汽車后空調控制面板ESD故障分析及優化方案

胡 斌，張立新，郭慶鐵

（溫州長江汽車電子有限公司，浙江 溫州 325000）

隨著汽車的普及，車載空調控制面板的功能越來越強大，新產品不局限溫度／風量調節，將集成車內氛圍燈調節、溫度／風量顯示等功能，豐富的人機交互功能集成一起已成為車載空調系統的發展趨勢之一。對于帶有微電子控制單元的人機交互系統，駕乘客使用頻繁，產品設計人員需考慮人體靜電放電 （ESD）干擾問題［1］。

Electro-Static discharge“靜電釋放”簡稱ESD。人體ESD是一種常見的自然現象，具有高電位、強電場、瞬時大電流等特點［2］。ESD干擾可能會使敏感電子控制系統出現工作異常、死機、甚至損壞等現象，對于半導體元器件來說，還有可能使其形成潛在的累積損傷，使控制系統的可靠性降低，引發重大事故［3］。故在車載產品上市之前，必須要專業的檢測部門進行一系列的ESD測試。其中接觸類放電、空氣放電都需要達到相應等級的要求，這就對車載產品的設計提出了較高的要求。在車載新產品開發中，一般需考慮對ESD進行防護的部位有：顯示屏、USB接口、AUX接口、按鍵電路、電源及其他各類數據傳輸接口。

本文以某汽車后空調控制面板 （下文簡稱“RCP”）開發階段ESD試驗異常為出發點，針對ESD問題的產生原因進行了分析，最后得出驗證結果及優化方案。

1 問題描述

RCP在空氣放電測試時，分別進行接觸類放電、空氣放電±4 kV、±6 kV、±8 kV、±15 kV試驗測試，其中對裝飾條與LENS附近進行-6 kV的ESD放電時 （圖1中圓點為ESD放電測試點），LCD屏幕存在輕微閃爍，嚴重情況下LCD打壞不顯示或者LCD驅動芯片損壞，不滿足ESD放電等級要求。

靜電釋放放電要求見表1。

圖1 ESD靜電測試點

表1 靜電釋放放電要求

靜電釋放放電等級說明。

1）A級：RCP在施加騷擾期間和之后，能執行其預先設計的所有功能。

2）B級：RCP在施加騷擾期間，能執行其預先設計的所有功能；然而，可以有一個或多個指標超過規定的偏差。所有功能在停止施加騷擾之后，自動恢復到正常工作范圍內。存儲功能應維持A類水平。

3）C級：RCP在施加騷擾期間，不執行等級A預先設計的一項或多項功能，但在停止施加騷擾之后能自動恢復到正常操作狀態［4］。

2 失效機理分析

首先，我們對RCP電源接口電路進行了排查，在電源模塊靠近接插件端并聯了TVS管用來泄放浪涌電壓，見圖2。通過對故障件接口電路TVS管等防護原件的檢查發現，這些防護原件并未損壞且可以起到浪涌電壓泄放功能。這與RCP靜電釋放失效的實際現象存在一定的偏差。所以，基本可以排除失效現象是通過接口電路造成。

圖2 RCP電源接口電路原理圖

其次，我們對RCP的放電位置以及失效現象進行了分析。發現大部分的失效集中在RCP裝飾條側，而且其放電點位置越靠近裝飾條與LCD上方靠近的位置 （圖1虛線框處），其失效現象就越嚴重。

然后，我們查看裝飾條與LCD上方靠近位置的PCB布局（圖3），發現上述位置存在著LCD的針腳連接至PCB，與造成失效的放電位置相吻合。

圖3 PCB布局圖

最后，結合PCB布局以及失效機理分析，基本可以判斷RCP LCD的靜電釋放失效原因在于裝飾條將電引入造成。因為靜電電荷具有向電位相對低的導體進行泄放電荷的特性，由此將釋放在裝飾條和LCD上方位置間縫隙的靜電電荷導入至LCD針腳，從而擊穿LCD或LCD芯片。

理想的ESD靜電釋放路徑設計如圖4所示，ESD放電測試點在裝飾條上或在裝飾條與LENS之間縫隙處，靜電會進入RCP內部，通過LCD下方金屬框、與彈簧連著PCBA靜電釋放點，PCBA靜電釋放點串聯大電容，通過系統接地釋放出去。

