디자인 단계 - 뚜껑 조립 메커니즘 파트 2

오픈 소스 노트북 뚜껑 조립 디자인의 두 번째 파트에 오신 것을 환영합니다! 지난 시간에는 노트북 뚜껑의 기본 디자인 개념과 디스플레이 화면에 다양한 센서를 통합하는 방법에 대해 자세히 살펴보았습니다.

이번에는 디스플레이 패널 위에 센서 PCB를 통합하는 두 가지 방법을 탐색하면서 같은 경로를 따라갈 것입니다. 이는 뚜껑의 나머지 기계적 디자인에 직접적인 영향을 미칠 것이므로, 이 도전을 어떻게 접근할 수 있는지 살펴보겠습니다.

메인보드에 연결하기 위한 FPC가 있는 웹캠 PCB

먼저, 여러 센서를 통합해야 한다는 것을 기억할 수 있습니다; 두 개의 MEMS 마이크, 주변광 센서, 카메라 센서, 그리고 일곱 개의 정전 용량식 터치 패드를 포함합니다. 또한, 키당 하나의 LED로 터치 패드의 균일한 백라이트를 보장해야 합니다. 각 센서는 고유한 높이 요구 사항을 가지고 있지만, 모두 커버 글라스의 아래쪽을 기준으로 해야 합니다. 이 모든 센서를 단일 PCB에 장착하려면 여러 높이 영역이 있는 보드를 설계해야 합니다.

다양한 센서의 높이 요구 사항은 사양서에 명확하게 문서화되어 있지만, 백라이트가 있는 정전 용량식 터치 키는 조금 더 복잡합니다. 웹캠 보드의 형태와 통합에 초점을 맞추기 전에 정전 용량식 터치 센서를 먼저 다루겠습니다.

정전 용량식 터치 키

정전 용량식 터치 키는 사용자가 마이크, 웹캠 또는 WiFi 연결과 같은 특정 개인 정보 보호에 중요한 기능을 활성화하거나 비활성화할 수 있게 해야 합니다. 이러한 기능의 활성화 또는 비활성화는 일반적으로 운영 체제에 의해 처리됩니다. 우리는 소프트웨어 계층의 투명성 부족으로 인해 OS 개입 없이 이 기능 블록에 전원을 차단할 수 있는 하드웨어에서 이 소프트웨어 계층을 비활성화할 수 있는 기능을 원합니다.

일반적으로 카메라나 마이크를 가리기 위해 간단한 하드웨어 스위치나 슬라이더가 사용됩니다. 그러나 전면이 모두 유리인 우리의 노트북 디자인에서는 이것이 옵션이 아닙니다. 대신, 우리는 화면 위에 백라이트 아이콘을 배치하여 정전 용량식 터치 감지를 통해 활성화하거나 비활성화할 수 있습니다.

이 결과를 달성하기 위해서는 1mm 이상의 커버글라스 두께를 통해 터치를 감지할 수 있는 신뢰할 수 있는 방법이 필요합니다. 터치 감지에 사용되는 ASIC은 센서 전극과 터치 입력 사이의 거리가 증가함에 따라 더 높은 감도를 가져야 합니다. 센싱 패드와 터치 입력 사이에 상당한 거리가 있는 시나리오에서는 감도가 매우 높아야 할 뿐만 아니라 전체 설정의 신호 대 잡음비도 충분해야 합니다. 큰 거리를 통해 터치 입력을 감지하는 것이 가능하지만, 거짓 터치 동작을 유발하기 쉬워집니다. 감지 거리가 증가함에 따라 우리의 실제 유용한 신호는 감지 ASIC의 잡음 바닥에 더 가까워집니다.

중간 정도의 감도와 신호 대 잡음비를 가진 저비용 감지 ASIC을 사용하기 위해서는 센싱 전극을 가능한 한 터치 입력에 가깝게 배치해야 합니다.

