胡 斌，张立新，郭庆铁

（温州长江汽车电子有限公司，浙江 温州 325000）

随着汽车的普及，车载空调控制面板的功能越来越强大，新产品不局限温度／风量调节，将集成车内氛围灯调节、温度／风量显示等功能，丰富的人机交互功能集成一起已成为车载空调系统的发展趋势之一。对于带有微电子控制单元的人机交互系统，驾乘客使用频繁，产品设计人员需考虑人体静电放电 （ESD）干扰问题［1］。

Electro-Static discharge“静电释放”简称ESD。人体ESD是一种常见的自然现象，具有高电位、强电场、瞬时大电流等特点［2］。ESD干扰可能会使敏感电子控制系统出现工作异常、死机、甚至损坏等现象，对于半导体元器件来说，还有可能使其形成潜在的累积损伤，使控制系统的可靠性降低，引发重大事故［3］。故在车载产品上市之前，必须要专业的检测部门进行一系列的ESD测试。其中接触类放电、空气放电都需要达到相应等级的要求，这就对车载产品的设计提出了较高的要求。在车载新产品开发中，一般需考虑对ESD进行防护的部位有：显示屏、USB接口、AUX接口、按键电路、电源及其他各类数据传输接口。

本文以某汽车后空调控制面板 （下文简称“RCP”）开发阶段ESD试验异常为出发点，针对ESD问题的产生原因进行了分析，最后得出验证结果及优化方案。

1 问题描述

RCP在空气放电测试时，分别进行接触类放电、空气放电±4 kV、±6 kV、±8 kV、±15 kV试验测试，其中对装饰条与LENS附近进行-6 kV的ESD放电时 （图1中圆点为ESD放电测试点），LCD屏幕存在轻微闪烁，严重情况下LCD打坏不显示或者LCD驱动芯片损坏，不满足ESD放电等级要求。

静电释放放电要求见表1。

图1 ESD静电测试点

表1 静电释放放电要求

静电释放放电等级说明。

1）A级：RCP在施加骚扰期间和之后，能执行其预先设计的所有功能。

2）B级：RCP在施加骚扰期间，能执行其预先设计的所有功能；然而，可以有一个或多个指标超过规定的偏差。所有功能在停止施加骚扰之后，自动恢复到正常工作范围内。存储功能应维持A类水平。

3）C级：RCP在施加骚扰期间，不执行等级A预先设计的一项或多项功能，但在停止施加骚扰之后能自动恢复到正常操作状态［4］。

2 失效机理分析

首先，我们对RCP电源接口电路进行了排查，在电源模块靠近接插件端并联了TVS管用来泄放浪涌电压，见图2。通过对故障件接口电路TVS管等防护原件的检查发现，这些防护原件并未损坏且可以起到浪涌电压泄放功能。这与RCP静电释放失效的实际现象存在一定的偏差。所以，基本可以排除失效现象是通过接口电路造成。

图2 RCP电源接口电路原理图

其次，我们对RCP的放电位置以及失效现象进行了分析。发现大部分的失效集中在RCP装饰条侧，而且其放电点位置越靠近装饰条与LCD上方靠近的位置 （图1虚线框处），其失效现象就越严重。

然后，我们查看装饰条与LCD上方靠近位置的PCB布局（图3），发现上述位置存在着LCD的针脚连接至PCB，与造成失效的放电位置相吻合。

图3 PCB布局图

最后，结合PCB布局以及失效机理分析，基本可以判断RCP LCD的静电释放失效原因在于装饰条将电引入造成。因为静电电荷具有向电位相对低的导体进行泄放电荷的特性，由此将释放在装饰条和LCD上方位置间缝隙的静电电荷导入至LCD针脚，从而击穿LCD或LCD芯片。

理想的ESD静电释放路径设计如图4所示，ESD放电测试点在装饰条上或在装饰条与LENS之间缝隙处，静电会进入RCP内部，通过LCD下方金属框、与弹簧连着PCBA静电释放点，PCBA静电释放点串联大电容，通过系统接地释放出去。

