Designphase – Mechanik der Deckelmontage Teil 2

Willkommen zum zweiten Teil des Open-Source-Laptopdeckel-Montagedesigns! Im letzten Teil haben wir uns das grundlegende Designkonzept des Laptopdeckels genauer angesehen und wie wir verschiedene Sensoren in den Bildschirm integrieren können.

Wir werden diesen Weg weiterverfolgen und zwei Möglichkeiten erkunden, wie wir das Sensor-PCB oberhalb des Displaypanels integrieren können. Dies wird direkte Auswirkungen auf das verbleibende mechanische Design des Deckels haben, also schauen wir, wie wir diese Herausforderung angehen können.

Webcam-PCB mit FPC zur Verbindung mit dem Motherboard

Zuerst erinnern Sie sich vielleicht, dass wir mehrere Sensoren integrieren müssen; einschließlich zwei MEMS-Mikrofone, ein Umgebungslichtsensor, ein Kamerasensor und sieben kapazitive Touchpads. Zusätzlich müssen wir eine gleichmäßige Hintergrundbeleuchtung für die Touchpads mit einer LED pro Taste sicherstellen. Jeder Sensor hat eine einzigartige Höhenanforderung, aber alle müssen auf die Unterseite des Deckglases bezogen werden. Um all diese Sensoren auf einem einzigen PCB zu montieren, müssen wir eine Platine mit mehreren Höhenzonen entwerfen.

Während die Höhenanforderungen für die verschiedenen Sensoren klar im Datenblatt dokumentiert sind, sind die hintergrundbeleuchteten kapazitiven Touchtasten etwas komplizierter. Lassen Sie uns die kapazitiven Touchsensoren ansprechen, bevor wir uns auf die Form und Integration der Webcam-Platine konzentrieren.

Kapazitive Touchtasten

Die kapazitiven Touchtasten sollten es dem Benutzer ermöglichen, bestimmte datenschutzkritische Funktionen wie die Mikrofone, die Webcam oder die WLAN-Verbindung zu aktivieren oder zu deaktivieren. Das Aktivieren oder Deaktivieren dieser Funktionen wird normalerweise vom Betriebssystem gehandhabt. Wir möchten die Möglichkeit haben, diese Softwareebene in der Hardware zu deaktivieren – das bedeutet, wir können die Stromversorgung dieser Funktionsblöcke ohne Eingriff des Betriebssystems unterbrechen – aufgrund der mangelnden Transparenz der Softwareebene.

Typischerweise werden einfache Hardware-Schalter oder Schieberegler verwendet, um die Kamera oder das Mikrofon abzudecken. In unserem Laptopdesign mit einer vollverglasten Front ist dies jedoch keine Option. Stattdessen werden wir hintergrundbeleuchtete Symbole über dem Bildschirm platzieren, die durch kapazitive Berührungssensoren aktiviert oder deaktiviert werden können.

Um dieses Ergebnis zu erreichen, benötigen wir eine zuverlässige Methode, um Berührungen durch eine Deckglasdicke von 1mm oder mehr zu erfassen. Der für die Berührungserkennung verwendete ASIC muss eine höhere Empfindlichkeit aufweisen, da der Abstand zwischen der Sensorelektrode und der Berührungseingabe zunimmt. In einem Szenario mit einem erheblichen Abstand zwischen dem Sensorpad und der Berührungseingabe muss nicht nur die Empfindlichkeit sehr hoch sein, sondern auch das Signal-Rausch-Verhältnis des gesamten Aufbaus ausreichend sein. Obwohl es möglich ist, Berührungseingaben über große Entfernungen zu erfassen, wird es einfacher, falsche Berührungsaktionen auszulösen. Mit zunehmender Erfassungsentfernung nähert sich unser tatsächlich nützliches Signal dem Rauschpegel des Erfassungs-ASIC an.

Um einen kostengünstigen Erfassungs-ASIC mit moderater Empfindlichkeit und Signal-Rausch-Verhältnis verwenden zu können, müssen wir die Sensorelektrode so nah wie möglich an der Berührungseingabe platzieren.

