Fase de Design – Mecânica da Montagem da Tampa Parte 2

Bem-vindo à segunda parte do projeto de montagem da tampa do laptop de código aberto! Na última parcela, examinamos mais de perto o conceito básico de design da tampa do laptop e como podemos integrar vários sensores na tela de exibição.

Seguiremos por este mesmo caminho, explorando duas maneiras de integrar a PCB do sensor acima do painel de exibição. Isso terá um impacto direto no restante do design mecânico da tampa, então vamos ver como podemos abordar esse desafio.

PCB da webcam com FPC para conectar à placa-mãe

Primeiro, você deve se lembrar de que precisamos integrar vários sensores; incluindo dois microfones MEMS, um sensor de luz ambiente, um sensor de câmera e sete pads de toque capacitivos. Além disso, devemos garantir uma iluminação de fundo uniforme para os pads de toque com um LED por tecla. Cada sensor tem um requisito de altura único, mas todos precisam ser referenciados à parte inferior do vidro de cobertura. Para montar todos esses sensores em uma única PCB, precisamos projetar uma placa com várias zonas de altura.

Enquanto os requisitos de altura para os diferentes sensores estão claramente documentados na ficha técnica, as teclas capacitivas retroiluminadas são um pouco mais complicadas. Vamos abordar os sensores de toque capacitivos antes de focar na forma e integração da placa da webcam.

Teclas de toque capacitivo

As teclas de toque capacitivo devem permitir que o usuário ative ou desative certas funções críticas para a privacidade, como os microfones, a webcam ou a conexão WiFi. Ativar ou desativar essas funções é geralmente gerenciado pelo sistema operacional. Queremos a capacidade de desabilitar essa camada de software no hardware — o que significa que podemos interromper a energia para esses blocos funcionais sem intervenção do SO — devido à falta de transparência da camada de software.

Tipicamente, interruptores ou controles deslizantes simples são usados para cobrir a câmera ou o microfone. No entanto, em nosso design de laptop com frente toda de vidro, isso não é uma opção. Em vez disso, colocaremos ícones retroiluminados acima da tela que podem ser ativados ou desativados por meio de detecção de toque capacitivo.

Para alcançar esse resultado, precisamos de uma maneira confiável de detectar toque através de uma espessura de vidro de cobertura de 1mm ou mais. O ASIC usado para detecção de toque deve ter maior sensibilidade à medida que a distância entre o eletrodo sensor e a entrada de toque aumenta. Em um cenário com uma distância substancial entre o pad de detecção e a entrada de toque, não apenas a sensibilidade precisa ser muito alta, mas a relação sinal-ruído de todo o conjunto também deve ser suficiente. Embora seja possível detectar a entrada de toque em grandes distâncias, torna-se mais fácil acionar ações de toque falsas. À medida que a distância de detecção aumenta, nosso sinal útil real se aproxima do piso de ruído do ASIC de detecção.

Para usar um ASIC de detecção de baixo custo com uma sensibilidade e relação sinal-ruído moderadas, precisamos colocar o eletrodo sensor o mais próximo possível da entrada de toque.

No nosso caso, isso significa colocar o eletrodo bem na parte de trás do vidro de cobertura. Tudo o que precisamos fazer é anexar uma PCB fina na parte de trás do vidro. No entanto, isso introduz um novo desafio: como iluminamos os ícones com um eletrodo de cobre no caminho?

Como solução alternativa, queremos colocar cobre ao longo do contorno dos ícones, deixando um recorte na placa que é apenas 0,3mm maior do que o ícone de toque impresso no vidro de cobertura.

A boa notícia é que o processo de fabricação de FPCs trabalha a nosso favor. Ao contrário das PCBs rígidas, que usam uma ferramenta de fresagem de pelo menos 1mm de diâmetro, as FCPs são cortadas a laser. Isso permite recursos mais intricados sem um raio mínimo de canto. Além disso, o caminho do laser geralmente fornece uma tolerância de posicionamento mais apertada para a arte em cobre em comparação com a fresagem tradicional.

Ícones impressos no vidro de cobertura

A placa de detecção de toque com recortes para os Ícones

Você notará que os recortes dos ícones de toque se alinham perfeitamente com a impressão no vidro de cobertura. O raio de canto dentro dos ícones é de apenas 0,2mm em alguns lugares, o que não é desafio para o processo de corte a laser.

FPC colado no vidro de cobertura

Outra vantagem de usar um FPC é que eles podem ser encomendados com fita adesiva dupla face da 3M pré-aplicada, o que significa que não precisamos mais cortar fita adesiva no tamanho certo e aplicá-la na placa antes da montagem.

Podemos usar a função de importação DXF dentro do Altium Designer para importar os contornos dos ícones que foram definidos na ferramenta CAD. Isso nos poupa tempo gasto definindo as regiões de corte para a iluminação de fundo.

