Designphase – Mechanik der Deckelmontage Teil 3

Willkommen zum dritten Teil des Designs der Open-Source-Laptopdeckel-Montage! Im letzten Teil haben wir uns eine mögliche Methode angesehen, um das Webcam-Modul und alle verbundenen Sensoren in die Blende des Laptopdeckels zu integrieren.

Wir haben mehrere Herausforderungen bei dem Ansatz, der im vorherigen Artikel vorgestellt wurde, identifiziert. Die zusätzliche Montage- und Fertigungskomplexität, die mit der Verwendung einer flexiblen Leiterplatte verbunden ist, führte uns zu einer anderen Option, die nur eine starre Platine verwendet. Jetzt schauen wir uns an, wie diese Implementierung funktioniert.

Webcam-PCB im Inneren der Bildschirmblende montiert

Tochterplatine des Umgebungslichtsensors

Eine Herausforderung, die wir bereits identifiziert haben, ist die Notwendigkeit, den Abstand zwischen der Oberseite des Umgebungslichtsensors und der Öffnung im Displayglas zu verringern. Der maximale Abstand zwischen dem Lichtsensor und dem Abdeckglas wird durch den Öffnungsdurchmesser des Sichtfensters im Displayglas gegeben. Diese Beziehung haben wir in Teil 1 der Serie zum Update des Deckelmontage-Designs betrachtet.

Da wir die Öffnung im Siebdruck auf dem Displayglas so klein wie möglich halten müssen, um sicherzustellen, dass sie nicht sichtbar ist, muss sie auf 1 mm im Durchmesser begrenzt werden. Das bedeutet, dass der maximale Abstand von der Oberseite des Sensors zum Displayglas 1,2 mm betragen muss. Da wir eine starre Webcam-Platine verwenden, befindet sich die Platine vier Millimeter unter dem Deckglas. Der Lichtsensor ist nur 0,8 mm hoch, was bedeutet, dass wir irgendwie eine Lücke von ungefähr 2 mm überbrücken müssen.

2 mm ist eine Standarddicke für Leiterplatten. Wir können den Umgebungslichtsensor mit seinem Entkopplungskondensator und zwei Pull-up-Widerständen für den I2C-Bus auf einer kleinen Leiterplatte montieren. Dann können wir das gesamte Modul auf die Webcam-Platine löten.

Wenn wir uns entscheiden, den Lichtsensor in zukünftigen Revisionen auszutauschen, können wir das kleine Modul modifizieren, ohne die Webcam-Platine neu entwerfen zu müssen.

Das Design für das Sensormodul ist eine einfache zweilagige Platine mit dem Lichtsensor und passiven Komponenten auf der Oberseite und den Kontakt-LGA-Pads auf der Unterseite. Hier haben Sie ein Schaltbild und PCB-Layout dieses Moduls:

Der Sensor wird in die Mitte des Moduls platziert, um als Aufnahmepunkt für die Pick-and-Place-Maschine zu dienen. Richten Sie die Düse der Maschine mit dem Schwerpunkt des Teils aus, um auch bei hohen Beschleunigungsraten auf der PnP-Maschine ein zuverlässiges Aufnehmen und Platzieren zu gewährleisten.

Der Fußabdruck des Webcam-Moduls erstreckt sich über die Umrisse des Umgebungslichtsensormoduls hinaus. Dies ermöglicht der automatischen optischen Inspektionsmaschine am Ende der Montagelinie, die korrekte Ausrichtung zu überprüfen und sicherzustellen, dass auf jedem Pad des Moduls ausreichend Lötzinn vorhanden ist.

Der auf dem Webcam-Modul verwendete Fußabdruck erstreckt sich über den Umriss des Lichtsensormoduls hinaus

Umgebungslichtsensormodul auf das Webcam-Board gelötet

Tochterplatine für Montagepunkt

Wir können einen ähnlichen Ansatz mit einer Tochterplatine für die Montagepunkte verfolgen. Es ergibt sich jedoch eine Herausforderung, wenn dünne PCBs an ein dünnes Metallstück in unserem Design gesichert werden sollen. Das Erreichen der minimal erforderlichen Gewindelänge für den entsprechenden Schraubendurchmesser wird zu einem Anliegen.

Zusätzlich zur minimalen Gewindelänge müssen wir beachten, dass Gewinde nur bis zu einer bestimmten Tiefe in Sacklöcher geschnitten werden können. Der Gewindebohrer kann nicht bis zum Boden des Lochs Gewinde schneiden, daher muss ein fester Versatz zur minimalen Gewindelänge hinzugefügt werden.

Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren müssen wir ein ziemlich tiefes Gewinde für die Befestigungslöcher vorsehen. Die Materialstärke des Deckels ist auf 1mm festgelegt, was bedeutet, dass wir eine Art Abstandshalter für die Befestigungspunkte bereitstellen müssen.

Wir können das Problem angehen, indem wir die Dicke des Webcam-Moduls lokal durch das Hinzufügen von kleinen Tochterplatinen erhöhen. Diese Platinen – ebenfalls mit einer Dicke von 2mm – verfügen über Kupferpads auf beiden Ober- und Unterseiten. Indem wir denselben Stackup wie bei der Platine des Umgebungslichtsensors verwenden, können wir diese Tochterplatinen auf demselben Produktionspanel herstellen.

