Fase de Diseño - Mecánica de la Tapa, Parte 3

Bienvenidos a la tercera parte del diseño de ensamblaje de tapa de portátil de código abierto. En la última entrega, examinamos una posible manera de integrar el módulo de la cámara web y todos los sensores conectados en el bisel de la tapa del portátil.

Hemos identificado varios desafíos con el enfoque presentado en el artículo anterior. La complejidad adicional de ensamblaje y fabricación asociada con el uso de un PCB flexible nos llevó a otra opción utilizando solo una placa rígida. Ahora, veamos cómo funciona esta implementación.

PCB de la cámara web montado dentro del bisel de la pantalla

Placa hija del sensor de luz ambiental

Un desafío que ya hemos identificado es la necesidad de disminuir la distancia entre el lado superior del sensor de luz ambiental y la apertura en el vidrio de la pantalla. La distancia máxima entre el sensor de luz y el vidrio de la cubierta está dada por el diámetro de la apertura de la ventana de visualización en el vidrio de la pantalla. Examinamos esta relación en la parte 1 de la serie de actualización del diseño de ensamblaje de la tapa.

Debido a que debemos mantener la abertura en la serigrafía sobre el vidrio de la pantalla lo más pequeña posible para asegurar que no sea visible, debe limitarse a 1 mm de diámetro. Esto significa que la distancia máxima desde la parte superior del sensor hasta el vidrio de la pantalla debe ser igual a 1.2 mm. Dado que estamos utilizando una PCB rígida para la webcam, la placa se sitúa cuatro milímetros por debajo del vidrio protector. El sensor de luz solo tiene 0.8 mm de altura, lo que significa que debemos, de alguna manera, salvar un espacio de aproximadamente 2 mm.

2 mm es un grosor estándar para las PCBs. Podemos montar el sensor de luz ambiental con su condensador de desacoplamiento y dos resistencias de pull-up para el bus I2C en una pequeña PCB. Luego, podemos soldar todo el módulo a la placa de la webcam.

Si decidimos cambiar el sensor de luz en futuras revisiones, podemos modificar el pequeño módulo sin tener que rediseñar la placa de la webcam.

El diseño para el módulo del sensor es una placa de dos capas simple con el sensor de luz y componentes pasivos en el lado superior y los pads de contacto LGA en el lado inferior. Aquí, tienes un esquemático y un diseño de PCB de este módulo:

El sensor se coloca en el centro del módulo para servir como punto de recogida para la máquina de colocación y recogida. Alinee la boquilla de la máquina con el centro de masa de la pieza para asegurar una recogida y colocación fiables, incluso a altas tasas de aceleración en la máquina PnP.

La huella del módulo de la cámara web se extiende más allá del contorno del módulo del sensor de luz ambiental. Esto permite que la máquina de inspección óptica automática al final de la línea de ensamblaje verifique la alineación correcta y asegure suficiente soldadura en cada pad del módulo.

La huella utilizada en el módulo de la cámara web se extiende más allá del contorno del módulo del sensor de luz

Módulo del sensor de luz ambiental soldado en la placa de la cámara web

Placa hija de punto de montaje

Podemos adoptar un enfoque similar de placa hija para los puntos de montaje. Sin embargo, surge un desafío al asegurar PCBs delgadas a una pieza metálica delgada en nuestro diseño. Lograr la longitud mínima de rosca requerida para el diámetro del tornillo correspondiente se convierte en una preocupación.

Además de la longitud mínima de rosca, tenemos que tener en cuenta que las roscas solo pueden cortarse hasta cierta profundidad en agujeros ciegos. El macho de roscar no puede cortar roscas hasta el fondo del agujero, por lo que se debe agregar un desplazamiento fijo a la longitud mínima de rosca.

Teniendo en cuenta todos estos factores, necesitamos proporcionar un roscado bastante profundo para los orificios de montaje. El grosor del material de la tapa está fijado en 1mm, lo que significa que tenemos que proporcionar algún tipo de separador para los puntos de montaje.

Podemos abordar el problema aumentando localmente el grosor del módulo de la webcam mediante la adición de pequeñas tarjetas hijas. Estas tarjetas, también con un grosor de 2mm, cuentan con almohadillas de cobre en ambos lados superior e inferior. Empleando el mismo apilamiento que la tarjeta del sensor de luz ambiental, podemos fabricar estas tarjetas hijas en el mismo panel de producción.

