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深入剖析触控面板的静电放电防护

2014-11-08 15:11:15 huangjun 23

        触控面板技术的研发已有数十年,依照感应原理来区分,以电阻式(Resistive)、电容式(Capacitive)、音波式(Surface Acoustic Wave)及光学式(Optics)等4种为主。目前市场上,除了电阻式触控已被广泛应用外,当前最火红的就属电容式触控,因为其相对具有防尘、防火、防刮、强固耐用及具有高解析度等优点,被广泛应用在智慧手机、平板电脑以及电子书等产品之上。

     

         随着手持智慧装置的快速普及化及多样性的选择,消费者也渐渐认为产品的可靠度是重要的购买因素之一,所以国际各大厂除了针对软硬体上进行效能研发、设计外,对于产品所面临的环境因素,以及消费者的操作方式,都必须增加产品可靠性的模拟测试;其中尤其以静电放电(Electrostatic Discharge;ESD)的问题,就是一个重要却不容易解决的问题。

   

         当积体电路(Integrated Circuits;IC)产品结合系统后,往往因为系统缺乏生产面及搭配性的ESD防护解决方案,经常到了产品进入最后量产初步阶段才开始发现问题,但这时仅能做贴贴补补的工作,而所耗费的成本及风险,相对于一开始就在系统上做好防范设计,更是高出许多。

   

          触控面板若以结构作分类,则可分为表面接触型(Surface Touch)及内在投射型(Inner Project Touch),如图一中的(a)及(b)所示,在表面接触型的防护层之厚度之影响,需参考表一的绝缘材料崩溃电场,当触控面板表面的静电电压与内部感测电容元件的压差超过临界电场时,静电电流就有机会由感测元件流进控制(Control)IC,因此在实际产品的验证中,时常会发现感测元件的故障烧毁或感测控制IC的接收I/O故障。

   

          此外,多数的触控玻璃外缘会有氧化铟锡(Indium Tin Oxide;ITO)隔离层(Shielding Bar)的设计,在一些包覆性较少的手持装置中,静电更有机会直接释放到这位置,因此在图一(c)中的线距∆x与压差,又成为了静电防护上重要的观察指标。

   

           要解决静电放电的问题,有许多的手法可以应用,可从机构设计、生产环境管控、系统电路或元件特性设计...等方式进行防护。从物理的基本原理就是要减少主要元件的放电电流,要降低这静电电流的方法,一是增加路径的阻抗值,另一则是减少路径上的电压差。系统上的ESD防护设计,在待保护路径并联一具有低触发电压、低钳制电压(Clamping Voltage)又能耐受更大二次崩溃电流(Secondary Breakdown Current, It2)的元件,是目前已被验证有效的主要方法,因此瞬态电压抑制器(Transient Voltage Suppresser;TVS)已被市场大量接受而广泛应用。

             

          图二中所示,即为触控面板中最常发生静电放电问题而需要防护的所在,由前面的解析可知,在结构的物理特性及外在的静电电压双重作用下,必然有极限值存在,超过此极限值后,就必需在系统的电路设计上加强防护,如隔离层与内部讯号之地线间,甚至是在内部电源到地线间,都是必需被钳制的端点。一般内在投射型触控面板在讯号上较少出现直接从表面保护层崩溃来的直接电流,多是耦合问题影响到电源;因此除非在其物理限制已达极限,感测讯号才需要如表面接触型面板增加钳制元件。

   

          产品在经过重重的研发后,因可靠度问题造成了产品的品质问题,进而影响到了公司的商誉,最后在公司间的赔偿问题,又是引发一连串的商业损失,更造成品牌形象的破坏。预防胜于治疗,提前为产品作好完整防护设计策略,才是真正降低产品量产风险及提升品质形象的不二法门。