Phase de conception – Mécanique de l'assemblage du couvercle Partie 2

Bienvenue dans la deuxième partie de la conception de l'assemblage du couvercle d'ordinateur portable open-source ! Dans le dernier épisode, nous avons examiné de plus près le concept de base du design du couvercle de l'ordinateur portable et comment nous pouvons intégrer divers capteurs dans l'écran d'affichage.

Nous allons poursuivre dans cette même voie, en explorant deux manières d'intégrer le PCB des capteurs au-dessus du panneau d'affichage. Cela aura un impact direct sur le reste de la conception mécanique du couvercle, voyons donc comment nous pouvons aborder ce défi.

PCB de la webcam avec FPC pour se connecter à la carte mère

Tout d'abord, vous vous souviendrez peut-être que nous devons intégrer plusieurs capteurs ; incluant deux microphones MEMS, un capteur de lumière ambiante, un capteur de caméra et sept pavés tactiles capacitifs. De plus, nous devons assurer un rétroéclairage uniforme pour les pavés tactiles avec une LED par touche. Chaque capteur a une exigence de hauteur unique, mais ils doivent tous être référencés au-dessous du verre de couverture. Pour monter tous ces capteurs sur un seul PCB, nous devons concevoir une carte avec plusieurs zones de hauteur.

Alors que les exigences de hauteur pour les différents capteurs sont clairement documentées sur la fiche technique, les touches capacitives rétroéclairées sont un peu plus compliquées. Abordons les capteurs tactiles capacitifs avant de nous concentrer sur la forme et l'intégration du PCB de la webcam.

Touches tactiles capacitives

Les touches tactiles capacitives devraient permettre à l'utilisateur d'activer ou de désactiver certaines fonctions critiques pour la vie privée telles que les microphones, la webcam ou la connexion WiFi. L'activation ou la désactivation de ces fonctions est généralement gérée par le système d'exploitation. Nous voulons la possibilité de désactiver cette couche logicielle dans le matériel, ce qui signifie que nous pouvons interrompre l'alimentation de ces blocs fonctionnels sans intervention de l'OS, en raison du manque de transparence de la couche logicielle.

Typiquement, de simples interrupteurs ou curseurs matériels sont utilisés pour couvrir la caméra ou le microphone. Cependant, dans notre conception d'ordinateur portable avec une façade tout en verre, cela n'est pas une option. Au lieu de cela, nous placerons des icônes rétroéclairées au-dessus de l'écran qui peuvent être activées ou désactivées par détection tactile capacitive.

Pour obtenir ce résultat, nous avons besoin d'une méthode fiable pour détecter le toucher à travers une épaisseur de verre de protection de 1mm ou plus. L'ASIC utilisé pour la détection du toucher doit avoir une sensibilité plus élevée à mesure que la distance entre l'électrode du capteur et l'entrée tactile augmente. Dans un scénario avec une distance substantielle entre le pavé de détection et l'entrée tactile, non seulement la sensibilité doit être très élevée, mais le rapport signal sur bruit de l'ensemble du système doit également être suffisant. Bien qu'il soit possible de détecter une entrée tactile sur de grandes distances, il devient plus facile de déclencher des actions tactiles fausses. À mesure que la distance de détection augmente, notre signal utile réel se rapproche du plancher de bruit de l'ASIC de détection.

Afin d'utiliser un ASIC de détection à faible coût avec une sensibilité et un rapport signal sur bruit modérés, nous devons placer l'électrode de détection aussi près que possible de l'entrée tactile.

Dans notre cas, cela signifie placer l'électrode juste à l'arrière du verre de protection. Tout ce que nous avons à faire est de fixer un PCB mince à l'arrière du verre. Cependant, cela introduit un nouveau défi : comment illuminons-nous les icônes avec une électrode en cuivre en travers ?

Comme solution de contournement, nous voudrons placer le cuivre le long du contour des icônes tout en laissant une découpe dans la carte qui est seulement 0,3mm plus grande que l'icône tactile imprimée sur le verre de protection.

La bonne nouvelle est que le processus de fabrication des FPC joue en notre faveur. Contrairement aux PCB rigides, qui utilisent un outil de fraisage d'au moins 1mm de diamètre, les FCP sont découpés au laser. Cela permet d'obtenir des caractéristiques plus complexes sans rayon de coin minimum. De plus, le chemin du laser offre généralement une tolérance de positionnement plus serrée par rapport à l'œuvre en cuivre comparée au fraisage traditionnel.

Icônes imprimées dans le verre de protection

La carte de détection tactile avec des découpes pour les icônes

Vous remarquerez que les découpes des icônes tactiles s'alignent parfaitement avec l'impression sur le verre de protection. Le rayon de coin à l'intérieur des icônes est seulement de 0,2mm à certains endroits, ce qui ne représente aucun défi pour le processus de découpe laser.

FPC collé sur le verre de couverture

Un autre avantage de l'utilisation d'un FPC est qu'ils peuvent être commandés avec un ruban adhésif double face 3M pré-appliqué, ce qui signifie que nous n'avons plus à découper le ruban adhésif à la taille et à l'appliquer sur la carte avant l'assemblage.

Nous pouvons utiliser la fonction d'importation DXF dans Altium Designer pour importer les contours des icônes qui ont été définis dans l'outil CAO. Cela nous fait gagner du temps passé à définir les régions de découpe pour le rétroéclairage.

