设计阶段 - 盖子组装机械部分 2

欢迎来到开源笔记本电脑盖板组装设计的第二部分！在上一期中，我们更仔细地探讨了笔记本电脑盖板的基本设计概念，以及我们如何将各种传感器集成到显示屏中。

我们将沿着这条路继续前进，探索两种将传感器PCB集成到显示面板上方的方法。这将直接影响到盖板剩余机械设计，所以让我们看看如何应对这一挑战。

带有FPC的网络摄像头PCB连接到主板

首先，您可能还记得我们需要集成多个传感器；包括两个MEMS麦克风、一个环境光传感器、一个摄像头传感器和七个电容式触摸键。此外，我们必须确保触摸键有均匀的背光，每个键一个LED。每个传感器都有独特的高度要求，但它们都需要参照盖板玻璃的下侧。为了在单个PCB上安装所有这些传感器，我们需要设计一个具有多个高度区域的板。

虽然不同传感器的高度要求在规格表上清楚地记录了下来，但背光电容触摸键的情况则更加复杂。在关注网络摄像头板的形状和集成之前，让我们先解决电容触摸传感器的问题。

电容触摸键

电容触摸键应该允许用户激活或停用某些隐私关键功能，如麦克风、网络摄像头或WiFi连接。激活或停用这些功能通常由操作系统处理。我们希望能够在硬件中禁用这一软件层——意味着我们可以在没有操作系统干预的情况下中断这些功能模块的电源——由于软件层的不透明性。

通常，简单的硬件开关或滑块被用来遮盖摄像头或麦克风。然而，在我们的全玻璃正面笔记本电脑设计中，这不是一个选项。相反，我们将在屏幕上方放置背光图标，可以通过电容触摸感应来激活或停用。

要实现这个结果，我们需要一种可靠的方法通过1mm或更厚的覆盖玻璃来感应触摸。用于触摸检测的ASIC必须具有更高的灵敏度，因为传感器电极与触摸输入之间的距离增加。在传感垫与触摸输入之间有相当距离的情况下，不仅需要非常高的灵敏度，整个设置的信噪比也必须足够。虽然可以在较大距离上感应触摸输入，但误触的动作变得更容易。随着感应距离的增加，我们的实际有用信号越来越接近感应ASIC的噪声底线。

为了使用具有适度灵敏度和信噪比的低成本感应ASIC，我们需要将感应电极尽可能地靠近触摸输入。

在我们的案例中，这意味着将电极放在覆盖玻璃的背面。我们需要做的就是在玻璃的背面贴上一层薄薄的PCB。然而，这引入了一个新的挑战：当铜电极挡在前面时，我们如何照亮图标呢？

作为一种解决方法，我们会想要在图标的轮廓处放置铜材，同时在板上留出一个仅比覆盖玻璃上印刷的触摸图标大0.3mm的切口。

好消息是，FPC的制造过程对我们有利。与至少需要1mm直径铣刀的刚性PCB不同，FPC是用激光切割的。这允许更复杂的特征而不需要最小角半径。此外，与传统铣削相比，激光路径通常提供更紧密的对铜艺术品的定位容差。

印在覆盖玻璃上的图标

带有图标切口的触摸感应板

你会注意到触摸图标的切口与覆盖玻璃上的印刷完美对齐。在一些地方，图标内的角半径仅为0.2mm，这对激光切割过程来说不是挑战。

FPC粘贴在覆盖玻璃上

使用FPC的另一个优点是，它们可以预先贴上3M双面胶带订购，这意味着我们不再需要将胶带裁剪到适当大小并在组装前将其贴在板上。

我们可以使用Altium Designer内的DXF导入功能，导入在CAD工具中定义的图标轮廓。这为我们节省了定义背光切割区域所花费的时间。

触摸键PCB的布局

上面的布局截图显示了触摸垫围绕相关图标。在垫子与地面倾泻重叠的区域，为了最小化触摸键相对于地面的电容，地面多边形被剖分。

触摸板FPC的布局可以在这里找到：

PCB集成方法#1

现在我们知道了触摸感应垫将如何集成到系统中，我们可以更仔细地看看我们想如何整合整个网络摄像头PCB。

在上一次更新中，我们简要查看了FPC方法。使用了一种四层印刷电路板，配备不同厚度的加强片，以便在需要的地方使电路板更接近盖板底部。

在Altium Designer中定义了三层堆叠区域：

层堆叠柔性PCB

最左侧和最右侧的区域配备了1.2 mm厚的FR4加强片。这减少了麦克风和环境光传感器到盖板的距离，仅为1.1 mm。

然而，在中间部分，我们使用了0.2mm不锈钢加强片。摄像头传感器和FPC板对板连接器将安装在这个平坦的部分上。

通过在Altium Designer中定义正确的加强片类型和位置，我们可以导出其折叠安装状态的电路板：

安装这种柔性PCB带来了另一组挑战。中间部分没有自己的安装孔。这是因为中心部分下方的材料厚度不足以使用安装螺丝。然而，这部分也需要固定，所以我们需要找到另一种实现方式。

安装这部分的计划是使用一种薄不锈钢部件，通过使用SLM 3D打印的金属弯曲工具将其弯曲成所需形状。

安装弹簧的CAD模型

弯曲工具的3D渲染图

正如你可能已经意识到的，这种集成方法很快就变得相当复杂。与这种方法相关的有几个问题和成本驱动因素：

• 这种方法只允许使用4层柔性PCB以保持较小的弯曲半径。这使得布局具有挑战性，并且如果需要进一步更改，很难适应；

• 由于不同的加强片厚度，组装柔性PCB需要专门的制造工具；

• 需要专门的工具来弯曲柔性PCB的安装弹簧。

组装柔性电路板对一些PCBA供应商来说可能是一个挑战。大多数PCB组装厂的制造设备都是针对平面刚性PCB的。处理一个柔性的且厚度不同的PCB需要在制造过程中增加额外的夹具。

柔性PCB甚至可能使电路板的手动组装变得困难。这是一个了解在生产环境中需要处理哪些挑战的好机会。尽管这种柔性PCB没有在最终的笔记本电脑设计中使用，让我们快速看看PCBA供应商需要处理的两个制造挑战：

#1 焊膏印刷

焊膏印刷需要焊膏模板平放在PCB表面上。分配焊膏的刮刀对模板和下面的板施加力，PCB需要能够支撑这种力并且在印刷过程中不弯曲。对于具有不同加强片厚度的柔性PCB，需要一个工具来支撑板。对于手动焊膏印刷过程，可以使用3D打印的夹具。

3D打印夹具，用于粘贴打印

#2 组件装配

就像焊膏打印过程一样，贴片机也依赖于PCB在机器中被牢固地固定。通常使用面板边缘的工具条来实现这一点。

虽然用于柔性PCB的面板也提供了这些工具条，但它们无法在组装过程中保持板材固定。组装这种柔性板需要一个额外的安装板。

这些夹具并不总是需要的，这主要取决于PCBA供应商使用的机器以及面板的几何形状/布局。如果可以将加固段连接在一起，可能无需额外的支持硬件就能组装这样的板。然而，在我们的案例中，这是不可能的。

面板化的柔性PCB

上述挑战，以及使用柔性PCB为网络摄像头模块设计增加的复杂性，是为什么这种方法没有被用于最终系统的原因。

我们将在下一次更新中找出选择了哪种方法以及伴随而来的问题是什么！我希望你能继续关注开源笔记本电脑项目的下一期。