Fase de Design – Mecânica da Montagem da Tampa Parte 3

Bem-vindo à terceira parte do projeto de montagem da tampa do laptop de código aberto! Na última parcela, examinamos uma possível maneira de integrar o módulo da webcam e todos os sensores conectados na moldura da tampa do laptop.

Identificamos vários desafios com a abordagem apresentada no artigo anterior. A complexidade adicional de montagem e fabricação associada ao uso de um PCB flexível nos levou a outra opção usando apenas uma placa rígida. Agora, vamos ver como essa implementação funciona.

PCB da webcam montado dentro da moldura da tela

Placa filha do sensor de luz ambiente

Um desafio que já identificamos é a necessidade de diminuir a distância entre o lado superior do sensor de luz ambiente e a abertura no vidro do display. A distância máxima entre o sensor de luz e o vidro de cobertura é dada pelo diâmetro da abertura da janela de visualização no vidro do display. Examinamos essa relação na parte 1 da série de atualizações do projeto de montagem da tampa.

Porque precisamos manter a abertura na serigrafia no vidro do display o menor possível para garantir que não seja visível, ela deve ser limitada a 1 mm de diâmetro. Isso significa que a distância máxima do topo do sensor até o vidro do display deve ser igual a 1,2mm. Como estamos usando uma PCB rígida para a webcam, a placa fica quatro milímetros abaixo do vidro de cobertura. O sensor de luz tem apenas 0,8mm de altura, o que significa que precisamos de alguma forma preencher uma lacuna de aproximadamente 2mm.

2mm é uma espessura padrão para PCBs. Podemos montar o sensor de luz ambiente com seu capacitor de desacoplamento e dois resistores de pull-up para o barramento I2C em uma pequena PCB. Então, podemos soldar todo o módulo na placa da webcam.

Se decidirmos trocar o sensor de luz em revisões futuras, podemos modificar o pequeno módulo sem ter que redesenhar a placa da webcam.

O design para o módulo do sensor é uma placa simples de duas camadas com o sensor de luz e componentes passivos no lado superior e os pads de contato LGA no lado inferior. Aqui, você tem um esquemático e Layout de PCB deste módulo:

O sensor é colocado no centro do módulo para servir como ponto de captação para a máquina de pick and place. Alinhe o bocal da máquina com o centro de massa da peça para garantir uma coleta e colocação confiáveis, mesmo em altas taxas de aceleração na máquina PnP.

A área de contato do módulo da webcam se estende além do contorno do módulo do sensor de luz ambiente. Isso permite que a máquina de inspeção óptica automática, no final da linha de montagem, verifique o alinhamento correto e assegure solda suficiente em cada pad do módulo.

A área de contato usada no módulo da webcam se estende além do contorno do módulo do sensor de luz

Módulo do sensor de luz ambiente soldado na placa da webcam

Placa filha de ponto de montagem

Podemos adotar uma abordagem semelhante de placa filha para os pontos de montagem. No entanto, um desafio surge ao fixar PCBs finas a uma peça de metal fina em nosso design. Alcançar o comprimento mínimo de rosca necessário para o diâmetro do parafuso correspondente se torna uma preocupação.

Além do comprimento mínimo da rosca, temos que ter em mente que as roscas só podem ser cortadas até uma certa profundidade em furos cegos. A macho de roscar não pode cortar roscas até o fundo do furo, então um deslocamento fixo deve ser adicionado ao comprimento mínimo da rosca.

Levando todos esses fatores em consideração, precisamos fornecer uma rosca bastante profunda para os furos de montagem. A espessura do material da tampa é fixada em 1mm, o que significa que temos que fornecer algum tipo de espaçador para os pontos de montagem.

Podemos abordar o problema aumentando localmente a espessura do módulo da webcam através da adição de pequenas placas filhas. Essas placas—também com uma espessura de 2mm—apresentam pads de cobre em ambos os lados superior e inferior. Empregando o mesmo empilhamento da placa do sensor de luz ambiente, podemos fabricar essas placas filhas no mesmo painel de produção.

