車載觸控屏過電應(yīng)力失效分析及微短路缺陷檢測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)

林偉浩，沈 奕

（汕頭超聲顯示器技術(shù)有限公司，廣東汕頭 515065）

0 引言

隨著車載智能座艙電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，電容式觸摸屏作為關(guān)鍵的人機(jī)交互接口，逐漸在汽車內(nèi)飾電子設(shè)計(jì)中得到普遍應(yīng)用，而汽車電子產(chǎn)品面臨的工作環(huán)境通常非常嚴(yán)苛，環(huán)境噪聲較大，且存在各類干擾源，特別是在整車電子系統(tǒng)中，主板基本包含多個(gè)高壓器件和低壓邏輯電路等模塊，因此運(yùn)行環(huán)境具有大電壓、大電流及強(qiáng)磁場(chǎng)等特點(diǎn)。與此同時(shí)，為匹配車載觸控功能的迭代升級(jí)擴(kuò)展，伴隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)及工藝的飛速發(fā)展，車載觸控芯片的集成度越來越高，芯片內(nèi)部工藝尺寸已達(dá)到100 nm級(jí)別。因觸控芯片內(nèi)部包含著非常密集的邏輯電路，外部過電應(yīng)力（Electrical Over Stress，EOS）對(duì)其造成的影響也越來越大，此類深亞微米集成電路的可靠性問題也日趨嚴(yán)峻［1］。因此，為進(jìn)一步提升觸摸屏產(chǎn)品在汽車應(yīng)用領(lǐng)域的可靠性和穩(wěn)定性，以及達(dá)成汽車車廠對(duì)零部件上線裝車的功能零缺陷要求，研究EOS的源頭、失效機(jī)理、防護(hù)措施及檢測(cè)方式等方面將變得至關(guān)重要。

本文介紹了EOS的產(chǎn)生源頭及防護(hù)改善設(shè)計(jì)方法，通過結(jié)合實(shí)際EOS失效案例分析，提出了規(guī)范的失效分析流程，并著重針對(duì)因EOS造成的通信接口線路微短路缺陷較難及時(shí)有效檢出的難題，開展檢測(cè)系統(tǒng)的分析與研究，搭建了改進(jìn)后的檢測(cè)系統(tǒng)，并最終通過了有效性驗(yàn)證。

1 車載觸摸屏EOS產(chǎn)生機(jī)理

1.1 電容式觸摸屏的工作機(jī)理

車載電容式觸摸屏通常是采用黃光制程，將透明導(dǎo)電介質(zhì)氧化銦錫（ITO）以鍍膜和光刻的方式，在玻璃基板上制備形成以X軸、Y軸交叉分布的電容感應(yīng)電極矩陣，利用透明電極與觸摸體之間的靜電耦合所產(chǎn)生的電容變化來偵測(cè)觸控［2］。在觸摸屏處于通電工作狀態(tài)時(shí)，通過運(yùn)用觸摸芯片的驅(qū)動(dòng)控制電路，對(duì)電容觸控感應(yīng)器件實(shí)施連續(xù)的高頻交流充放電信號(hào)激勵(lì)、掃描、信號(hào)采集及數(shù)據(jù)處理等系列步驟。當(dāng)手指或其他接地導(dǎo)體觸碰到電容式觸摸屏表面時(shí)，會(huì)在觸摸位置形成耦合電容，該耦合電容與觸摸屏感應(yīng)器件的內(nèi)部電容形成并聯(lián)電路，從而改變了內(nèi)部電容的容量。通過對(duì)觸控感應(yīng)器件的X軸及Y軸電極進(jìn)行持續(xù)驅(qū)動(dòng)掃描，可檢測(cè)到屏體產(chǎn)生電容值變化的具體節(jié)點(diǎn)位置，觸控芯片通過偵測(cè)此電容量的變化演算出觸摸位置的坐標(biāo)信息，并上報(bào)給主機(jī)端做進(jìn)一步的應(yīng)用處理［3］。