Disposition du PCB des touches tactiles

La capture d'écran de la disposition ci-dessus montre les pavés tactiles autour des icônes associées. Le polygone de masse est hachuré pour minimiser la capacité de la touche tactile par rapport à la masse dans les régions où les pavés se chevauchent avec le plan de masse.

La disposition du FPC du pavé tactile peut être trouvée ici :

Méthode d'intégration de PCB #1

Maintenant que nous savons comment les pavés tactiles seront intégrés au système, nous pouvons examiner de plus près comment nous souhaitons intégrer l'ensemble du PCB de la webcam.

Dans la mise à jour précédente, nous avons brièvement examiné l'approche FPC. Un circuit imprimé à quatre couches avec différentes épaisseurs de renfort a été utilisé pour rapprocher la carte du fond du verre de couverture là où c'était nécessaire.

Trois régions de superposition de couches ont été définies dans Altium Designer :

Empilement Flex PCB

Les régions les plus à gauche et les plus à droite sont équipées d'un renfort FR4 de 1,2 mm d'épaisseur. Cela réduit la distance entre les microphones et le capteur de lumière ambiante jusqu'au verre de couverture à seulement 1,1 mm.

Sur la section du milieu, cependant, nous avons utilisé un renfort en acier inoxydable de 0,2 mm. Le capteur de la caméra et le connecteur de carte à carte FPC seront montés sur cette section plate.

En définissant les bons types et emplacements de renforts dans Altium Designer, nous pouvons exporter la carte dans son état de montage plié :

Monter ce PCB flexible présente un autre ensemble de défis. La section du milieu n'a pas son propre trou de montage. Cela est dû au fait qu'il n'y a pas assez d'épaisseur de matériel sous la section centrale pour utiliser une vis de montage. Cependant, cette section doit également être maintenue en place, nous devons donc trouver une autre manière de réaliser cela.

Le plan pour monter cette section consistait à utiliser une pièce en acier inoxydable mince, pliée à la forme souhaitée à l'aide d'un outil de pliage métallique imprimé en 3D SLM.

Modèle CAO du ressort de montage

Rendu 3D de l'outil de pliage

Comme vous l'avez probablement déjà réalisé, cette approche d'intégration devient rapidement assez complexe. Il y a plusieurs problèmes et facteurs de coût associés à cette méthode :

• Cette approche ne permet que l'utilisation d'un PCB flexible à 4 couches pour maintenir les rayons de courbure petits. Cela rend la mise en page difficile et difficile à adapter si d'autres changements sont nécessaires ;

• Des outils de fabrication spécialisés pour l'assemblage du PCB flexible sont nécessaires en raison des différentes épaisseurs de renfort ;

• Des outils spécialisés sont nécessaires pour plier les ressorts de montage pour le PCB flexible.

Assembler des cartes de circuits imprimés flexibles peut être un défi pour certains fournisseurs de PCBA. L'équipement de fabrication de la plupart des maisons d'assemblage de PCB est adapté aux PCB rigides plats. Gérer un PCB qui est flexible et a différentes épaisseurs nécessite des fixations supplémentaires dans le processus de fabrication.

Les PCB flexibles peuvent même rendre l'assemblage manuel des cartes de circuits difficiles. C'est une bonne occasion d'apprendre quels défis devraient être gérés dans un environnement de production. Même si ce PCB flexible n'a pas été retenu dans la conception finale de l'ordinateur portable, jetons un coup d'œil rapide à deux défis de fabrication auxquels le fournisseur de PCBA devrait faire face :

#1 Impression de pâte à souder

L'impression de pâte nécessite que le pochoir à pâte à souder soit posé à plat sur la surface du PCB. La raclette qui distribue la pâte à souder sur le pochoir applique une force au pochoir et à la carte en dessous. Le PCB doit être capable de supporter cette force et ne doit pas se plier pendant le processus d'impression. Pour les PCB flexibles avec différentes épaisseurs de renfort, un outil est nécessaire pour soutenir la carte. Pour le processus d'impression de pâte manuel, un dispositif imprimé en 3D peut être utilisé.

Dispositif imprimé en 3D nécessaire pour l'impression de pâte

#2 Assemblage

Comme pour le processus d'impression de pâte à souder, la machine de placement compte également sur le fait que le PCB soit fixé de manière sécurisée dans la machine. Habituellement, des bandes d'outillage sur le bord d'un panneau sont utilisées à cet effet.

Bien que le panneau pour le PCB flexible fournisse également ces bandes d'outillage, elles ne sont pas capables de maintenir la carte en place pendant l'assemblage. Une plaque de montage supplémentaire est nécessaire pour assembler ce PCB flexible.

Ces dispositifs ne sont pas toujours nécessaires et dépendent largement des machines utilisées par le fournisseur de PCBA et de la géométrie/disposition du panneau. Si les sections de renforcement peuvent être reliées ensemble, il pourrait être possible d'assembler une telle carte sans matériel de support supplémentaire. Dans notre cas, cependant, cela n'est pas possible.

PCBs flexibles panelisés

Les défis mentionnés, ainsi que la complexité ajoutée à la conception par l'utilisation d'un PCB flexible pour le module de webcam, sont la raison pour laquelle cette approche n'a pas été utilisée pour le système final.

Nous découvrirons quelle approche a été choisie à la place et quels problèmes ont accompagné cette décision dans la prochaine mise à jour ! J'espère que vous suivrez pour le prochain volet du projet d'ordinateur portable open-source.