In unserem Fall bedeutet dies, die Elektrode direkt auf der Rückseite des Deckglases anzubringen. Alles, was wir tun müssen, ist eine dünne PCB auf der Rückseite des Glases anzubringen. Dies führt jedoch zu einer neuen Herausforderung: Wie beleuchten wir die Symbole, wenn eine Kupferelektrode im Weg ist?

Als Lösung möchten wir Kupfer entlang der Umrisse der Symbole platzieren und dabei eine Aussparung auf der Platine lassen, die nur 0,3mm größer ist als das auf dem Deckglas gedruckte Berührungssymbol.

Die gute Nachricht ist, dass der Herstellungsprozess von FPCs zu unseren Gunsten arbeitet. Im Gegensatz zu starren PCBs, die ein Fräswerkzeug mit mindestens 1mm Durchmesser verwenden, werden FCPs mit einem Laser geschnitten. Dies ermöglicht komplexere Merkmale ohne einen minimalen Eckradius. Zusätzlich bietet der Laserpfad in der Regel eine engere Positionierungstoleranz für die Kupfergrafik im Vergleich zum traditionellen Fräsen.

Symbole, die in das Deckglas gedruckt wurden

Die Berührungserfassungsplatine mit Aussparungen für die Symbole

Sie werden bemerken, dass die Aussparungen der Berührungssymbole perfekt mit dem Druck auf dem Deckglas übereinstimmen. Der Eckradius innerhalb der Symbole beträgt an einigen Stellen nur 0,2mm, was für den Laserschneideprozess keine Herausforderung darstellt.

FPC auf das Deckglas geklebt

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines FPC ist, dass sie mit vorappliziertem 3M doppelseitigem Klebeband bestellt werden können, was bedeutet, dass wir kein Klebeband mehr zuschneiden und vor der Montage auf die Platine aufbringen müssen.

Wir können die DXF-Importfunktion innerhalb von Altium Designer nutzen, um die Konturen der Symbole zu importieren, die im CAD-Tool definiert wurden. Dies spart uns Zeit, die sonst für das Definieren der Ausschnittbereiche für die Hintergrundbeleuchtung aufgewendet werden müsste.

Layout der Touch-Key-PCB

Der obige Layout-Screenshot zeigt die Touch-Pads um die zugehörigen Symbole herum. Das Ground-Polygon ist schraffiert, um die Kapazität des Touch-Keys in Bezug auf Ground in den Bereichen, in denen die Pads mit dem Ground-Pour überlappen, zu minimieren.

Das Layout des Touchpad-FPC finden Sie hier:

PCB-Integrationsmethode #1

Jetzt, da wir wissen, wie die Touch-Sensing-Pads in das System integriert werden, können wir uns genauer anschauen, wie wir die gesamte Webcam-Platine integrieren möchten.

Im vorherigen Update haben wir uns kurz den FPC-Ansatz angesehen. Eine vierlagige Leiterplatte mit unterschiedlichen Steifigkeitsdicken wurde verwendet, um die Platine dort näher an die Unterseite des Deckglases zu bringen, wo es nötig war.

Drei Lagenstapelbereiche wurden in Altium Designer definiert:

Lagenstapel Flex-PCB

Die am weitesten links und rechts gelegenen Bereiche sind mit einem 1,2 mm dicken FR4-Versteifer ausgestattet. Dies verringert den Abstand zwischen den Mikrofonen und dem Umgebungslichtsensor zum Deckglas auf nur noch 1,1 mm.

Im mittleren Abschnitt haben wir jedoch einen 0,2 mm dicken Edelstahlversteifer verwendet. Der Kamerasensor und der FPC-Board-zu-Board-Steckverbinder werden auf diesem flachen Abschnitt montiert.

Indem wir die richtigen Versteifertypen und -orte in Altium Designer definieren, können wir die Platine in ihrem gefalteten Montagezustand exportieren:

Die Montage dieses Flex-PCBs bringt eine weitere Reihe von Herausforderungen mit sich. Der mittlere Abschnitt hat kein eigenes Montageloch. Dies liegt daran, dass unter dem Mittelabschnitt nicht genügend Materialdicke vorhanden ist, um eine Montageschraube zu verwenden. Dieser Abschnitt muss jedoch auch an seinem Platz gehalten werden, daher müssen wir einen anderen Weg finden, dies zu erreichen.

