Fase di Progettazione - Meccanica dell'Assemblaggio del Coperchio Parte 3

Benvenuti alla terza parte della progettazione dell'assemblaggio del coperchio del laptop open-source! Nell'ultimo episodio, abbiamo esaminato un possibile modo per integrare il modulo della webcam e tutti i sensori connessi nella cornice del coperchio del laptop.

Abbiamo identificato diverse sfide con l'approccio presentato nell'articolo precedente. La complessità aggiuntiva di assemblaggio e produzione associata all'uso di un PCB flessibile ci ha portati a un'altra opzione che utilizza solo una scheda rigida. Ora, vediamo come funziona questa implementazione.

PCB della webcam montato all'interno della cornice dello schermo

Scheda figlia del sensore di luce ambientale

Una sfida che abbiamo già identificato è la necessità di diminuire la distanza tra il lato superiore del sensore di luce ambientale e l'apertura nel vetro del display. La distanza massima tra il sensore di luce e il vetro di copertura è data dal diametro dell'apertura della finestra di visualizzazione nel vetro del display. Abbiamo esaminato questa relazione nella parte 1 della serie di aggiornamenti sulla progettazione dell'assemblaggio del coperchio.

Poiché dobbiamo mantenere l'apertura sulla serigrafia del vetro del display il più piccola possibile per garantire che non sia visibile, deve essere limitata a 1 mm di diametro. Ciò significa che la distanza massima dalla parte superiore del sensore al vetro del display deve essere di 1,2 mm. Poiché stiamo utilizzando un PCB rigido per la webcam, la scheda si trova quattro millimetri sotto il vetro di copertura. Il sensore di luce ha solo un'altezza di 0,8 mm, il che significa che dobbiamo in qualche modo colmare un divario di circa 2 mm.

2 mm è uno spessore standard per i PCB. Possiamo montare il sensore di luce ambientale con il suo condensatore di disaccoppiamento e due resistori di pull-up per il bus I2C su un piccolo PCB. Quindi, possiamo saldare l'intero modulo sulla scheda della webcam.

Se decidiamo di sostituire il sensore di luce nelle revisioni future, possiamo modificare il piccolo modulo senza dover ridisegnare la scheda della webcam.

Il design per il modulo del sensore è una semplice scheda a due strati con il sensore di luce e i componenti passivi sul lato superiore e i pad di contatto LGA sul lato inferiore. Qui, hai uno schema e un layout PCB di questo modulo:

Il sensore è posizionato al centro del modulo per fungere da punto di prelievo per la macchina pick and place. Allineare l'ugello della macchina con il centro di massa del pezzo per garantire un prelievo e posizionamento affidabili, anche a tassi di accelerazione elevati sulla macchina PnP.

La dimensione dell'impronta del modulo della webcam si estende oltre il contorno del modulo del sensore di luce ambientale. Questo permette alla macchina di ispezione ottica automatica alla fine della linea di assemblaggio di verificare il corretto allineamento e assicurare una sufficiente quantità di saldatura su ogni pad del modulo.

L'impronta utilizzata sul modulo della webcam si estende oltre il contorno del modulo del sensore di luce

Modulo del sensore di luce ambientale saldato sulla scheda della webcam

Scheda figlia del punto di montaggio

Possiamo adottare un approccio simile con una scheda figlia per i punti di montaggio. Tuttavia, sorge una sfida quando si fissano PCB sottili a un pezzo di metallo sottile nel nostro design. Diventa una preoccupazione raggiungere la lunghezza minima del filetto richiesta per il diametro della vite corrispondente.

Oltre alla lunghezza minima del filetto, dobbiamo tenere presente che i filetti possono essere tagliati solo fino a una certa profondità nei fori ciechi. Il maschio non può tagliare i filetti fino in fondo al foro, quindi deve essere aggiunto un offset fisso alla lunghezza minima del filetto.

Tenendo conto di tutti questi fattori, dobbiamo fornire un filetto piuttosto profondo per i fori di montaggio. Lo spessore del materiale del coperchio è fissato a 1mm, il che significa che dobbiamo fornire una sorta di distanziatore per i punti di montaggio.

