Faza projektowania – Mechanika montażu pokrywy Część 2

Witamy w drugiej części projektowania obudowy ekranu laptopa na otwartym kodzie źródłowym! W ostatniej części przyjrzeliśmy się bliżej podstawowemu koncepcji projektu pokrywy laptopa oraz temu, jak możemy zintegrować różne czujniki z ekranem wyświetlacza.

Będziemy kontynuować tę ścieżkę, badając dwa sposoby na zintegrowanie płytki PCB czujnika nad panelem wyświetlacza. Będzie to miało bezpośredni wpływ na pozostały mechaniczny projekt pokrywy, więc zobaczmy, jak możemy podejść do tego wyzwania.

PCB kamery internetowej z FPC do połączenia z płytą główną

Przede wszystkim, przypomnijmy sobie, że musimy zintegrować wiele czujników; w tym dwa mikrofony MEMS, czujnik światła otoczenia, czujnik kamery oraz siedem pojemnościowych paneli dotykowych. Dodatkowo musimy zapewnić równomierne podświetlenie dla paneli dotykowych z jedną diodą LED na klawisz. Każdy czujnik ma unikalne wymagania wysokościowe, ale wszystkie muszą być odniesione do spodu szklanej pokrywy. Aby zamontować wszystkie te czujniki na jednej płytce PCB, musimy zaprojektować płytę z wieloma strefami wysokości.

Chociaż wymagania wysokościowe dla różnych czujników są jasno udokumentowane na karcie specyfikacji, podświetlane pojemnościowe klawisze dotykowe są nieco bardziej skomplikowane. Zajmijmy się czujnikami dotykowymi przed skupieniem się na kształcie i integracji płytki kamery internetowej.

Pojemnościowe klawisze dotykowe

Pojemnościowe klawisze dotykowe powinny umożliwiać użytkownikowi aktywowanie lub dezaktywowanie pewnych funkcji krytycznych dla prywatności, takich jak mikrofony, kamera internetowa czy połączenie WiFi. Aktywowanie lub dezaktywowanie tych funkcji jest zazwyczaj obsługiwane przez system operacyjny. Chcemy mieć możliwość wyłączenia tej warstwy oprogramowania w sprzęcie — oznacza to, że możemy przerwać zasilanie tych bloków funkcjonalnych bez interwencji systemu operacyjnego — ze względu na brak przejrzystości warstwy oprogramowania.

Zazwyczaj, do zakrycia kamery lub mikrofonu używa się prostych przełączników lub suwaków sprzętowych. Jednak w naszym projekcie laptopa z całkowicie szklanym frontem, to nie jest opcja. Zamiast tego umieścimy podświetlane ikony nad ekranem, które mogą być aktywowane lub dezaktywowane za pomocą pojemnościowego czujnika dotyku.

Aby osiągnąć ten wynik, potrzebujemy niezawodnego sposobu na wykrywanie dotyku przez szkło ochronne o grubości 1 mm lub większej. Układ ASIC używany do wykrywania dotyku musi mieć wyższą czułość, ponieważ odległość między elektrodą czujnika a miejscem dotyku wzrasta. W scenariuszu, gdzie odległość między padem czujnika a miejscem dotyku jest znaczna, nie tylko czułość musi być bardzo wysoka, ale także stosunek sygnału do szumu całego układu musi być wystarczający. Chociaż możliwe jest wykrywanie dotyku na dużych odległościach, łatwiej jest spowodować fałszywe akcje dotyku. W miarę zwiększania się odległości czujnika, nasz rzeczywiście użyteczny sygnał zbliża się do poziomu szumu układu ASIC.

Aby użyć niedrogiego układu ASIC o umiarkowanej czułości i stosunku sygnału do szumu, musimy umieścić elektrodę czujnika jak najbliżej miejsca dotyku.

