如何防護(hù)觸控面板的靜電放電

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哂蟹缐m、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軟硬體上進(jìn)行效能研發(fā)、設(shè)計(jì)外，對於產(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)部感測電容元件的壓差超過臨界電場時(shí)，靜電電流就有機(jī)會由感測元件流進(jìn)控制（Control）IC，因此在實(shí)際產(chǎn)品的驗(yàn)證中，時(shí)常會發(fā)現(xiàn)感測元件的故障燒毀或感測控制IC的接收I/O故障。

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：電容式感測電容元件與隔離導(dǎo)線

此外，多數(shù)的觸控玻璃外緣會有氧化銦錫（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，感測訊號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。