觸控螢幕Touch IC ESD/EOS防護方案及TVS選型

觸控技術是一種透過觸控螢幕或其他觸控表面來實現人機互動的技術。隨著科技不斷進步，觸控螢幕已成為手機、車載系統、物聯網（IoT）裝置等現代電子產品中不可或缺的一部分。 

最早的觸控螢幕是電阻式，由兩層導電材料構成，當使用者觸碰螢幕時，兩層材料接觸，改變電阻值，從而實現位置檢測。電阻式螢幕具備低成本、技術門檻低等優點，但缺點是只能支援單點觸控，且連續滑動容易出現斷點。電容式觸控螢幕則分為自容式和互容式，目前市面上大部分使用的是互容式觸控螢幕。電容式觸控螢幕具有高外形可塑性，例如窄邊框、無邊框及摺疊螢幕等設計，現在的消費性產品大多採用電容式螢幕。 

觸控螢幕的優勢在於直觀的操作方式，因為它們可以透過直接觸控圖示和按鈕來輸入資訊，對不熟悉的使用者來說非常容易理解且使用便利。觸控面板還能將顯示器與輸入裝置整合到一個硬體上（如圖1），從而實現設備的小型化與簡單化。這些觸控螢幕的核心部件是一個負責處理計算的IC晶片，並在電路基板上配有一層特定圖案的透明電極模組，面板最表面則覆蓋著絕緣玻璃或塑膠蓋板。當手指靠近表面時，電極間的電容會發生變化，系統透過測量這些電流之間的比例來精確辨識觸控位置（如圖2）。

現今，觸控螢幕已被廣泛應用於各類行動裝置中，但當與有線/無線充電器或其他負載裝置連接時，插拔所產生的ESD/EOS噪聲可能會通過設備的物理層耦合到感測器，進而影響觸控的精確度與穩定性。例如手機產品，邊緣佈局或天線設計不完善，甚至未考慮防護的介面設備，這些都已被證明是ESD/EOS的重要來源。觸控處理器採用深奈米技術的CMOS製程，在相同晶片面積內可放入更多的晶體管，這有助於提升產品運算效能，但器件級的ESD耐受能力卻逐漸減弱（器件級HBM通常要求通過2kV）。處理器中的每個IO都有內建的ESD保護電路，但這些IO ESD單元的最大電流與導納（Admittance）與其尺寸成正比，受限於IO電容與晶片面積，這些設計無法隨意擴大，導致深奈米技術的觸控處理器對ESD愈加敏感。 

當產品遭受外部ESD衝擊時，IO ESD單元的鉗位電壓會隨ESD電流增大而升高；當ESD能量過大時，鉗位電壓可能超過IC內部的最大允許電壓，從而導致誤動作或當機。在嚴重情況下（工廠ESD測試標準：接觸放電±8kV / 空氣放電±15kV），ESD保護電路可能會被擊穿，能量進一步傳導到內部電路，導致多次損壞。 另一方面，通常TVS保護器件的製程為數百奈米，TVS在瞬間釋放ESD能量的能力與晶片面積成正比，其耐受度遠優於IC內建的ESD防護設計。因此，進行系統級靜電放電抗擾度設計時，建議在IC外部增加TVS保護裝置，ESD電流會先透過外部TVS釋放，IC內部受損的風險則大幅降低（如圖3與圖4）。

隨著手機、平板和智慧穿戴裝置待機時長要求提升，電池容量需求不斷增大，但產品內部空間有限，因此小封裝的TVS的優勢得以展現。晶焱科技推薦0201（0.6mm×0.3mm）封裝，以滿足PCB空間需求及廠內ESD測試要求。如表1，針對通訊介面SPI/IIC，推薦AZ5A23-01F和AZ5B85-01B，均符合ESD Level 4測試標準。另外，晶焱科技與Touch IC廠商合作，在觸控處理器量產前完成參考設計電路驗證，提供最完善的技術支持，滿足客戶對ESD/EOS設計的要求。

表1. Touch FPC介面ESD/EOS防護方案

未來幾年，智慧手機所採用的電容式觸控螢幕仍將是該領域的主導技術，紅外線、光學及聲波等觸覺感測器技術將緊隨其後。不論是使用何種技術來實現人機互動，介面晶片在設計初期便需考量ESD/EOS問題，才能降低生產過程或終端客戶使用時的不良率，避免返修成本及商譽損失。