Фаза проектирования – Механика крышки, часть 3

Добро пожаловать в третью часть проектирования крышки ноутбука с открытым исходным кодом! В последней статье мы рассмотрели один из возможных способов интеграции модуля веб-камеры и всех подключенных датчиков в рамку крышки ноутбука.

Мы выявили несколько проблем с подходом, представленным в предыдущей статье. Дополнительная сложность сборки и производства, связанная с использованием гибкой печатной платы, привела нас к другому варианту, использующему только жесткую плату. Теперь давайте посмотрим, как работает это решение.

Печатная плата веб-камеры, установленная внутри рамки экрана

Дочерняя плата датчика окружающего света

Одна из проблем, которую мы уже выявили, заключается в необходимости уменьшить расстояние между верхней стороной датчика окружающего света и отверстием в стекле дисплея. Максимальное расстояние между датчиком света и защитным стеклом определяется диаметром отверстия окна обзора в стекле дисплея. Мы рассмотрели это соотношение в части 1 серии обновлений дизайна крышки ноутбука.

Поскольку нам необходимо сделать отверстие в шелкографии на стекле дисплея как можно меньше, чтобы оно было невидимым, его диаметр должен быть ограничен 1 мм. Это означает, что максимальное расстояние от верхней части датчика до стекла дисплея должно быть равно 1,2 мм. Поскольку мы используем жесткую печатную плату веб-камеры, плата располагается на четыре миллиметра ниже защитного стекла. Высота датчика света составляет всего 0,8 мм, что означает, что нам необходимо каким-то образом преодолеть промежуток примерно в 2 мм.

2 мм является стандартной толщиной для печатных плат. Мы можем установить датчик окружающего света вместе с его развязывающим конденсатором и двумя подтягивающими резисторами для шины I2C на небольшой печатной плате. Затем мы можем припаять весь модуль к плате веб-камеры.

Если мы решим заменить датчик света в будущих ревизиях, мы сможем модифицировать небольшой модуль, не перерабатывая плату веб-камеры.

Дизайн модуля датчика представляет собой простую двухслойную плату с датчиком света и пассивными компонентами на верхней стороне и контактными площадками LGA на нижней стороне. Здесь у вас есть схема и компоновка печатной платы этого модуля:

Датчик размещается в центре модуля, чтобы служить точкой захвата для машины установки компонентов. Выровняйте сопло машины с центром массы детали, чтобы обеспечить надежный захват и установку, даже при высоких скоростях ускорения на машине PnP.

Площадь установки модуля веб-камеры выходит за пределы контура модуля датчика окружающего света. Это позволяет машине автоматического оптического контроля в конце сборочной линии проверять правильность выравнивания и обеспечивать достаточное количество припоя на каждой контактной площадке модуля.

Площадь установки, используемая на модуле веб-камеры, выходит за пределы контура модуля датчика света

Модуль датчика окружающего света припаян к плате веб-камеры

Точка крепления дочерней платы

Мы можем принять аналогичный подход с дочерней платой для точек крепления. Однако возникает проблема при креплении тонких печатных плат к тонкому металлическому элементу в нашем дизайне. Достижение минимальной необходимой длины резьбы для соответствующего диаметра винта становится проблемой.

Помимо минимальной длины резьбы, мы должны помнить, что резьбы могут быть нарезаны только до определенной глубины в слепых отверстиях. Метчик не может нарезать резьбу до самого дна отверстия, поэтому к минимальной длине резьбы должен быть добавлен фиксированный отступ.

Учитывая все эти факторы, нам нужно предусмотреть достаточно глубокую резьбу для монтажных отверстий. Толщина крышки фиксирована на уровне 1 мм, что означает, что нам нужно предусмотреть какие-то стойки для точек крепления.

Мы можем решить эту проблему, локально увеличив толщину модуля веб-камеры за счет добавления небольших дочерних плат. Эти платы также имеют толщину 2 мм и оснащены медными контактными площадками как сверху, так и снизу. Используя тот же стек, что и для платы датчика окружающего света, мы можем производить эти дочерние платы на том же производственном панеле.

