Fase di Progettazione – Meccanica dell'Assemblaggio del Coperchio Parte 2

Benvenuti alla seconda parte della progettazione dell'assemblaggio del coperchio del laptop open-source! Nell'ultimo episodio, abbiamo esaminato più da vicino il concetto di base del design del coperchio del laptop e come possiamo integrare vari sensori nello schermo del display.

Seguiremo questo stesso percorso, esplorando due modi per integrare il PCB del sensore sopra il pannello del display. Questo avrà un impatto diretto sul rimanente design meccanico del coperchio, quindi vediamo come possiamo affrontare questa sfida.

PCB della webcam con FPC per connettersi alla scheda madre

Prima di tutto, potreste ricordare che dobbiamo integrare più sensori; inclusi due microfoni MEMS, un sensore di luce ambientale, un sensore della fotocamera e sette pad capacitivi al tocco. Inoltre, dobbiamo garantire un'illuminazione uniforme per i pad al tocco con un LED per tasto. Ogni sensore ha un requisito di altezza unico, ma tutti devono essere riferiti al lato inferiore del vetro di copertura. Per montare tutti questi sensori su un singolo PCB, dobbiamo progettare una scheda con più zone di altezza.

Mentre i requisiti di altezza per i diversi sensori sono chiaramente documentati sul foglio delle specifiche, i tasti capacitivi retroilluminati sono un po' più complicati. Affrontiamo i sensori capacitivi al tocco prima di concentrarci sulla forma e sull'integrazione della scheda della webcam.

Tasti capacitivi al tocco

I tasti capacitivi al tocco dovrebbero permettere all'utente di attivare o disattivare determinate funzioni critiche per la privacy come i microfoni, la webcam o la connessione WiFi. L'attivazione o la disattivazione di queste funzioni è solitamente gestita dal sistema operativo. Vogliamo la capacità di disabilitare questo strato software nell'hardware—significa che possiamo interrompere l'alimentazione a questi blocchi funzionali senza l'intervento del SO—a causa della mancanza di trasparenza dello strato software.

Tipicamente, semplici interruttori o cursori hardware sono utilizzati per coprire la fotocamera o il microfono. Tuttavia, nel nostro design del laptop con frontale tutto in vetro, questa non è un'opzione. Invece, posizioneremo icone retroilluminate sopra lo schermo che possono essere attivate o disattivate tramite il rilevamento del tocco capacitivo.

Per ottenere questo risultato, abbiamo bisogno di un modo affidabile per rilevare il tocco attraverso uno spessore di vetro di copertura di 1mm o più. L'ASIC utilizzato per la rilevazione del tocco deve avere una maggiore sensibilità man mano che la distanza tra l'elettrodo sensore e l'input tattile aumenta. In uno scenario con una distanza sostanziale tra il pad di rilevamento e l'input tattile, non solo la sensibilità deve essere molto alta, ma anche il rapporto segnale/rumore dell'intero sistema deve essere sufficiente. Anche se è possibile rilevare l'input tattile su grandi distanze, diventa più facile innescare azioni di tocco false. Man mano che la distanza di rilevamento aumenta, il nostro segnale utile effettivo si avvicina al livello di rumore dell'ASIC di rilevamento.

Per utilizzare un ASIC di rilevamento a basso costo con una sensibilità e un rapporto segnale/rumore moderati, dobbiamo posizionare l'elettrodo di rilevamento il più vicino possibile all'input tattile.

Nel nostro caso, ciò significa mettere l'elettrodo proprio sul retro del vetro di copertura. Tutto ciò che dobbiamo fare è attaccare un sottile PCB sul retro del vetro. Tuttavia, ciò introduce una nuova sfida: come facciamo ad illuminare le icone con un elettrodo in rame di mezzo?

Come soluzione, vorremo posizionare il rame lungo il contorno delle icone lasciando un'apertura nella scheda che è solo di 0,3mm più grande dell'icona tattile stampata sul vetro di copertura.

La buona notizia è che il processo di fabbricazione degli FPC lavora a nostro favore. A differenza dei PCB rigidi, che utilizzano uno strumento di fresatura di almeno 1mm di diametro, gli FCP sono tagliati con un laser. Questo permette di realizzare caratteristiche più intricate senza un raggio minimo d'angolo. Inoltre, il percorso del laser di solito fornisce una tolleranza di posizionamento più stretta rispetto alla tradizionale fresatura per quanto riguarda l'opera in rame.

Icone stampate nel vetro di copertura

La scheda di rilevamento tattile con ritagli per le Icone

Noterete che i ritagli delle icone tattili si allineano perfettamente con la stampa sul vetro di copertura. Il raggio d'angolo all'interno delle icone è solo di 0,2mm in alcuni punti, il che non rappresenta una sfida per il processo di taglio laser.

FPC incollato sul vetro di copertura

Un altro vantaggio nell'uso di un FPC è che possono essere ordinati con nastro biadesivo 3M pre-applicato, il che significa che non dobbiamo più tagliare il nastro adesivo su misura e applicarlo alla scheda prima dell'assemblaggio.

Possiamo utilizzare la funzione di importazione DXF all'interno di Altium Designer per importare i contorni delle icone che sono stati definiti nello strumento CAD. Questo ci fa risparmiare tempo speso a definire le regioni di taglio per la retroilluminazione.