Layout da PCB de tecla de toque

A captura de tela do layout acima mostra os pads de toque ao redor dos ícones associados. O polígono de terra é tracejado para minimizar a capacitância da tecla de toque em relação ao terra nas regiões onde os pads se sobrepõem ao preenchimento de terra.

O layout do FPC do touchpad pode ser encontrado aqui:

Método de Integração de PCB #1

Agora que sabemos como os pads de detecção de toque serão integrados ao sistema, podemos dar uma olhada mais de perto em como queremos integrar toda a PCB da webcam.

Na atualização anterior, demos uma breve olhada na abordagem FPC. Uma placa de circuito impresso de quatro camadas com diferentes espessuras de reforço foi usada para aproximar a placa da parte inferior do vidro de cobertura onde necessário.

Três regiões de empilhamento de camadas foram definidas no Altium Designer:

Layerstack Flex PCB

As regiões mais à esquerda e mais à direita estão equipadas com um reforço de FR4 de 1,2 mm de espessura. Isso reduz a distância entre os microfones e o sensor de luz ambiente até o vidro de cobertura para apenas 1,1 mm.

Na seção do meio, no entanto, usamos um reforço de aço inoxidável de 0,2 mm. O sensor da câmera e o conector de placa para placa FPC serão montados nesta seção plana.

Definindo os tipos e locais de reforço corretos no Altium Designer, podemos exportar a placa em seu estado de montagem dobrado:

Montar esta PCB flexível vem com outro conjunto de desafios. A seção do meio não possui seu próprio furo de montagem. Isso ocorre porque não há espessura de material suficiente sob a seção central para usar um parafuso de montagem. No entanto, esta seção também precisa ser mantida no lugar, então precisamos encontrar outra maneira de conseguir isso.

O plano para montar esta seção era usar uma peça fina de aço inoxidável, dobrada na forma desejada usando uma ferramenta de dobra de metal impressa em 3D SLM.

Modelo CAD da mola de montagem

Renderização 3D da ferramenta de dobra

Como você provavelmente já percebeu, essa abordagem de integração rapidamente se torna bastante complexa. Existem vários problemas e fatores de custo associados a este método:

• Esta abordagem só permite um PCB flexível de 4 camadas para manter os raios de dobra pequenos. Isso torna o layout desafiador e difícil de adaptar se forem necessárias mais alterações;

• Ferramentas de fabricação especializadas para a montagem do PCB flexível são necessárias devido às diferentes espessuras dos reforços;

• Ferramentas especializadas são necessárias para dobrar as molas de montagem para o PCB flexível.

Montar placas de circuito flexíveis pode ser um desafio para alguns fornecedores de PCBA. O equipamento de fabricação da maioria das casas de montagem de PCB é voltado para PCBs rígidos planos. Lidar com um PCB que é flexível e tem diferentes espessuras requer fixações adicionais no processo de fabricação.

PCBs flexíveis podem até tornar a montagem manual de placas de circuito difícil. Esta é uma boa oportunidade para aprender quais desafios teriam que ser enfrentados em um ambiente de produção. Mesmo que este PCB flexível não tenha sido incluído no design final do laptop, vamos dar uma rápida olhada em dois desafios de fabricação que o fornecedor de PCBA teria que lidar:

#1 Impressão de pasta de solda

A impressão de pasta requer que o estêncil de pasta de solda fique plano na superfície do PCB. A espátula que distribui a pasta de solda no estêncil aplica uma força ao estêncil e à placa embaixo. O PCB precisa ser capaz de suportar essa força e não deve dobrar durante o processo de impressão. Para PCBs flexíveis com diferentes espessuras de reforço, é necessário uma ferramenta para suportar a placa. Para o processo manual de impressão de pasta, pode ser usado um suporte impresso em 3D.

Dispositivo impresso em 3D necessário para impressão de pasta

#2 Montagem

Assim como no processo de impressão de pasta de solda, a máquina de pick-and-place também depende que o PCB esteja fixado de forma segura na máquina. Geralmente, tiras de ferramentas na borda de um painel são usadas para isso.

Embora o painel para o PCB flexível também forneça essas tiras de ferramentas, elas não são capazes de manter a placa no lugar durante a montagem. Uma placa de montagem adicional é necessária para montar este PCB flexível.

Esses dispositivos não são sempre necessários e dependem em grande parte das máquinas usadas pelo fornecedor de PCBA e da geometria/layout do painel. Se as seções de reforço puderem ser conectadas entre si, pode ser possível montar tal placa sem hardware de suporte adicional. No nosso caso, no entanto, isso não é possível.

PCBs flexíveis panelizados

Os desafios mencionados, bem como a complexidade adicionada ao design pelo uso de um PCB flexível para o módulo da webcam, são a razão pela qual essa abordagem não foi usada para o sistema final.

Descobriremos qual abordagem foi escolhida em vez disso e quais problemas surgiram com ela na próxima atualização! Espero que você continue acompanhando a próxima parte do projeto do laptop de código aberto.