Fase de Diseño – Mecánica de Montaje de la Tapa Parte 2

¡Bienvenidos a la segunda parte del diseño de ensamblaje de la tapa de portátil de código abierto! En la última entrega, examinamos más de cerca el concepto de diseño básico de la tapa del portátil y cómo podemos integrar varios sensores en la pantalla.

Seguiremos por este mismo camino, explorando dos maneras de integrar el PCB del sensor por encima del panel de visualización. Esto tendrá un impacto directo en el diseño mecánico restante de la tapa, así que veamos cómo podemos abordar este desafío.

PCB de la webcam con FPC para conectar a la placa base

Primero, recordarán que necesitamos integrar múltiples sensores; incluyendo dos micrófonos MEMS, un sensor de luz ambiental, un sensor de cámara y siete almohadillas táctiles capacitivas. Además, debemos asegurar una iluminación trasera uniforme para las almohadillas táctiles con un LED por tecla. Cada sensor tiene un requisito de altura único, pero todos necesitan ser referenciados al lado inferior del vidrio de la cubierta. Para montar todos estos sensores en un solo PCB, necesitamos diseñar una placa con múltiples zonas de altura.

Mientras que los requisitos de altura para los diferentes sensores están claramente documentados en la hoja de especificaciones, las teclas táctiles capacitivas retroiluminadas son un poco más complicadas. Abordemos los sensores táctiles capacitivos antes de enfocarnos en la forma e integración de la placa de la webcam.

Teclas táctiles capacitivas

Las teclas táctiles capacitivas deberían permitir al usuario activar o desactivar ciertas funciones críticas para la privacidad como los micrófonos, la webcam o la conexión WiFi. Activar o desactivar estas funciones suele ser manejado por el sistema operativo. Queremos la capacidad de deshabilitar esta capa de software en el hardware, lo que significa que podemos interrumpir la alimentación a estos bloques funcionales sin intervención del SO, debido a la falta de transparencia de la capa de software.

Típicamente, se utilizan interruptores o deslizadores de hardware simples para cubrir la cámara o el micrófono. Sin embargo, en nuestro diseño de portátil con un frente todo de vidrio, esta no es una opción. En su lugar, colocaremos iconos retroiluminados sobre la pantalla que pueden ser activados o desactivados mediante detección táctil capacitiva.

Para lograr este resultado, necesitamos una forma confiable de detectar el toque a través de un grosor de vidrio de cubierta de 1mm o más. El ASIC utilizado para la detección de toques debe tener una mayor sensibilidad a medida que la distancia entre el electrodo sensor y la entrada de toque aumenta. En un escenario con una distancia sustancial entre el pad sensor y la entrada de toque, no solo es necesario que la sensibilidad sea muy alta, sino que la relación señal-ruido de todo el conjunto también debe ser suficiente. Aunque es posible detectar entradas de toque a grandes distancias, se vuelve más fácil activar acciones de toque falsas. A medida que la distancia de detección aumenta, nuestra señal útil real se acerca más al piso de ruido del ASIC sensor.

Para usar un ASIC sensor de bajo costo con una sensibilidad y relación señal-ruido moderadas, necesitamos colocar el electrodo sensor lo más cerca posible de la entrada de toque.

En nuestro caso, esto significa poner el electrodo justo en la parte trasera del vidrio de cubierta. Todo lo que necesitamos hacer es adjuntar un PCB delgado en la parte trasera del vidrio. Sin embargo, esto introduce un nuevo desafío: ¿cómo iluminamos los iconos con un electrodo de cobre en el camino?

Como solución, querremos colocar cobre a lo largo del contorno de los iconos mientras dejamos un recorte en la placa que es solo 0.3mm más grande que el icono de toque impreso en el vidrio de cubierta.

La buena noticia es que el proceso de fabricación de los FPCs juega a nuestro favor. A diferencia de los PCBs rígidos, que utilizan una herramienta de fresado de al menos 1mm de diámetro, los FCPs se cortan con láser. Esto permite características más intrincadas sin un radio de esquina mínimo. Además, el camino del láser generalmente proporciona una tolerancia de posicionamiento más ajustada al arte de cobre en comparación con el fresado tradicional.

Iconos impresos en el vidrio de cubierta

La placa de detección de toques con recortes para los Iconos

Notarás que los recortes de los iconos de toque se alinean perfectamente con la impresión en el vidrio de cubierta. El radio de esquina dentro de los iconos es de solo 0.2mm en algunos lugares, lo cual no representa un desafío para el proceso de corte láser.

FPC pegado al vidrio de cubierta

Otra ventaja de usar un FPC es que se pueden pedir con cinta adhesiva de doble cara 3M preaplicada, lo que significa que ya no tenemos que cortar la cinta adhesiva a medida y aplicarla a la placa antes del ensamblaje.

Podemos usar la función de importación DXF dentro de Altium Designer para importar los contornos de los iconos que se definieron en la herramienta CAD. Esto nos ahorra tiempo dedicado a definir las regiones de corte para la retroiluminación.