우리의 경우, 이는 전극을 커버글라스의 뒷면에 바로 부착하는 것을 의미합니다. 우리가 해야 할 일은 커버글라스의 뒷면에 얇은 PCB를 부착하는 것뿐입니다. 그러나 이는 새로운 도전을 제기합니다: 구리 전극이 방해가 되는 상황에서 어떻게 아이콘을 밝게 할 수 있을까요?

해결책으로, 우리는 아이콘의 윤곽을 따라 구리를 배치하고 커버글라스에 인쇄된 터치 아이콘보다 단 0.3mm 더 큰 컷아웃을 보드에 남겨두고자 합니다.

좋은 소식은 FPC의 제조 공정이 우리에게 유리하게 작용한다는 것입니다. 적어도 1mm 직경의 밀링 도구를 사용하는 강성 PCB와 달리, FCP는 레이저로 절단됩니다. 이를 통해 최소 코너 반경 없이 더 복잡한 기능을 구현할 수 있습니다. 또한, 레이저 경로는 일반적으로 전통적인 밀링에 비해 구리 아트워크에 대한 더 타이트한 위치 허용 오차를 제공합니다.

커버글라스에 인쇄된 아이콘

아이콘을 위한 컷아웃이 있는 터치 감지 보드

커버글라스에 인쇄된 터치 아이콘과 완벽하게 일치하는 컷아웃을 볼 수 있습니다. 아이콘 내의 코너 반경은 일부 곳에서 단 0.2mm에 불과하며, 이는 레이저 절단 공정에 아무런 문제가 되지 않습니다.

커버글라스에 붙여진 FPC

FPC를 사용하는 또 다른 장점은 3M 양면 접착 테이프가 미리 적용된 상태로 주문할 수 있어, 조립 전에 보드에 접착 테이프를 재단하고 적용하는 수고를 덜 수 있다는 것입니다.

Altium Designer 내의 DXF 가져오기 기능을 사용하여 CAD 도구에서 정의된 아이콘의 윤곽을 가져올 수 있습니다. 이는 백라이트를 위한 컷아웃 영역을 정의하는 데 소요되는 시간을 절약해 줍니다.

터치 키 PCB의 레이아웃

위의 레이아웃 스크린샷은 관련 아이콘 주변의 터치 패드를 보여줍니다. 패드가 그라운드 푸어와 겹치는 영역에서 터치 키의 그라운드에 대한 정전 용량을 최소화하기 위해 그라운드 폴리곤은 해칭 처리되었습니다.

터치패드 FPC의 레이아웃은 여기에서 찾을 수 있습니다:

PCB 통합 방법 #1

이제 터치 감지 패드가 시스템에 어떻게 통합될지 알게 되었으므로, 전체 웹캠 PCB를 어떻게 통합할지 더 자세히 살펴볼 수 있습니다.

이전 업데이트에서는 FPC 접근 방식을 간략히 살펴보았습니다. 서로 다른 강화판 두께를 가진 4층 인쇄 회로 기판이 필요한 곳에서 커버 글라스 바닥에 더 가깝게 하기 위해 사용되었습니다.

Altium Designer에서 세 개의 층 스택 영역이 정의되었습니다:

층 스택 플렉스 PCB

가장 왼쪽과 오른쪽 영역은 1.2mm 두께의 FR4 강화판으로 장착되어 있습니다. 이로 인해 마이크와 주변 광 센서와 커버글라스 사이의 거리가 단 1.1mm로 줄어듭니다.

그러나 중간 섹션에서는 0.2mm 스테인리스 강화판을 사용했습니다. 카메라 센서와 FPC 보드 대 보드 커넥터가 이 평평한 부분에 장착될 것입니다.

Altium Designer에서 올바른 강화판 유형과 위치를 정의함으로써, 접힌 장착 상태에서 보드를 내보낼 수 있습니다:

이 플렉스 PCB를 장착하는 것은 또 다른 도전 과제를 수반합니다. 중간 섹션에는 자체적인 장착 구멍이 없습니다. 이는 중앙 섹션 아래에 충분한 재료 두께가 없어 장착 나사를 사용할 수 없기 때문입니다. 그러나 이 섹션도 제자리에 고정되어야 하므로, 이를 달성하기 위한 다른 방법을 찾아야 합니다.