Layout del PCB dei tasti touch

Lo screenshot del layout qui sopra mostra i pad tattili intorno alle icone associate. Il poligono di terra è tratteggiato per minimizzare la capacità del tasto touch rispetto al terra nelle regioni dove i pad si sovrappongono al riempimento di terra.

Il layout del FPC del touchpad può essere trovato qui:

Metodo di integrazione PCB #1

Ora che sappiamo come i pad di rilevamento al tocco saranno integrati nel sistema, possiamo esaminare più da vicino come vogliamo integrare l'intera scheda PCB della webcam.

Nell'aggiornamento precedente, abbiamo dato un'occhiata veloce all'approccio FPC. Una scheda a circuito stampato a quattro strati con spessori di rinforzo diversi è stata utilizzata per avvicinare la scheda alla parte inferiore del vetro di copertura dove necessario.

Tre regioni di impilamento dei strati sono state definite in Altium Designer:

Layerstack Flex PCB

Le regioni più a sinistra e più a destra sono dotate di un rinforzo in FR4 spesso 1.2 mm. Questo riduce la distanza tra i microfoni e il sensore di luce ambientale fino a solo 1.1 mm rispetto al vetro di copertura.

Nella sezione centrale, invece, abbiamo utilizzato un rinforzo in acciaio inossidabile di 0.2mm. Il sensore della fotocamera e il connettore da scheda a scheda FPC saranno montati su questa sezione piatta.

Definendo i tipi di rinforzo giusti e le loro posizioni in Altium Designer, possiamo esportare la scheda nel suo stato di montaggio piegato:

Montare questo PCB flessibile comporta un altro insieme di sfide. La sezione centrale non ha il proprio foro di montaggio. Questo perché non c'è abbastanza spessore del materiale sotto la sezione centrale per utilizzare una vite di montaggio. Tuttavia, anche questa sezione deve essere tenuta in posizione, quindi dobbiamo trovare un altro modo per ottenere questo.

Il piano per montare questa sezione prevedeva l'uso di una parte sottile in acciaio inossidabile, piegata nella forma desiderata utilizzando uno strumento di piegatura metallica stampato in 3D SLM.

Modello CAD della molla di montaggio

Rendering 3D dell'utensile piegatore

Come probabilmente avrai già capito, questo approccio di integrazione diventa rapidamente piuttosto complesso. Ci sono diversi problemi e fattori di costo associati a questo metodo:

• Questo approccio consente solo l'uso di un PCB flessibile a 4 strati per mantenere piccoli i raggi di piegatura. Questo rende il layout sfidante e difficile da adattare se sono necessarie ulteriori modifiche;

• È necessario un attrezzaggio di produzione specializzato per l'assemblaggio del PCB flessibile a causa delle diverse spessori dei rinforzi;

• È necessario un attrezzaggio specializzato per piegare le molle di montaggio per il PCB flessibile.

Assemblare circuiti stampati flessibili può essere una sfida per alcuni fornitori di PCBA. L'attrezzatura di produzione della maggior parte delle aziende di assemblaggio PCB è adatta a PCB rigidi piatti. Gestire un PCB che è flessibile e ha spessori diversi richiede dispositivi aggiuntivi nel processo di produzione.

I PCB flessibili possono anche rendere difficile l'assemblaggio manuale dei circuiti stampati. Questa è una buona opportunità per imparare quali sfide dovrebbero essere affrontate in un ambiente di produzione. Anche se questo PCB flessibile non è stato inserito nel design finale del laptop, diamo un'occhiata rapida a due sfide di produzione che il fornitore di PCBA dovrebbe affrontare:

#1 Stampa della pasta saldante

La stampa della pasta richiede che lo stencil per la pasta saldante sia posato piatto sulla superficie del PCB. La spatola che distribuisce la pasta saldante sullo stencil applica una forza allo stencil e alla scheda sottostante. Il PCB deve essere in grado di supportare questa forza e non deve piegarsi durante il processo di stampa. Per i PCB flessibili con diversi spessori di rinforzo, è necessario uno strumento per supportare la scheda. Per il processo di stampa manuale della pasta, può essere utilizzato un dispositivo di fissaggio stampato in 3D.

Supporto stampato in 3D necessario per la stampa della pasta

#2 Assemblaggio

Come nel processo di stampa della pasta di saldatura, anche la macchina pick-and-place si affida al fatto che il PCB sia fissato saldamente nella macchina. Di solito, per questo si utilizzano delle strisce di attrezzaggio ai bordi del pannello.

Anche se il pannello per il PCB flessibile fornisce queste strisce di attrezzaggio, esse non sono in grado di mantenere la scheda in posizione durante l'assemblaggio. È necessaria una piastra di montaggio aggiuntiva per assemblare questo tipo di scheda flessibile.

Questi supporti non sono sempre necessari e dipendono in gran parte dalle macchine utilizzate dal fornitore di PCBA e dalla geometria/layout del pannello. Se le sezioni di rinforzo possono essere collegate insieme, potrebbe essere possibile assemblare una tale scheda senza hardware di supporto aggiuntivo. Nel nostro caso, tuttavia, ciò non è possibile.

PCB flessibili panelizzati

Le sfide menzionate, così come la complessità aggiunta al design dall'uso di un PCB flessibile per il modulo della webcam, sono il motivo per cui questo approccio non è stato utilizzato per il sistema finale.

Scopriremo quale approccio è stato scelto al suo posto e quali problemi ha comportato nel prossimo aggiornamento! Spero che continuerete a seguire il prossimo capitolo del progetto di laptop open-source.