1.2 EOS失效機(jī)理分析

過電應(yīng)力EOS是指元器件承受的電流或電壓應(yīng)力超過其允許的規(guī)格范圍上限值［4］。EOS現(xiàn)象在汽車電子系統(tǒng)中廣泛存在。例如主板電路開關(guān)、繼電器等配電器件在轉(zhuǎn)換瞬間會(huì)產(chǎn)生極大的供電浪涌、瞬態(tài)電流或噪聲，這將導(dǎo)致電壓瞬變傳遞耦合到主板中的其他電子器件，從而產(chǎn)生EOS 現(xiàn)象；在邏輯電路中，感性負(fù)載也易與集成電流元器件發(fā)生互感，產(chǎn)生瞬態(tài)大電流，形成EOS 現(xiàn)象；此外，當(dāng)集成電路的閂鎖靈敏度較低或超出安全工作區(qū)額定電壓，不適當(dāng)?shù)纳想姇r(shí)序或存在接地與屏蔽不良等情況時(shí)，均容易導(dǎo)致產(chǎn)生EOS現(xiàn)象。

當(dāng)外界電應(yīng)力超過器件可承受的最大規(guī)范條件時(shí)，器件性能將會(huì)減弱甚至損壞。EOS 持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短和能量的大小決定了對(duì)器件施加應(yīng)力的高低。長(zhǎng)時(shí)間的高電壓或大電流過載現(xiàn)象將產(chǎn)生大的熱量，造成器件局部高溫［1］，此瞬態(tài)焦耳熱最終將可能導(dǎo)致金屬線路熔化、芯片內(nèi)部氧化層退化或柵氧層擊穿現(xiàn)象等。

EOS失效主要來源于對(duì)器件功能線路施加了持續(xù)的超規(guī)格電壓或電流等應(yīng)力，通常情況下使EOS 發(fā)生的電應(yīng)力需要持續(xù)1 ms以上，但微秒量級(jí)的電應(yīng)力也能造成過電力現(xiàn)象的產(chǎn)生。EOS造成的損傷主要表現(xiàn)為元器件性能劣化或功能失效。觸控集成電路（IC）是車載電容觸摸屏的核心組件，當(dāng)觸控芯片受到任何超出規(guī)格上限值的異常電應(yīng)力時(shí)，都可能導(dǎo)致芯片電路損壞。據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，EOS 是引起芯片現(xiàn)場(chǎng)失效的最主要原因［5］。

1.3 EOS與ESD差異說明

靜電放電（Electro Static Discharge，ESD）失效是指當(dāng)帶靜電的人或物體與產(chǎn)品接觸并通過器件向地網(wǎng)絡(luò)或者其他物體放電時(shí)，其高電壓及其產(chǎn)生的勢(shì)能可能造成器件的損傷。ESD 的主要特點(diǎn)是高電壓（瞬間高電壓大于1 kV），低能量（微焦耳量級(jí)）和作用時(shí)間短（通常持續(xù)時(shí)間為1～100 ns）。而EOS 的主要特點(diǎn)是低電壓（小于100 V），高峰值電流（通常在10 A以上）和作用時(shí)間長(zhǎng)（大于1 ms）），且EOS 損失基本存在失效熱點(diǎn)。

2 車載觸摸屏EOS失效實(shí)例分析

2.1 EOS失效實(shí)例問題概述

車廠客戶在將觸摸屏產(chǎn)品組裝成整機(jī)后進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)存在個(gè)例觸摸功能異常，表現(xiàn)為無法實(shí)現(xiàn)觸控響應(yīng)，通過查看分析整機(jī)的測(cè)試日志（LOG）文件，確認(rèn)該主機(jī)與觸摸屏之間的I2C通信存在異常，而該觸摸屏單體在零部件通用功能測(cè)試平臺(tái)上可以正常檢測(cè)，且各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均合格。經(jīng)過做進(jìn)一步的主機(jī)交叉驗(yàn)證，確定不良現(xiàn)象跟隨觸摸屏單體，通過對(duì)比觸摸屏不良品與正常品在接入整機(jī)端主板的I2C接口通信時(shí)序波形，如圖1～2 所示，確認(rèn)該觸摸屏不良品的SCL 時(shí)鐘線的電平無法正常拉低，低電平懸浮在1.7 V左右，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信異常。