W naszym przypadku oznacza to umieszczenie elektrody bezpośrednio na tylnej stronie szkła ochronnego. Wszystko, co musimy zrobić, to przymocować cienką płytę PCB na tylnej stronie szkła. Jednak wprowadza to nowe wyzwanie: jak oświetlić ikony, gdy w drodze jest elektroda miedziana?

Jako rozwiązanie, będziemy chcieli umieścić miedź wzdłuż konturu ikon, pozostawiając wycięcie na płycie, które jest tylko o 0,3 mm większe niż nadrukowana na szkle ochronnym ikona dotyku.

Dobra wiadomość jest taka, że proces produkcyjny FPC działa na naszą korzyść. W przeciwieństwie do sztywnych PCB, które są frezowane narzędziem o średnicy co najmniej 1 mm, FCP są cięte laserem. Pozwala to na bardziej skomplikowane cechy bez minimalnego promienia narożnika. Dodatkowo, ścieżka lasera zwykle zapewnia ściślejszą tolerancję pozycjonowania do grafiki miedzianej w porównaniu z tradycyjnym frezowaniem.

Ikony nadrukowane na szkle ochronnym

Płytka czujnika dotyku z wycięciami dla ikon

Zauważysz, że wycięcia ikon dotyku idealnie pasują do nadruku na szkle ochronnym. Promień narożnika wewnątrz ikon w niektórych miejscach wynosi tylko 0,2 mm, co nie stanowi wyzwania dla procesu cięcia laserowego.

FPC przyklejony do szkła ochronnego

Kolejną zaletą użycia FPC jest możliwość zamówienia ich z wcześniej nałożoną dwustronną taśmą klejącą 3M, co oznacza, że nie musimy już ciąć taśmy klejącej na wymiar i aplikować jej na płytę przed montażem.

Możemy użyć funkcji importu DXF w Altium Designer, aby zaimportować kontury ikon, które zostały zdefiniowane w narzędziu CAD. To pozwala nam zaoszczędzić czas spędzony na definiowaniu regionów wycięć dla podświetlenia.

Układ PCB klawisza dotykowego

Zrzut ekranu układu powyżej pokazuje pady dotykowe wokół powiązanych ikon. Poligon masy jest przekreślony, aby zminimalizować pojemność klawisza dotykowego względem masy w regionach, gdzie pady nakładają się na wylewkę masy.

Układ FPC klawisza dotykowego można znaleźć tutaj:

Metoda integracji PCB #1

Teraz, gdy wiemy, jak panele dotykowe zostaną zintegrowane z systemem, możemy przyjrzeć się bliżej, jak chcemy zintegrować całą płytę PCB kamery internetowej.

W poprzedniej aktualizacji, przyjrzeliśmy się krótko podejściu FPC. Czterowarstwowa płyta drukowana z różnymi grubościami usztywniaczy została użyta, aby przybliżyć płytę do dolnej części szkła pokrywającego tam, gdzie było to potrzebne.

W Altium Designer zdefiniowano trzy obszary stosu warstw:

Stos warstw elastycznej PCB

Najbardziej lewy i prawy obszar są wyposażone w 1,2 mm grubości usztywniacz FR4. To zmniejsza odległość między mikrofonami a czujnikiem światła otoczenia do szkła pokrywającego do zaledwie 1,1 mm.

W środkowej sekcji, jednak, użyliśmy 0,2mm usztywniacza ze stali nierdzewnej. Na tej płaskiej sekcji zostaną zamontowane czujnik kamery i złącze płyty FPC do płyty.

Definiując odpowiednie typy i lokalizacje usztywniaczy w Altium Designer, możemy wyeksportować płytę w jej złożonym stanie montażowym:

Montaż tej elastycznej PCB wiąże się z kolejnym zestawem wyzwań. Środkowa sekcja nie posiada własnego otworu montażowego. Wynika to z faktu, że pod środkową sekcją nie ma wystarczającej grubości materiału, aby użyć śruby montażowej. Jednak ta sekcja również musi być utrzymana na miejscu, więc musimy znaleźć inny sposób, aby to osiągnąć.