이 섹션을 장착하기 위한 계획은 SLM 3D 프린트된 금속 벤딩 도구를 사용하여 원하는 모양으로 구부린 얇은 스테인리스 스틸 부품을 사용하는 것이었습니다.

마운팅 스프링의 CAD 모델

굽힘 도구의 3D 렌더링

이 통합 접근 방식이 상당히 복잡해짐을 이미 깨달았을 것입니다. 이 방법과 관련된 여러 문제와 비용 요인이 있습니다:

• 이 접근 방식은 굽힘 반경을 작게 유지하기 위해 4층 플렉스 PCB만을 허용합니다. 이로 인해 레이아웃이 어렵고 추가 변경이 필요할 경우 적응하기 어렵습니다;

• 플렉스 PCB의 다른 강화판 두께로 인해 특수 제조 공구가 필요합니다;

• 플렉스 PCB용 마운팅 스프링을 굽히기 위한 특수 공구가 필요합니다.

유연한 회로 기판을 조립하는 것은 일부 PCBA 제공업체에게 도전이 될 수 있습니다. 대부분의 PCB 조립 공장의 제조 장비는 평평한 강성 PCB에 맞춰져 있습니다. 유연하고 두께가 다른 PCB를 다루는 것은 제조 과정에서 추가적인 고정 장치를 필요로 합니다.

유연한 PCB는 회로 기판의 수동 조립을 어렵게 만들 수도 있습니다. 이는 생산 환경에서 다뤄야 할 도전 과제를 배울 좋은 기회입니다. 이 유연한 PCB가 최종 노트북 디자인에 포함되지 않았음에도 불구하고, PCBA 제공업체가 다뤄야 할 두 가지 제조 도전을 빠르게 살펴보겠습니다:

#1 솔더 페이스트 인쇄

페이스트 인쇄는 솔더 페이스트 스텐실이 PCB 표면에 평평하게 놓여야 합니다. 스텐실에 솔더 페이스트를 분배하는 스퀴지는 스텐실과 그 아래의 보드에 힘을 가합니다. PCB는 이 힘을 지탱할 수 있어야 하며 인쇄 과정 중에 구부러지지 않아야 합니다. 다른 강화판 두께를 가진 유연한 PCB의 경우, 보드를 지지하기 위한 도구가 필요합니다. 수동 페이스트 인쇄 과정에서는 3D 프린트된 고정 장치를 사용할 수 있습니다.

페이스트 인쇄에 필요한 3D 프린트 고정 장치

#2 조립

솔더 페이스트 인쇄 과정과 마찬가지로, 픽 앤 플레이스 기계도 PCB가 기계에 안정적으로 고정되는 것을 필요로 합니다. 보통 패널의 가장자리에 있는 공구 스트립이 이용됩니다.

플렉스 PCB의 패널도 이러한 공구 스트립을 제공하지만, 조립 중에 보드를 제자리에 고정시키기에는 충분하지 않습니다. 이 플렉스 보드를 조립하기 위해서는 추가적인 마운팅 플레이트가 필요합니다.

이러한 고정 장치는 항상 필요한 것은 아니며, 주로 PCBA 제공업체가 사용하는 기계와 패널의 기하학적 구성/배치에 따라 달라집니다. 강화 섹션이 연결될 수 있다면, 추가 지원 하드웨어 없이도 이러한 보드를 조립할 수 있을지도 모릅니다. 하지만, 우리의 경우에는 그렇지 않습니다.

패널화된 유연한 PCB들

앞서 언급한 도전 과제들과 웹캠 모듈에 유연한 PCB를 사용함으로써 디자인에 추가된 복잡성이 최종 시스템에 이 방법이 사용되지 않은 이유입니다.

대신 어떤 접근 방식이 선택되었는지와 그로 인해 발생한 문제점들을 다음 업데이트에서 알아보겠습니다! 오픈 소스 노트북 프로젝트의 다음 회를 기대해 주세요.