Mit einer lokalen Plattendicke von 2,8mm können wir nun ein Standard-Befestigungsloch im Displaydeckel verwenden:

Montageansatz für das Webcam-Modul

Kontaktpunkte für Touch-Tasten

Jetzt, da die Montagesituation für die Webcam-PCB und den Umgebungslichtsensor gelöst ist, umfassen die verbleibenden Aufgaben das Verbinden der Webcam-Platine mit den Touch-Sensing-Pads und das Finden einer Lösung für die Hintergrundbeleuchtung dieser Touchpads.

Wie im vorherigen Artikel gezeigt, wird das FPC, das die Touch-Sensing-Pads enthält, auf die Unterseite des Deckglases geklebt. Auf dem FPC selbst befindet sich für jedes Touch-Sensing-Pad ein Kontakt-Pad mit den Abmessungen von 1,7mm x 3,6mm. Wir haben einen Abstand von 2,9mm zum Anschließen dieser Pads.

Das Displayglas sollte leicht zu entfernen sein, daher können wir keine dauerhafte Verbindung zwischen dem Touchpad-FPC und der Webcam-Platine verwenden. Wir könnten einen FPC-Steckverbinder verwenden, aber das würde den Austausch des Displayglases ziemlich schwierig machen.

Stattdessen können wir federbelastete SMD-Kontaktfinger nutzen. TE Connectivity bietet eine vielfältige Auswahl dieser Kontaktfinger zu einem vernünftigen Preis an, besonders bei höheren Stückzahlen.

Das Modell, das auf der Webcam-Platine verwendet wird, hat die Teilenummer 3-2199250-3.

Kontaktfinger, die im Webcam-Modul verwendet werden

Unsere Präferenz liegt darin, für die Kontaktbereiche auf dem FPC eine Hartgoldbeschichtung zu verwenden. Allerdings besteht aufgrund der begrenzten Bewegung und der erwarteten thermischen Zyklen in diesem Teil des Systems die Möglichkeit, stattdessen eine Standard-ENIG-Beschichtung zu verwenden. Nichtsdestotrotz ist eine gründliche Prüfung unerlässlich, um sicherzustellen, dass diese Wahl keine langfristigen Zuverlässigkeitsprobleme mit sich bringt.

LED-Hintergrundbeleuchtungs-Diffusoren

Neben den Kontaktfingern befinden sich die RGB-LEDs, die für die Hintergrundbeleuchtung der Touch-Icons verwendet werden. Um eine homogene Beleuchtung der Icons zu gewährleisten, benötigen wir Lichtdiffusoren, die auf 1mm x 1mm LEDs sitzen werden.

SLA 3D-gedruckte Teile sind die bevorzugte Option für diese Anwendung. Angesichts der kleinen Größe der Diffusoren ist es machbar, 600 Stück pro Charge zu drucken. Die gesamte Handhabungszeit – einschließlich Nachbearbeitung – beträgt nur 2 Minuten, mit einer Druckzeit von 10 Minuten. Dies macht das 3D-Drucken dieser Teile auch für Kleinserienproduktionen zu einer attraktiven Wahl.

Die Wahl des Harzes wird sowohl für die optischen Eigenschaften der Diffusoren als auch für die Langzeitstabilität des Materials sehr wichtig sein. Die Auswahl des Harzes ist noch nicht abgeschlossen und wird mehrere weitere Tests erfordern.

Kleine 3D-gedruckte Diffusoren

Die 3D-gedruckten Teile werden auf die Webcam-Platine aufgepresst. Eine alternative Möglichkeit könnte die Verwendung einer kleinen Menge Klebstoff beinhalten, was einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt im Montageprozess erfordern würde. Obwohl das Kleben die Handhabungszeit leicht erhöhen könnte, könnte es eine zuverlässigere Wahl sein, insbesondere in Anbetracht dessen, dass das Harzmaterial relativ spröde ist und möglicherweise nicht ideal für Pressfit-Anwendungen geeignet ist.

Weitere Tests sind erforderlich, um den am besten geeigneten Ansatz in diesem Fall zu bestimmen.

3D-gedruckte Diffusoren, die auf dem Webcam-Board montiert sind

Ein Installationstest des kompletten Webcam-Boards im aktualisierten Deckelschacht (Details werden in den nächsten Updates bereitgestellt) zeigt, dass alle Komponenten nahtlos passen, ohne Kollisionen oder die Notwendigkeit einer Nacharbeit.

Zusammengesetzter Displaydeckel einschließlich des Webcam-Boards

Im nächsten Update werden wir das Schaltplan- und PCB-Design des Webcam-Moduls untersuchen. Mit nur noch wenigen Details, die für das elektrische Design des Deckels zu klären sind, nähern wir uns der Fertigstellung des ersten Subsystems des Laptop-Designs! Bleiben Sie dran, wenn wir uns dem Design des Laptop-Gehäuses, dem Trackpad, dem Tastaturlayout und vielem mehr widmen!