汽車空調(diào)面板LCD花屏故障分析及優(yōu)化方案

張立新，黃慶達(dá)，肖 丹，楊通亮，郭慶鐵

（溫州長(zhǎng)江汽車電子有限公司，浙江 溫州 325000）

隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，人機(jī)交互功能越來(lái)越成為車載智能控制系統(tǒng)不可或缺的部分。然而由于汽車的產(chǎn)品屬性決定了汽車電子零件具有嚴(yán)苛的試驗(yàn)條件和復(fù)雜的實(shí)際使用環(huán)境，因此對(duì)更加集成化和模塊化的車載電子產(chǎn)品的安全性、可靠性提出了更高的挑戰(zhàn)。同時(shí)，由于車載人機(jī)交互系統(tǒng)需要面向乘員的頻繁操作，有著高電位、強(qiáng)電場(chǎng)、瞬時(shí)大電流特點(diǎn)的人體靜電放電 （Electro-Static discharge，ESD）會(huì)對(duì)半導(dǎo)體芯片造成各種干擾甚至是不可逆的損傷［1］，是汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不可忽視的重要問(wèn)題。本文對(duì)ESD問(wèn)題的危害以及防護(hù)原則進(jìn)行了探討。

1 ESD的危害

ESD的實(shí)質(zhì)就是電荷轉(zhuǎn)移，由具有不同靜電電位的物體直接接觸或者相互靠近引起的［2］。

ESD的放電時(shí)間極短、且瞬時(shí)電流極大，因而對(duì)車載電子產(chǎn)品的電路系統(tǒng)形成巨大的破壞。ESD危害電子設(shè)備途徑包括：放電輻射、靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)和傳導(dǎo)耦合等［3］。

2 ESD的防護(hù)設(shè)計(jì)

從靜電感應(yīng)理論可知，最可能發(fā)生靜電放電的部位即為暴露在外部的導(dǎo)電部件或者是相鄰導(dǎo)電部件［4］。

對(duì)于電子產(chǎn)品設(shè)備的ESD防護(hù)，可以從3個(gè)方面考慮［1］：①控制靜電的起電量和電荷積聚，防止靜電的形成，即抑制ESD的產(chǎn)生；②使用靜電感度低的材料，降低電子設(shè)備工作場(chǎng)所的危險(xiǎn)程度；③采用綜合防護(hù)加固技術(shù)，阻止ESD能量耦合。

因此，針對(duì)汽車上的LCD空調(diào)面板產(chǎn)品的ESD防護(hù)措施主要有以下3個(gè)要點(diǎn)［3，5］。

1）LCD的設(shè)計(jì)：在LCD電路中設(shè)計(jì)屏蔽線進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)、靜電搭鐵設(shè)計(jì)、屏蔽功能搭鐵設(shè)計(jì)、以及增大I／O端口的分布電感等。

2）電路設(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)：通過(guò)合理的電路布局以及PCB的布線和安裝，起到良好的ESD防護(hù)效果。

3）結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)：增加結(jié)構(gòu)靜電防護(hù)零件，如上下鐵框、導(dǎo)電銅箔、屏蔽罩、絕緣膠布等，其實(shí)質(zhì)就是采用“堵靜電”或者“導(dǎo)靜電”的方式。

以上3種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行LCD空調(diào)面板的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)不同面板的產(chǎn)品特性，可以采取單個(gè)措施也可以多個(gè)措施一同選用。其中LCD設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)以及PCB設(shè)計(jì)主要是從面板的設(shè)計(jì)源頭上進(jìn)行ESD防護(hù)規(guī)避，但后期整改周期長(zhǎng)成本高，而結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)則常用于后期進(jìn)行產(chǎn)品的整改。

3 實(shí)例分析

某款SUV車型空調(diào)面板AUDIT車在環(huán)境溫度0℃左右，用手按LCD屏?xí)r，LCD屏出現(xiàn)花屏，即圖1中白色邊框。

圖1 LCD花屏故障

3.1 對(duì)故障件的LCD屏失效原因進(jìn)行排查

1）將故障件通上電，按壓LCD屏，未出現(xiàn)花屏。

2）故障件放入低溫-10℃，放置4h，按壓LCD屏，未出現(xiàn)花屏。

3）拍攝X光，樣件內(nèi)部靜電釋放回路，連接正常，如圖2所示。

圖2 內(nèi)部靜電釋放回路圖

4）對(duì)故障件進(jìn)行接觸放電測(cè)試，見(jiàn)表1。

表1 接觸放電測(cè)試結(jié)果

5）對(duì)照客戶EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分析，見(jiàn)表2。

表2 客戶EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

狀態(tài)等級(jí)說(shuō)明：①狀態(tài)A：施加干擾過(guò)程中及過(guò)程后，功能應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求 （允許在設(shè)計(jì)容差范圍內(nèi)）。②狀態(tài)B：施加干擾過(guò)程中功能應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，但允許超過(guò)限值或公差要求，移除干擾后，功能自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，存儲(chǔ)記憶功能應(yīng)滿足功能等級(jí)A的要求。③狀態(tài)C：施加干擾過(guò)程中，允許功能偏離設(shè)計(jì)要求，移除干擾后，功能自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，存儲(chǔ)記憶功能應(yīng)滿足功能等級(jí)A的要求。