Com uma espessura local da placa de 2.8mm, agora podemos usar um furo de montagem padrão na tampa do display:

Abordagem de montagem do módulo da webcam

Pontos de contato do teclado sensível ao toque

Agora que a situação de montagem para a PCB da webcam e o sensor de luz ambiente está resolvida, as tarefas restantes incluem conectar a placa da webcam aos pads de detecção de toque e encontrar uma solução para a iluminação de fundo desses touchpads.

Como mostrado no artigo anterior, o FPC contendo os pads de detecção de toque será colado na parte inferior do vidro de cobertura. No próprio FPC, há um pad de contato com as dimensões de 1,7mm x 3,6mm para cada pad de detecção de toque. Temos um espaço de 2,9mm para conectar esses pads.

O vidro do display deve ser fácil de remover, então não podemos usar uma conexão permanente entre o FPC do touchpad e a placa da webcam. Poderíamos usar um conector FPC, mas isso tornaria a troca do vidro do display bastante difícil.

Em vez disso, podemos utilizar dedos de contato SMD com mola. A TE Connectivity oferece uma gama diversificada desses dedos de contato a um preço razoável, especialmente para quantidades maiores.

O modelo usado na placa PCB da webcam tem o número de peça 3-2199250-3.

Dedos de contato usados no módulo da webcam

Nossa preferência é empregar banho de ouro duro para as áreas de contato no FPC. No entanto, considerando o movimento limitado e os ciclos térmicos esperados nesta parte do sistema, há a possibilidade de usar o banho ENIG padrão em vez disso. No entanto, testes minuciosos são imperativos para garantir que essa escolha não introduza problemas de confiabilidade a longo prazo.

Difusores de luz de fundo LED

Ao lado dos dedos de contato estão os LEDs RGB usados para a iluminação de fundo dos ícones sensíveis ao toque. Para fornecer uma iluminação homogênea dos ícones, precisamos de difusores de luz que se situarão em cima dos LEDs de 1mm x 1mm.

Peças impressas em 3D SLA são a opção favorável para esta aplicação. Dado o pequeno tamanho dos difusores, é viável imprimir 600 peças por lote. O tempo total de manuseio — incluindo pós-processamento — é de apenas 2 minutos, com um tempo de impressão de 10 minutos. Isso torna a impressão 3D dessas partes uma escolha atraente também para produções em baixo volume.

A escolha da resina será muito importante para as propriedades ópticas dos difusores e a estabilidade de longo prazo do material. A escolha da resina ainda não foi finalizada e exigirá vários testes adicionais.

Pequenos difusores impressos em 3D

As peças impressas em 3D serão encaixadas por pressão na placa da webcam. Uma opção alternativa poderia envolver o uso de uma pequena quantidade de cola, necessitando de uma etapa adicional de processamento no processo de montagem. Embora a colagem possa aumentar ligeiramente o tempo de manuseio, poderia ser uma escolha mais confiável, especialmente considerando que o material de resina é relativamente frágil e pode não ser ideal para aplicações de encaixe por pressão.

Serão necessários mais testes para determinar a abordagem mais apropriada neste caso.

Difusores impressos em 3D montados na placa da webcam

Um teste de instalação da placa completa da webcam no suporte da tampa atualizado (os detalhes serão fornecidos nas próximas atualizações) indica que todos os componentes se encaixam perfeitamente sem colisões ou necessidade de retrabalho.

Tampa do display montada incluindo a placa da webcam

Na próxima atualização, examinaremos o esquemático e o design da PCB do módulo da webcam. Com apenas mais alguns detalhes para resolver no design elétrico da tampa, estamos nos aproximando da conclusão do primeiro subsistema do design do laptop! Fique ligado quando abordarmos o design da caixa do laptop, trackpad, layout do teclado e muito mais!