圖1 觸摸屏不良品在整機(jī)端的I2C通信時(shí)序波形

圖2 觸摸屏正常品在整機(jī)端的I2C通信時(shí)序波形

2.2 EOS失效分析

2.2.1 功能引腳的二極管特性及阻抗測(cè)量

經(jīng)分別測(cè)量觸摸屏不良品SCL功能引腳與地網(wǎng)絡(luò)GND、屏體供電電源VDD之間的二極管特性電壓及電阻值等，確認(rèn)該觸摸屏的SCL功能線路與VDD之間存在阻值約280 Ω的微短路缺陷，如表1 所示。通過對(duì)觸摸屏組件排查，鎖定該微短路缺陷存在于觸控芯片中。

表1 觸摸屏不良品SCL線路二極管特性及阻抗測(cè)量

2.2.2 觸控芯片失效分析

為進(jìn)一步確認(rèn)觸控芯片SCL 微短路缺陷的失效模式及根本原因，著重從電性分析和物理分析兩方面開展深度剖析，目的在于找出失效根源并總結(jié)失效機(jī)理，便于后續(xù)制定相應(yīng)的防護(hù)改善措施及改進(jìn)單體檢測(cè)系統(tǒng)，從而提高觸摸屏的整體可靠性及穩(wěn)定性。觸控芯片器件檢查如圖3 所示。

圖3 觸控芯片器件檢查

（1）通過對(duì)不良品觸控芯片進(jìn)行非破壞性分析檢查，主要包含產(chǎn)品外觀檢查、掃描聲學(xué)顯微鏡檢查（Scanning Acoustic Microscopy，SAM）及X射線（X－RAY）檢查，如圖3（a）～3（c）所示，均未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)顆粒、夾雜物、沉淀物、內(nèi)部裂紋、分層缺陷、氣泡或空隙等方面的異?，F(xiàn)象。

（2）通過化學(xué)開蓋方式（Chemical Decapsulation，DECAP）打開觸控芯片封裝，并進(jìn)行顯微鏡檢，如圖3（d）所示，該開蓋測(cè)試同樣未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

（3）在完成開蓋測(cè)試后，通過故障隔離分析法及漏電流路徑分析手段，采用液晶熱點(diǎn)檢測(cè)分析技術(shù)（Liquid Crystal Thermography Analysis，LCA），利用液晶材料特性，通過在正交偏振光下觀察液晶的相變點(diǎn)來檢測(cè)熱點(diǎn)［4］，從而找出集成電路存在的漏電區(qū)域。觸控芯片LCA檢查及剝層SEM鏡檢如圖4 所示。通過LCA技術(shù)，在觸控芯片SCL引腳功能線路上檢測(cè)到熱點(diǎn)，如圖4（a）所示。

（4）經(jīng)過上述LCA電性分析，通常只能找出缺陷在芯片版圖上的大致位置［6］，為明確缺陷的具體情況，就需要進(jìn)一步開展物理分析，物理分析工具或手段主要包括芯片去層處理技術(shù)（Deprocessing）、聚焦離子束（Focused Ion Beam，F(xiàn)IB）、掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）、透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）及缺陷化學(xué)成分分析等。即電性分析實(shí)現(xiàn)對(duì)失效點(diǎn)的形貌觀測(cè)和微觀表象分析，是物理分析的前提，而物理分析的結(jié)果將是電性分析的目的和佐證。針對(duì)該失效案例，為明確缺陷的物理位置，通過對(duì)介質(zhì)逐層剝離，并利用SEM 對(duì)缺陷的微觀物理表象進(jìn)行鏡檢分析，如圖4（b）～4（d）所示。分析結(jié)果表明，在芯片熱點(diǎn)區(qū)域中的柵極氧化層存在過電壓力擊穿損傷現(xiàn)象。