Der Plan für die Montage dieses Abschnitts bestand darin, ein dünnes Edelstahlteil zu verwenden, das in die gewünschte Form gebogen wird, indem ein SLM 3D-gedrucktes Metallbiegewerkzeug verwendet wird.

CAD-Modell der Montagefeder

3D-Rendering des Biegewerkzeugs

Wie Sie wahrscheinlich bereits erkannt haben, wird dieser Integrationsansatz schnell ziemlich komplex. Es gibt mehrere Probleme und Kostentreiber, die mit dieser Methode verbunden sind:

• Dieser Ansatz erlaubt nur eine 4-Lagen-Flex-PCB, um die Biegeradien klein zu halten. Dies macht das Layout herausfordernd und schwer anzupassen, wenn weitere Änderungen benötigt werden;

• Spezialisiertes Fertigungswerkzeug für die Montage der Flex-PCB wird aufgrund der unterschiedlichen Steifendicken benötigt;

• Spezialisiertes Werkzeug wird benötigt, um die Montagefedern für die Flex-PCB zu biegen.

Die Montage von flexiblen Leiterplatten kann für einige PCBA-Anbieter eine Herausforderung darstellen. Die Fertigungsausrüstung der meisten PCB-Montagebetriebe ist auf flache, starre PCBs ausgerichtet. Der Umgang mit einer PCB, die flexibel ist und unterschiedliche Dicken aufweist, erfordert zusätzliche Vorrichtungen im Fertigungsprozess.

Flexible PCBs können sogar die manuelle Montage von Leiterplatten erschweren. Dies ist eine gute Gelegenheit, um zu lernen, welche Herausforderungen in einer Produktionsumgebung bewältigt werden müssen. Auch wenn diese flexible PCB es nicht in das endgültige Laptop-Design geschafft hat, werfen wir einen kurzen Blick auf zwei Fertigungsherausforderungen, mit denen der PCBA-Anbieter umgehen müsste:

#1 Lötpastendruck

Der Pastendruck erfordert, dass die Lötpastenschablone flach auf der PCB-Oberfläche liegt. Der Rakel, der die Lötpaste auf der Schablone verteilt, übt eine Kraft auf die Schablone und das darunterliegende Board aus. Die PCB muss in der Lage sein, diese Kraft zu unterstützen und darf sich während des Druckprozesses nicht biegen. Für flexible PCBs mit unterschiedlichen Steifendicken wird ein Werkzeug benötigt, um das Board zu unterstützen. Für den manuellen Pastendruckprozess kann eine 3D-gedruckte Vorrichtung verwendet werden.

3D-gedruckte Vorrichtung, die für das Pastendrucken benötigt wird

#2 Montage

Wie beim Druckprozess der Lötpaste, so ist auch bei der Bestückungsmaschine darauf angewiesen, dass die PCB sicher in der Maschine fixiert ist. Normalerweise werden dafür Werkzeugleisten am Rand eines Panels verwendet.

Obwohl das Panel für die flexible PCB ebenfalls diese Werkzeugleisten bietet, können sie das Board während der Montage nicht an Ort und Stelle halten. Eine zusätzliche Montageplatte wird benötigt, um dieses flexible Board zu montieren.

Diese Vorrichtungen sind nicht immer notwendig und hängen größtenteils von den Maschinen ab, die vom PCBA-Anbieter verwendet werden, und von der Geometrie/dem Layout des Panels. Wenn Versteifungsabschnitte miteinander verbunden werden können, könnte es möglich sein, ein solches Board ohne zusätzliche Stützhardware zu montieren. In unserem Fall ist dies jedoch nicht möglich.

Panelisierte flexible PCBs

Die zuvor genannten Herausforderungen sowie die durch die Verwendung einer flexiblen PCB für das Webcam-Modul hinzugefügte Komplexität sind der Grund, warum dieser Ansatz nicht für das endgültige System verwendet wurde.

Wir werden herausfinden, welcher Ansatz stattdessen gewählt wurde und welche Probleme damit einhergingen, im nächsten Update! Ich hoffe, Sie sind beim nächsten Teil des Open-Source-Laptop-Projekts wieder dabei.