由客戶EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)可知，產(chǎn)品在±8kV接觸放電條件時(shí)，允許產(chǎn)品狀態(tài)功能為C等級(jí)，滿足測(cè)試要求。在實(shí)際應(yīng)用中花屏現(xiàn)象可能是由人體帶靜電超過(guò)±8kV，按壓LCD屏?xí)r對(duì)屏放電，導(dǎo)致LCD屏花屏。這是因?yàn)樵诓煌瑵穸葪l件下，人體活動(dòng)產(chǎn)生的靜電電位有所不同，在寒冷干燥的季節(jié)里，人體靜電可達(dá)幾千伏甚至上萬(wàn)伏。

6）拆除故障件分析，按壓時(shí)LCD屏與周圍結(jié)構(gòu)無(wú)干涉，排除因按壓之后LENS接觸到LCD屏的機(jī)械干涉導(dǎo)致LCD屏出現(xiàn)顯示屏的邊框。

綜合分析，產(chǎn)品功能正常，且滿足客戶設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；閃現(xiàn)花屏是由于在低溫下，人體易帶靜電 （人體帶電與空氣干燥程度和衣服材料有強(qiáng)相關(guān)性），導(dǎo)致按壓空調(diào)面板旋鈕LCD屏?xí)r，對(duì)屏幕釋放靜電導(dǎo)致花屏現(xiàn)象。

3.2 優(yōu)化方案及驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)上述分析，LCD屏閃現(xiàn)花屏是由于人體帶靜電導(dǎo)致，為改善空調(diào)面板上LCD出現(xiàn)的花屏現(xiàn)象，提升產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)，遵循ESD防護(hù)設(shè)計(jì)原則，同時(shí)考慮成本最優(yōu)理念，采取以下優(yōu)化措施來(lái)解決LCD花屏問(wèn)題。

因?yàn)榭照{(diào)面板滿足設(shè)計(jì)要求且通過(guò)客戶的ESD測(cè)試試驗(yàn)，并且從LCD的設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)上優(yōu)化改善的話，時(shí)間周期長(zhǎng)，成本高。另一方面，LCD位于編碼器內(nèi)部且可視范圍大，且LENS和LCD屏間距非常小，僅為0.05mm，再加上編碼器內(nèi)部機(jī)構(gòu)的局限性，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不能支持LCD屏上表面加導(dǎo)電布和鐵框。

所以根據(jù)該空調(diào)面板LCD屏的產(chǎn)品實(shí)際，采用另一種“導(dǎo)”的方案。

1）在LCD屏上加雙面ITO，同時(shí)在FPC連接器處搭鐵：LCD屏雙面加銦錫氧化物半導(dǎo)體透明導(dǎo)電膜 （Indium Tin Oxides，ITO，具有良好的導(dǎo)電性和透明性，厚度納米級(jí)，透光率達(dá)90%以上），同時(shí)將FPC改為雙層，增加一層獨(dú)立的搭鐵層，如圖3、圖4所示。

圖3 ITO+FPC搭鐵方案示意圖

圖4 LCD增加ITO示意圖

2）增加放電面積，把放電的鐵片改為鐵圈，如圖5所示。

圖5 放電鐵片改為鐵圈示意圖

3）優(yōu)化方案驗(yàn)證。ESD測(cè)試結(jié)果，合格，見(jiàn)表3。

表3 ESD測(cè)試結(jié)果

人體產(chǎn)生的靜電量受環(huán)境因素及個(gè)人體質(zhì)影響，最終結(jié)果可能各不相同，可以從幾千伏到幾萬(wàn)伏；人體的帶電一般需要在干燥的環(huán)境下經(jīng)歷累積過(guò)程，當(dāng)人體靜電積累到一定程度，按壓LENS時(shí)，才會(huì)對(duì)LCD屏釋放靜電，故出現(xiàn)花屏現(xiàn)象屬于概率事件。

當(dāng)人體對(duì)LCD屏釋放靜電后，靜電會(huì)慢慢通過(guò)PCB GND釋放，最終花屏現(xiàn)象消失。人體靜電釋放完之后，按LCD屏不會(huì)花屏，且短期內(nèi)也不會(huì)產(chǎn)生高壓靜電，人體靜電損壞ESD的風(fēng)險(xiǎn)極低。

4 結(jié)論

ESD在汽車電子產(chǎn)品中是一個(gè)難以繞過(guò)的話題，尤其是前期按主機(jī)廠ESD標(biāo)準(zhǔn)要求，不存在品質(zhì)問(wèn)題，只有在特定條件下，才出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，本文就是一個(gè)很好的例子。所以滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)并不是評(píng)判產(chǎn)品性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)，還需考慮更多實(shí)際的使用因素以應(yīng)對(duì)汽車復(fù)雜的使用環(huán)境和多樣化使用條件。建議設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)初期應(yīng)綜合考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、零件材料以及電子元器件等因素，結(jié)合實(shí)際使用方式，靈活運(yùn)用，以確保和提高ESD要求，才能使產(chǎn)品在使用中經(jīng)得起任何環(huán)境變化的考驗(yàn)。