Diseño del PCB de tecla táctil

La captura de pantalla del diseño anterior muestra los pads táctiles alrededor de los iconos asociados. El polígono de tierra está tramado para minimizar la capacitancia de la tecla táctil con respecto a tierra en las regiones donde los pads se superponen al vertido de tierra.

El diseño del FPC del touchpad se puede encontrar aquí:

Método de Integración de PCB #1

Ahora que sabemos cómo se integrarán los pads de detección táctil en el sistema, podemos examinar más de cerca cómo queremos integrar toda la PCB de la webcam.

En la actualización anterior, echamos un vistazo breve al enfoque FPC. Se utilizó una placa de circuito impreso de cuatro capas con diferentes espesores de refuerzo para acercar la placa al fondo del vidrio de la cubierta donde fuera necesario.

Se definieron tres regiones de apilamiento de capas en Altium Designer:

PCB Flex de apilamiento de capas

Las regiones más a la izquierda y más a la derecha están equipadas con un refuerzo FR4 de 1.2 mm de espesor. Esto reduce la distancia entre los micrófonos y el sensor de luz ambiental al vidrio de la cubierta a solo 1.1 mm.

En la sección del medio, sin embargo, utilizamos un refuerzo de acero inoxidable de 0.2mm. El sensor de la cámara y el conector de placa a placa FPC se montarán en esta sección plana.

Definiendo los tipos y ubicaciones de refuerzo adecuados en Altium Designer, podemos exportar la placa en su estado de montaje plegado:

Montar esta PCB flexible viene con otro conjunto de desafíos. La sección del medio no tiene su propio agujero de montaje. Esto se debe a que no hay suficiente grosor de material bajo la sección central para usar un tornillo de montaje. Sin embargo, esta sección también necesita mantenerse en su lugar, por lo que necesitamos encontrar otra manera de lograr esto.

El plan para montar esta sección era usar una pieza delgada de acero inoxidable, doblada a la forma deseada usando una herramienta de doblado de metal impresa en 3D SLM.

Modelo CAD del resorte de montaje

Renderizado 3D de la herramienta de doblado

Como probablemente ya te hayas dado cuenta, este enfoque de integración rápidamente se vuelve bastante complejo. Hay varios problemas y factores de costo asociados con este método:

• Este enfoque solo permite un PCB flexible de 4 capas para mantener pequeños los radios de doblado. Esto hace que el diseño sea desafiante y difícil de adaptar si se necesitan más cambios;

• Se necesita herramienta de fabricación especializada para el ensamblaje del PCB flexible debido a los diferentes grosores de los refuerzos;

• Se necesita herramienta especializada para doblar los resortes de montaje para el PCB flexible.

El ensamblaje de circuitos impresos flexibles puede ser un desafío para algunos proveedores de PCBA. El equipo de fabricación de la mayoría de las casas de ensamblaje de PCB está orientado hacia PCBs rígidos planos. Lidiar con un PCB que es flexible y tiene diferentes grosores requiere accesorios adicionales en el proceso de fabricación.

Los PCBs flexibles incluso pueden hacer difícil el ensamblaje manual de circuitos impresos. Esta es una buena oportunidad para aprender qué desafíos tendrían que enfrentarse en un entorno de producción. Aunque este PCB flexible no se incluyó en el diseño final del portátil, echemos un vistazo rápido a dos desafíos de fabricación con los que tendría que lidiar el proveedor de PCBA:

#1 Impresión de pasta de soldadura

La impresión de pasta requiere que la plantilla de pasta de soldadura se coloque plana sobre la superficie del PCB. La espátula que distribuye la pasta de soldadura sobre la plantilla aplica una fuerza a la plantilla y a la placa debajo. El PCB necesita ser capaz de soportar esta fuerza y no debe doblarse durante el proceso de impresión. Para PCBs flexibles con diferentes grosores de refuerzos, se necesita una herramienta para soportar la placa. Para el proceso de impresión de pasta manual, se puede usar un accesorio impreso en 3D.

Soporte impreso en 3D necesario para la impresión de pasta

#2 Montaje

Al igual que en el proceso de impresión de pasta de soldadura, la máquina de colocación también depende de que el PCB esté fijado de manera segura en la máquina. Normalmente se utilizan tiras de herramientas en el borde de un panel para esto.

Aunque el panel para el PCB flexible también proporciona estas tiras de herramientas, no son capaces de mantener la placa en su lugar durante el montaje. Se necesita una placa de montaje adicional para ensamblar esta placa flexible.

Estos soportes no siempre son necesarios y dependen en gran medida de las máquinas utilizadas por el proveedor de PCBA y de la geometría/disposición del panel. Si se pueden conectar secciones de refuerzo, podría ser posible ensamblar tal placa sin hardware de soporte adicional. Sin embargo, en nuestro caso, esto no es posible.

PCBs flexibles panelizados

Los desafíos mencionados, así como la complejidad añadida al diseño por usar un PCB flexible para el módulo de la webcam, son la razón por la cual este enfoque no se utilizó para el sistema final.

¡Descubriremos qué enfoque se eligió en su lugar y qué problemas surgieron con él en la próxima actualización! Espero que sigas con nosotros para la próxima entrega del proyecto de laptop de código abierto.