Plan montażu tej sekcji zakładał użycie cienkiej części ze stali nierdzewnej, zgiętej do pożądanego kształtu przy użyciu narzędzia do gięcia metalu wydrukowanego metodą SLM 3D.

Model CAD sprężyny montażowej

Renderowanie 3D narzędzia do gięcia

Jak prawdopodobnie już zauważyłeś, podejście integracyjne szybko staje się dość skomplikowane. Istnieje kilka problemów i czynników kosztowych związanych z tą metodą:

• To podejście pozwala tylko na użycie elastycznej płytki drukowanej (PCB) o 4 warstwach, aby zachować małe promienie gięcia. To sprawia, że układ jest trudny do zaprojektowania i trudno go dostosować, jeśli potrzebne są dalsze zmiany;

• Specjalistyczne narzędzia produkcyjne do montażu elastycznej PCB są potrzebne z powodu różnych grubości usztywniaczy;

• Specjalistyczne narzędzia są potrzebne do gięcia sprężyn montażowych dla elastycznej PCB.

Montaż elastycznych płyt obwodów może stanowić wyzwanie dla niektórych dostawców PCBA. Wyposażenie produkcyjne większości zakładów montażu PCB jest dostosowane do płaskich, sztywnych PCB. Obsługa PCB, które są elastyczne i mają różne grubości, wymaga dodatkowych oprzyrządowań w procesie produkcyjnym.

Elastyczne PCB mogą nawet utrudniać ręczny montaż płyt obwodów. To dobra okazja, aby dowiedzieć się, z jakimi wyzwaniami trzeba się zmierzyć w środowisku produkcyjnym. Chociaż ta elastyczna PCB nie znalazła się w ostatecznym projekcie laptopa, spójrzmy szybko na dwa wyzwania produkcyjne, z którymi musiałby się zmierzyć dostawca PCBA:

#1 Drukowanie pasty lutowniczej

Drukowanie pasty wymaga, aby szablon pasty lutowniczej leżał płasko na powierzchni PCB. Szpachelka, która rozprowadza pastę lutowniczą na szablonie, wywiera siłę na szablon i płytę poniżej. PCB musi być w stanie wytrzymać tę siłę i nie może się zginać podczas procesu drukowania. Dla elastycznych PCB o różnych grubościach usztywniaczy potrzebne jest narzędzie do podparcia płyty. W ręcznym procesie drukowania pasty można użyć oprzyrządowania wydrukowanego w 3D.

Uchwyt wydrukowany metodą 3D potrzebny do drukowania pasty

#2 Montaż

Podobnie jak w procesie drukowania pasty lutowniczej, maszyna do montażu elementów SMD również wymaga, aby PCB była mocno zamocowana w maszynie. Zazwyczaj do tego celu używa się pasków narzędziowych na krawędzi panelu.

Chociaż panel dla elastycznego PCB również zapewnia te paski narzędziowe, nie są one w stanie utrzymać płytki na miejscu podczas montażu. Dodatkowa płyta montażowa jest potrzebna do montażu tej elastycznej płytki.

Te uchwyty nie są zawsze potrzebne i w dużej mierze zależą od maszyn używanych przez dostawcę PCBA oraz od geometrii/układu panelu. Jeśli sekcje usztywniające mogą być połączone ze sobą, montaż takiej płytki bez dodatkowego sprzętu wspierającego może być możliwy. W naszym przypadku jednak nie jest to możliwe.

Panelizowane elastyczne PCB

Wspomniane wyzwania, jak również złożoność dodana do projektu przez użycie elastycznego PCB dla modułu kamery internetowej, są powodem, dla którego podejście to nie zostało użyte w ostatecznym systemie.

Dowiedziemy się, które podejście zostało wybrane zamiast tego i jakie problemy się z tym wiązały w następnej aktualizacji! Mam nadzieję, że będziesz kontynuować śledzenie kolejnej części projektu laptopa open-source.