)…等方式進(jìn)行防護(hù)。從物理的基本原理就是要減少主要元件的放電電流,要降低這靜電電流的方法,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(tǒng)上的ESD防護(hù)設(shè)計(jì),在待保護(hù)路徑并聯(lián)一具有低觸發(fā)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(yàn)證有效的主要方法,因此瞬態(tài)電壓抑制器(Transient Voltage Suppresser;TVS)已被市場大量接受而廣泛應(yīng)用。
  
圖2中所示,即為觸控面板中最常發(fā)生靜電放電問題而需要防護(hù)的所在,由前面的解析可知,在結(jié)構(gòu)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(tǒng)的電路設(shè)計(jì)上加強(qiáng)防護(hù),如隔離層與內(nèi)部訊號(hào)之地線間,甚至是在內(nèi)部電源到地線間,都是必需被箝制的端點(diǎn)。一般內(nèi)在投射型觸控面板在訊號(hào)上較少出現(xiàn)直接從表面保護(hù)層崩潰來的直接電流,多是耦合問題影響到電源;因此除非在其物理限制已達(dá)極限,感測(cè)訊號(hào)才需要如表面接觸型面板增加箝制元件。
 


圖2 控制IC在軟板上的觸控模組之ESD潛在危險(xiǎn)
  

產(chǎn)品在經(jīng)過重重的研發(fā)後,因可靠度問題造成了產(chǎn)品的品質(zhì)問題,進(jìn)而影響到了公司的商譽(yù),最後在公司間的賠償問題,又是引發(fā)一連串的商業(yè)損失,更造成品牌形象的破壞。預(yù)防勝於治療,提前為產(chǎn)品作好完整防護(hù)設(shè)計(jì)策略,才是真正降低產(chǎn)品量產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)及提升品質(zhì)形象的不二法門。

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