Possiamo affrontare il problema aumentando localmente lo spessore del modulo della webcam attraverso l'aggiunta di piccole schede figlie. Queste schede—anch'esse con uno spessore di 2mm—presentano pad di rame sia sul lato superiore che su quello inferiore. Impiegando lo stesso stackup della scheda del sensore di luce ambientale, possiamo produrre queste schede figlie sullo stesso pannello di produzione.

Con uno spessore locale della scheda di 2.8mm possiamo ora utilizzare un foro di montaggio standard nel coperchio del display:

Approccio di montaggio del modulo webcam

Punti di contatto dei tasti touch

Ora che la situazione di montaggio per la PCB della webcam e il sensore di luce ambientale è risolta, i compiti rimanenti includono la connessione della scheda della webcam ai pad di rilevamento touch e la ricerca di una soluzione per la retroilluminazione di questi touchpad.

Come mostrato nell'articolo precedente, l'FPC contenente i pad di rilevamento del tocco sarà incollato sul lato inferiore del vetro di copertura. Sull'FPC stesso c'è un pad di contatto con le dimensioni di 1,7mm x 3,6mm per ogni pad di rilevamento del tocco. Abbiamo un gap di 2,9mm per collegarci a questi pad.

Il vetro del display dovrebbe essere facile da rimuovere, quindi non possiamo usare una connessione permanente tra l'FPC del touchpad e la scheda della webcam. Potremmo usare un connettore FPC, ma ciò renderebbe piuttosto difficile la sostituzione del vetro del display.

Invece, possiamo utilizzare dita di contatto SMD a molla. TE Connectivity offre una gamma diversificata di queste dita di contatto a un prezzo ragionevole, soprattutto per quantità maggiori.

Il modello utilizzato sulla PCB della webcam ha il numero di parte 3-2199250-3.

Dita di contatto utilizzate sul modulo della webcam

La nostra preferenza è impiegare una placcatura in oro duro per le aree di contatto sull'FPC. Tuttavia, considerando il movimento limitato e i cicli termici previsti in questa parte del sistema, c'è la possibilità di utilizzare invece una placcatura ENIG standard. Nonostante ciò, è imperativo eseguire test approfonditi per assicurarsi che questa scelta non introduca problemi di affidabilità a lungo termine.

Diffusori per retroilluminazione LED

Accanto ai contatti ci sono i LED RGB utilizzati per la retroilluminazione delle icone touch. Per fornire un'illuminazione omogenea delle icone abbiamo bisogno di diffusori di luce che si posizioneranno sopra i LED da 1mm x 1mm.

Le parti stampate in 3D SLA sono l'opzione preferibile per questa applicazione. Data la piccola dimensione dei diffusori, è fattibile stampare 600 pezzi per lotto. Il tempo totale di gestione, inclusa la post-elaborazione, è di soli 2 minuti, con un tempo di stampa di 10 minuti. Questo rende la stampa 3D di queste parti una scelta attraente anche per le produzioni in piccola serie.

La scelta della resina sarà molto importante per le proprietà ottiche dei diffusori e la stabilità a lungo termine del materiale. La scelta della resina non è ancora stata finalizzata e richiederà ulteriori test.

Piccoli diffusori stampati in 3D

Le parti stampate in 3D saranno montate a pressione sulla scheda della webcam. Un'opzione alternativa potrebbe prevedere l'uso di una piccola quantità di colla, necessitando di un passaggio aggiuntivo nel processo di assemblaggio. Sebbene l'incollaggio possa aumentare leggermente il tempo di gestione, potrebbe essere una scelta più affidabile, specialmente considerando che il materiale in resina è relativamente fragile e potrebbe non essere ideale per applicazioni a pressione.

È necessario ulteriore testing per determinare l'approccio più appropriato in questo caso.

Diffusori stampati in 3D montati sulla scheda della webcam

Un test di installazione della scheda completa della webcam nel vassoio del coperchio aggiornato (i dettagli saranno forniti nei prossimi aggiornamenti) indica che tutti i componenti si adattano perfettamente senza collisioni o la necessità di lavorazioni aggiuntive.

Coperchio del display assemblato includendo la scheda della webcam

Nel prossimo aggiornamento, esamineremo lo schema e il design del PCB del modulo della webcam. Con solo alcuni dettagli in più da risolvere per il design elettrico del coperchio, ci stiamo avvicinando al completamento del primo sottosistema del design del laptop! Seguiteci quando affronteremo il design del case del laptop, il trackpad, il layout della tastiera e molto altro ancora!