Con un grosor local de la tarjeta de 2.8mm, ahora podemos usar un orificio de montaje estándar en la tapa de la pantalla:

Enfoque de montaje del módulo de la webcam

Puntos de contacto de tecla táctil

Ahora que la situación de montaje para la PCB de la webcam y el sensor de luz ambiental está resuelta, las tareas restantes incluyen conectar la tarjeta de la webcam a las almohadillas de detección táctil y encontrar una solución para la retroiluminación de esos teclados táctiles.

Como se mostró en el artículo anterior, el FPC que contiene los pads de detección táctil se pegará en la parte inferior del vidrio de la cubierta. En el propio FPC hay un pad de contacto con dimensiones de 1.7mm x 3.6mm para cada pad de detección táctil. Tenemos un espacio de 2.9mm para conectarnos a esos pads.

El vidrio de la pantalla debe ser fácil de remover, por lo que no podemos usar una conexión permanente entre el FPC del touchpad y la placa de la webcam. Podríamos usar un conector FPC, pero eso haría que cambiar el vidrio de la pantalla sea bastante difícil.

En su lugar, podemos utilizar dedos de contacto SMD con carga de resorte. TE Connectivity ofrece una gama diversa de estos dedos de contacto a un precio razonable, especialmente para cantidades mayores.

El modelo utilizado en la PCB de la webcam tiene el número de parte 3-2199250-3.

Dedos de contacto utilizados en el módulo de la webcam

Nuestra preferencia es emplear un chapado de oro duro para las áreas de contacto en el FPC. Sin embargo, considerando el movimiento limitado y los ciclos térmicos esperados en esta parte del sistema, existe la posibilidad de usar en su lugar un chapado ENIG estándar. No obstante, es imperativo realizar pruebas exhaustivas para asegurar que esta elección no introduzca problemas de fiabilidad a largo plazo.

Difusores de luz trasera LED

Junto a los dedos de contacto se encuentran los LED RGB utilizados para la retroiluminación de los iconos táctiles. Para proporcionar una iluminación homogénea de los iconos, necesitamos difusores de luz que se colocarán encima de los LED de 1mm x 1mm.

Las piezas impresas en 3D SLA son la opción favorable para esta aplicación. Dado el pequeño tamaño de los difusores, es factible imprimir 600 piezas por lote. El tiempo total de manejo, incluido el post-procesamiento, es solo de 2 minutos, con un tiempo de impresión de 10 minutos. Esto hace que la impresión 3D de estas partes sea una opción atractiva también para tiradas de producción de bajo volumen.

La elección de la resina será muy importante para las propiedades ópticas de los difusores y la estabilidad a largo plazo del material. La elección de la resina aún no se ha finalizado y requerirá varias pruebas más.

Pequeños difusores impresos en 3D

Las partes impresas en 3D se ajustarán a presión en la placa de la webcam. Una opción alternativa podría involucrar el uso de una pequeña cantidad de pegamento, lo que necesitaría un paso adicional de procesamiento en el proceso de ensamblaje. Aunque el pegado podría aumentar ligeramente el tiempo de manejo, podría ser una opción más fiable, especialmente considerando que el material de resina es relativamente frágil y puede no ser ideal para aplicaciones de ajuste a presión.

Se necesita más pruebas para determinar el enfoque más apropiado en este caso.

Difusores impresos en 3D montados en la placa de la webcam

Una prueba de instalación de la placa completa de la webcam en la bandeja de la tapa actualizada (los detalles se proporcionarán en las próximas actualizaciones) indica que todos los componentes encajan a la perfección sin colisiones ni necesidad de retrabajo.

Tapa de la pantalla ensamblada incluyendo la placa de la webcam

En la próxima actualización, examinaremos el esquemático y el diseño de PCB del módulo de la webcam. Con solo unos pocos detalles más por resolver para el diseño eléctrico de la tapa, ¡estamos cerca de completar el primer subsistema del diseño del portátil! Sintoniza cuando abordemos el diseño de la carcasa del portátil, el trackpad, la disposición del teclado, ¡y mucho más!