深度解读触控面板的静电放电防护措施

随着人机界面的进步，触控接口已逐步在生活中占了一席之地。产品的轻薄短小，使得生活中的电子设备变成了随身必备品。在产品中各式积体电路集缩在极小的空间中，在产品的设计及量产流程上，需面临各种生产环境的试链；而人类生活的环境千变万化，这些人机接口必需有极高的可靠度，才能满足在各种环境、甚至是严苛操作条件下的操作。

液晶平面监视器在近几年的研究开发一日千里，各种技术及尺寸的应用，已成为显示产品的主流。有了多样性产品的量产开发，显示装置已不是只在家中、工作环境中才会出现，在许多人的提袋、背包中，或多或少都有下列数位产品的存在，像是手机、随身听、平板电脑、笔记型电脑、数位相机…等。伴随着触控技术的演进，各类显示装置或面板的功能，也不再像以往仅提供资讯显示功能，在结合触控科技后，使得产品的操作能够更加直觉、简化，不再让人有只可远观而不可亵玩的距离感！

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、强固耐用及具有高分辨率等优点，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。

表1 各种绝缘材料的崩溃电场

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1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1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。

图1（a）电容式触控面板感应电容范例：表面接触型触控玻璃

图1（b）电容式触控面板感应电容范例：内在投射型触控玻璃

图1（c）电容式触控面板感应电容范例：电容式感测电容元件与隔离导线

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1（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、低箝制电压（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2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，都是必需被箝制的端点。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箝制元件。

图2 控制IC在软板上的触控模组之ESD潜在危险

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。

编辑：jq