图4 理想的ESD静电释放路径示意图

实际试验过程中，如图5、图6所示，静电进入RCP内部后，会进入LCD表面或PIN脚，致使-6 kV的ESD放电时，LCD屏幕存在轻微闪烁，甚至LCD字符不显示。

图5 实际的静电释放路径示意图

图6 RCP局部爆炸图及试验静电释放路径

3 优化方案

对于静电释放干扰的处理，无非是用“引”和“隔”两种解决方式［4］。“引”：将静电流引导向地，不对RCP内部诸如LCD及其他元器件造成影响；“隔”：隔离静电释放，不让静电流打入RCP内部，造成RCP内部的器件损坏。

根据以上原则，分别对机械结构和PCBA进行优化。

3.1 机械结构优化

制作手工样件，将RCP直接用装饰条素材 （材质PC+ABS），同时将LCD表面包覆一层铜箔，并将铜箔引到静电释放点 （弹簧处），进行静电释放测试，测试结果满足静电释放放电要求。受其启发，制作以下优化方案。

客户定义装饰条外观为哑光电镀，装饰条基材为PC+ABS不导电，外观效果为电镀，其成份里Ni、Cu及Cr皆为良导体，静电流通过其进入RCP内部，为避免静电流进入，需将其绝缘。保证装饰条外观效果不变前提下，可将其电镀改为真空电镀或者喷涂仿电镀油漆。此为尽量隔离静电流进入RCP内部。

为避免LCD表面与LENS接触损伤或异响风险，LCD表面覆一层海绵 （厚度0.3～0.5 mm），当静电流进入RCP内部时，海绵稀疏且薄，起不到阻挡静电流作用，也不能将静电流引到PCBA上，因RCP结构及实际量产可操作性，将LCD海绵上增加一层导电布 （厚度0.1～0.15 mm） （图7），并延伸到静电释放点 （弹簧处）。目的是将LCD表面上静电流引到PCBA上。

图7 LCD表面增加导电布

3.2 PCBA优化

受“引”原则的启发，将LCD的27个引脚，每个引脚串接电容，同时将LCD表面包覆一层铜箔，并将铜箔引到静电释放点 （弹簧处），进行静电释放测试，测试结果满足静电释放放电要求。目的是将LCD表面和LCD针脚附近的静电流引到PCBA上，如图8所示。

图8 PCBA每个LCD针脚串接电容

3.3 优化方案验证及成本

方案1：（LCD 27个引脚，每个引脚串接电容）+（LCD海绵上增加一层导电布），方案验证如下。

1）静电释放实验结果：合格 （表2）。

表2 方案1静电释放实验结果

2）成本变化：增加27个保护电容及导电布成本增加。

3）↑价格预估：27*0.1+2=↑4.70元不含税。

方案2：装饰条由哑光电镀改为真空电镀+（LCD海绵上增加一层导电布），方案验证如下。

1）静电释放实验结果：合格 （表3）。

表3 方案2静电释放实验结果

2）成本变化：真空电镀较普通电镀成本增加、导电泡棉成本增加。

3）↑价格预估：6+2=↑8.00元不含税。

方案3：装饰条由哑光电镀改为喷仿电镀漆+（LCD海绵上增加一层导电布），方案验证如下。

1）静电释放实验结果：合格 （表4）。

表4 方案3静电释放实验结果

2）成本变化：①导电泡棉：成本增加；②喷漆装饰条：较电镀工艺成本下降。

3）↓价格预估：1-6.6=↓5.6元不含税。

4 结果与讨论

本文介绍机械结构优化和PCBA优化的方法均可以解决LCD被静电干扰的问题，经过试验验证，可以满足GB／T 17626.2-2006标准的带电测试的接触放电和空气放电±4 kV、±6 kV、±8 kV、±15 kV四个等级要求。

5 结论

ESD是一个比较难解决的问题，通常因设备的整体造型效果，外观会有金属件或者电镀件等，致使ESD进入设备内部的捷径。为此需将 ESD引导入地或者用“隔”的方式切断 ESD进入设备内部，建议设计人员在开发初期应该多考虑优化结构、零部件材料以及电子元器件结合灵活运用，以确保满足要求，成本最优的方案。