圖4 觸控芯片LCA檢查及剝層SEM鏡檢

2.3 失效分析結(jié)論

通過上述分析流程步驟，確認(rèn)車載觸摸屏不良品所搭載的觸控芯片內(nèi)部SCL功能線路存在LCA熱點(diǎn)，因電子器件在受到EOS損傷后，會(huì)在局部形成熱點(diǎn)［4］，當(dāng)局部熱點(diǎn)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)時(shí)，將會(huì)致使材料熔化，形成開路或短路，甚至導(dǎo)致器件燒毀。特別是由于深亞微米級(jí)NMOS 管的柵氧化物較薄，漏極擊穿電壓較低［5］，極易在過電應(yīng)力條件下被擊穿和燒毀。因此，可診斷確定該不良品是因EOS損傷而引起芯片內(nèi)部SCL線路與電源VDD線路之間出現(xiàn)微短路缺陷，從而導(dǎo)致觸摸屏無法與整機(jī)主板進(jìn)行I2C接口通信，最終表現(xiàn)為觸摸功能異常。

針對(duì)案例所述觸摸屏不良品在零部件通用功能測(cè)試平臺(tái)上仍可以正常檢測(cè)通過的狀況，經(jīng)與整機(jī)主板進(jìn)行差異對(duì)比分析，確認(rèn)兩者所用的主控芯片MCU與總線環(huán)境均不同，零部件通用測(cè)試板上的功能接口GPIO 驅(qū)動(dòng)電流能力較強(qiáng)，且下管導(dǎo)通電阻足夠小，因此即便在存在微短路阻抗的異常場(chǎng)景下，仍能把GPIO口的電平拉低。將異常品連接到零部件測(cè)試板上進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)到SCL 低電平為0.3 V 左右，因此仍可以正常進(jìn)行I2C接口通信。而整機(jī)主板GPIO口的下管導(dǎo)通電阻偏大，無法兼容外部線路的微短路影響，因而在接入觸摸屏異常品后，低電平只能拉低到1.7 V左右，從而導(dǎo)致接口通信出現(xiàn)異常。

3 車載觸摸屏的EOS防護(hù)改善措施

EOS的防護(hù)設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量及使用情況，針對(duì)電容式觸摸屏在汽車人機(jī)交互接口中的應(yīng)用，EOS 現(xiàn)象的預(yù)防及控制在產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、制程環(huán)境管控及檢測(cè)方式等環(huán)節(jié)上均需綜合評(píng)估及同步導(dǎo)入防護(hù)改善措施［7］。硬件設(shè)計(jì)方面，在輸入電源和接地中建議增加濾波器，并在器件級(jí)電路設(shè)計(jì)中適當(dāng)增加限流保護(hù)元件（例如電阻、有源分離器等）與限壓保護(hù)元件（例如瞬態(tài)電壓抑制器TVS 管），同時(shí)確保觸控芯片GND與系統(tǒng)良好共地；軟件設(shè)計(jì)方面，保證上電和斷電時(shí)序的軟件程序符合器件準(zhǔn)則要求；制程環(huán)境管控方面，通過源頭管控減少制程發(fā)生EOS現(xiàn)象的概率；檢測(cè)方式方面，在生產(chǎn)檢測(cè)前開展常規(guī)的連接測(cè)量和驗(yàn)證，確保零部件插入的正確性，并規(guī)避接觸不良，反向或錯(cuò)位插入等情況。

4 微短路缺陷檢測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

鑒于EOS損傷部分表現(xiàn)為相對(duì)隱蔽的微缺陷，且部分微缺陷在特定的使用條件下才會(huì)表現(xiàn)出功能不良，因此潛在零件級(jí)缺陷漏檢風(fēng)險(xiǎn)。為改進(jìn)提升觸摸屏零部件通用功能測(cè)試平臺(tái)的微短路缺陷檢出性能，經(jīng)分析確認(rèn)，微短路缺陷不良品的實(shí)測(cè)工作電流值為22 mA，而正常品的實(shí)測(cè)電流值為18 mA，因此基于該差異因素，對(duì)觸摸屏通用檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。如圖5所示，該檢測(cè)系統(tǒng)主要包含PC控制終端、高精度數(shù)字電流測(cè)量?jī)x器、升級(jí)版產(chǎn)品測(cè)試軟件、通信接口轉(zhuǎn)換測(cè)試板及待測(cè)產(chǎn)品等組件。