圖4 理想的ESD靜電釋放路徑示意圖

實際試驗過程中，如圖5、圖6所示，靜電進入RCP內部后，會進入LCD表面或PIN腳，致使-6 kV的ESD放電時，LCD屏幕存在輕微閃爍，甚至LCD字符不顯示。

圖5 實際的靜電釋放路徑示意圖

圖6 RCP局部爆炸圖及試驗靜電釋放路徑

3 優化方案

對于靜電釋放干擾的處理，無非是用“引”和“隔”兩種解決方式［4］。“引”：將靜電流引導向地，不對RCP內部諸如LCD及其他元器件造成影響；“隔”：隔離靜電釋放，不讓靜電流打入RCP內部，造成RCP內部的器件損壞。

根據以上原則，分別對機械結構和PCBA進行優化。

3.1 機械結構優化

制作手工樣件，將RCP直接用裝飾條素材 （材質PC+ABS），同時將LCD表面包覆一層銅箔，并將銅箔引到靜電釋放點 （彈簧處），進行靜電釋放測試，測試結果滿足靜電釋放放電要求。受其啟發，制作以下優化方案。

客戶定義裝飾條外觀為啞光電鍍，裝飾條基材為PC+ABS不導電，外觀效果為電鍍，其成份里Ni、Cu及Cr皆為良導體，靜電流通過其進入RCP內部，為避免靜電流進入，需將其絕緣。保證裝飾條外觀效果不變前提下，可將其電鍍改為真空電鍍或者噴涂仿電鍍油漆。此為盡量隔離靜電流進入RCP內部。

為避免LCD表面與LENS接觸損傷或異響風險，LCD表面覆一層海綿 （厚度0.3～0.5 mm），當靜電流進入RCP內部時，海綿稀疏且薄，起不到阻擋靜電流作用，也不能將靜電流引到PCBA上，因RCP結構及實際量產可操作性，將LCD海綿上增加一層導電布 （厚度0.1～0.15 mm） （圖7），并延伸到靜電釋放點 （彈簧處）。目的是將LCD表面上靜電流引到PCBA上。

圖7 LCD表面增加導電布

3.2 PCBA優化

受“引”原則的啟發，將LCD的27個引腳，每個引腳串接電容，同時將LCD表面包覆一層銅箔，并將銅箔引到靜電釋放點 （彈簧處），進行靜電釋放測試，測試結果滿足靜電釋放放電要求。目的是將LCD表面和LCD針腳附近的靜電流引到PCBA上，如圖8所示。

圖8 PCBA每個LCD針腳串接電容

3.3 優化方案驗證及成本

方案1：（LCD 27個引腳，每個引腳串接電容）+（LCD海綿上增加一層導電布），方案驗證如下。

1）靜電釋放實驗結果：合格 （表2）。

表2 方案1靜電釋放實驗結果

2）成本變化：增加27個保護電容及導電布成本增加。

3）↑價格預估：27*0.1+2=↑4.70元不含稅。

方案2：裝飾條由啞光電鍍改為真空電鍍+（LCD海綿上增加一層導電布），方案驗證如下。

1）靜電釋放實驗結果：合格 （表3）。

表3 方案2靜電釋放實驗結果

2）成本變化：真空電鍍較普通電鍍成本增加、導電泡棉成本增加。

3）↑價格預估：6+2=↑8.00元不含稅。

方案3：裝飾條由啞光電鍍改為噴仿電鍍漆+（LCD海綿上增加一層導電布），方案驗證如下。

1）靜電釋放實驗結果：合格 （表4）。

表4 方案3靜電釋放實驗結果

2）成本變化：①導電泡棉：成本增加；②噴漆裝飾條：較電鍍工藝成本下降。

3）↓價格預估：1-6.6=↓5.6元不含稅。

4 結果與討論

本文介紹機械結構優化和PCBA優化的方法均可以解決LCD被靜電干擾的問題，經過試驗驗證，可以滿足GB／T 17626.2-2006標準的帶電測試的接觸放電和空氣放電±4 kV、±6 kV、±8 kV、±15 kV四個等級要求。

5 結論

ESD是一個比較難解決的問題，通常因設備的整體造型效果，外觀會有金屬件或者電鍍件等，致使ESD進入設備內部的捷徑。為此需將 ESD引導入地或者用“隔”的方式切斷 ESD進入設備內部，建議設計人員在開發初期應該多考慮優化結構、零部件材料以及電子元器件結合靈活運用，以確保滿足要求，成本最優的方案。