Теперь, когда локальная толщина платы составляет 2,8 мм, мы можем использовать стандартное монтажное отверстие в крышке дисплея:

Подход к монтажу модуля веб-камеры

Контактные точки сенсорных клавиш

Теперь, когда вопрос крепления платы веб-камеры и датчика окружающего света решен, остается соединить плату веб-камеры с сенсорными площадками и найти решение для подсветки этих сенсорных клавиш.

Как было показано в предыдущей статье, гибкая печатная плата (FPC), содержащая сенсорные площадки, будет приклеена к нижней стороне стекла крышки. На самой FPC есть одна контактная площадка размером 1.7 мм x 3.6 мм для каждой сенсорной площадки. У нас есть зазор в 2.9 мм для подключения к этим площадкам.

Стекло дисплея должно быть легко съемным, поэтому мы не можем использовать постоянное соединение между FPC тачпада и платой веб-камеры. Мы могли бы использовать коннектор FPC, но это сделало бы замену стекла дисплея довольно сложной.

Вместо этого мы можем использовать пружинные SMD контактные пальцы. TE Connectivity предлагает широкий ассортимент этих контактных пальцев по разумной цене, особенно при больших объемах.

Модель, используемая на плате веб-камеры, имеет номер детали 3-2199250-3.

Контактные пальцы, используемые на модуле веб-камеры

Мы предпочитаем использовать твердое золотое покрытие для контактных зон на FPC. Однако, учитывая ограниченное движение и термические циклы, ожидаемые в этой части системы, есть возможность использовать стандартное покрытие ENIG. Тем не менее, тщательное тестирование обязательно, чтобы убедиться, что этот выбор не введет никаких проблем с долговременной надежностью.

Диффузоры светодиодной подсветки

Рядом с контактными площадками находятся RGB светодиоды, используемые для подсветки сенсорных иконок. Для обеспечения равномерного освещения иконок нам нужны светорассеиватели, которые будут установлены поверх светодиодов размером 1мм x 1мм.

Для этого применения предпочтительным вариантом являются детали, напечатанные на 3D-принтере SLA. Учитывая малый размер рассеивателей, возможно печатать 600 штук за партию. Общее время обработки, включая постобработку, составляет всего 2 минуты, при времени печати 10 минут. Это делает 3D печать этих деталей привлекательным выбором также для производства малыми партиями.

Выбор смолы будет очень важен для оптических свойств рассеивателей и долгосрочной стабильности материала. Выбор смолы еще не был окончательно определен и потребует нескольких дополнительных тестов.

Маленькие 3D-печатные рассеиватели

3D-печатные детали будут устанавливаться на плату веб-камеры методом запрессовки. В качестве альтернативного варианта можно использовать небольшое количество клея, что потребует дополнительного этапа обработки в процессе сборки. Хотя использование клея может немного увеличить время обработки, это может быть более надежным выбором, особенно учитывая, что материал смолы относительно хрупкий и может быть не идеален для применений с запрессовкой.

Для определения наиболее подходящего подхода в данном случае требуется дополнительное тестирование.

3D-печатные диффузоры, установленные на плате веб-камеры

Тестирование установки полной платы веб-камеры в обновленный лоток крышки (подробности будут предоставлены в следующих обновлениях) показывает, что все компоненты идеально подходят без каких-либо столкновений или необходимости в доработке.

Собранная крышка дисплея включая плату веб-камеры

В следующем обновлении мы рассмотрим схематическое и печатное платное проектирование модуля веб-камеры. С учетом лишь нескольких деталей, которые осталось уладить для электрического дизайна крышки, мы приближаемся к завершению первого подсистемы дизайна ноутбука! Присоединяйтесь к нам, когда мы будем заниматься дизайном корпуса ноутбука, тачпадом, раскладкой клавиатуры и многим другим!