圖5 微短路缺陷檢測(cè)系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)采用安捷倫五位半高精度數(shù)字電流測(cè)量?jī)x器34 450 A作為檢測(cè)模型下的電流測(cè)量模塊，該儀器可精密測(cè)量微安級(jí)電流，并支持與PC控制終端建立測(cè)量數(shù)據(jù)通信。產(chǎn)品測(cè)試軟件則基于虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)（Virtual Instrument Software Architecture，VISA COM），選取可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（Standard Commands for Programmable Instruments，SCPI）作為儀器控制語(yǔ)言［8］，并以此為重要支撐，通過USB通信接口，實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)測(cè)量?jī)x器的控制、數(shù)據(jù)采集、傳輸及分析處理等。在硬件驅(qū)動(dòng)程序搭建方面，基于安捷倫VISA COM IO庫(kù)文件，按USB接口協(xié)議獲取相關(guān)設(shè)備地址，并將34 450 A儀器掛載進(jìn)測(cè)試系統(tǒng)，從而建立起控制終端系統(tǒng)與測(cè)量?jī)x器之間的連通性。在軟件測(cè)試項(xiàng)開發(fā)方面，產(chǎn)品測(cè)試軟件通過調(diào)用SCPI 命令進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，以及控制儀器執(zhí)行相應(yīng)指令。在實(shí)施測(cè)試前，預(yù)設(shè)置好設(shè)備信息、測(cè)量模式及測(cè)量采樣數(shù)等參數(shù)，并由此形成專用的測(cè)試配置文件，供系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)調(diào)用導(dǎo)入使用。

新開發(fā)的系統(tǒng)檢測(cè)軟件工具主要實(shí)現(xiàn)了在集成原先通用測(cè)試項(xiàng)的基礎(chǔ)上，新增在畫線測(cè)試界面下，觸發(fā)量測(cè)產(chǎn)品工作電流，并進(jìn)行卡控閾值比較，最終輸出判定結(jié)果，而且實(shí)現(xiàn)將測(cè)試的數(shù)據(jù)與診斷結(jié)果，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)為測(cè)試日志LOG 文件，可用于后續(xù)追溯時(shí)調(diào)取使用。如表2 所示。

表2 觸摸屏微短路缺陷品與正常品工作電流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過實(shí)際測(cè)量及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在該系統(tǒng)測(cè)試軟件中合理設(shè)定微短路缺陷的電流管控閾值，并將該新開發(fā)測(cè)試項(xiàng)融合到原先的檢測(cè)系統(tǒng)中。經(jīng)過實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證表明，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確有效，可檢出因EOS損傷而導(dǎo)致的微短路缺陷不良，達(dá)到檢測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過介紹電容式觸摸屏的工作原理及其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用背景，詳細(xì)闡述過電應(yīng)力EOS的產(chǎn)生與失效機(jī)理，并結(jié)合車載觸摸屏EOS 失效分析實(shí)例，深入剖析失效分析的流程步驟，建立起合理的分析規(guī)范，并相應(yīng)提出了防護(hù)改善措施。針對(duì)零部件通用檢測(cè)系統(tǒng)無法有效檢出通信接口線路微短路缺陷的難題，通過對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究及軟硬件平臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)，基于VISA COM 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制終端測(cè)試軟件調(diào)用SCPI 命令，建立與電流測(cè)量?jī)x器之間的數(shù)據(jù)通信，并整合集成原系統(tǒng)的其他測(cè)試項(xiàng)，同時(shí)使新系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)存儲(chǔ)測(cè)試日志LOG 文件功能，使得能夠滿足后續(xù)零部件單片流追溯分析的需求。改進(jìn)后的檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際測(cè)試應(yīng)用，可有效檢出微短路缺陷，具備良好的檢測(cè)效果，從整體上提高了產(chǎn)品的可靠性及穩(wěn)定性。