Фаза проектирования – Механика крышки, часть 2

Добро пожаловать во вторую часть дизайна сборки крышки ноутбука с открытым исходным кодом! В последней статье мы более подробно рассмотрели базовую концепцию дизайна крышки ноутбука и как мы можем интегрировать различные датчики в экран дисплея.

Мы продолжим двигаться по этому же пути, исследуя два способа интеграции печатной платы датчиков над панелью дисплея. Это будет иметь прямое влияние на оставшуюся механическую конструкцию крышки, поэтому давайте посмотрим, как мы можем подойти к этой задаче.

Печатная плата веб-камеры с гибким кабелем для подключения к материнской плате

Во-первых, возможно, вы помните, что нам нужно интегрировать несколько датчиков; включая два микрофона MEMS, датчик окружающего света, датчик камеры и семь сенсорных панелей на емкостной основе. Кроме того, мы должны обеспечить равномерную подсветку для сенсорных панелей с одним светодиодом на клавишу. У каждого датчика есть уникальные требования к высоте, но все они должны быть ориентированы на нижнюю сторону стеклянной крышки. Чтобы установить все эти датчики на одной печатной плате, нам нужно спроектировать плату с несколькими зонами высоты.

Хотя требования к высоте для различных датчиков четко задокументированы в техническом описании, подсветка емкостных сенсорных клавиш немного сложнее. Давайте сначала рассмотрим емкостные сенсорные клавиши, прежде чем сосредоточиться на форме и интеграции платы веб-камеры.

Емкостные сенсорные клавиши

Емкостные сенсорные клавиши должны позволять пользователю активировать или деактивировать определенные функции, критичные для конфиденциальности, такие как микрофоны, веб-камера или соединение WiFi. Активация или деактивация этих функций обычно управляется операционной системой. Мы хотим иметь возможность отключать этот программный слой на аппаратном уровне — то есть мы можем прервать питание этих функциональных блоков без вмешательства ОС — из-за отсутствия прозрачности программного слоя.

Обычно для закрытия камеры или микрофона используются простые аппаратные переключатели или ползунки. Однако, в нашем дизайне ноутбука с полностью стеклянной передней частью, это не вариант. Вместо этого мы разместим подсвечиваемые иконки над экраном, которые можно активировать или деактивировать с помощью емкостного сенсорного восприятия.

Для достижения этого результата нам нужен надежный способ обнаружения касаний через стекло толщиной 1 мм или более. Используемый для обнаружения касаний ASIC должен обладать повышенной чувствительностью по мере увеличения расстояния между электродом датчика и точкой касания. В сценарии с значительным расстоянием между сенсорной площадкой и точкой касания не только требуется очень высокая чувствительность, но и отношение сигнал/шум всей системы также должно быть достаточным. Хотя возможно обнаружение касаний на больших расстояниях, легче вызвать ложные срабатывания. По мере увеличения расстояния обнаружения наш полезный сигнал приближается к уровню шума сенсорного ASIC.

Для использования недорогого сенсорного ASIC с умеренной чувствительностью и отношением сигнал/шум нам нужно разместить сенсорный электрод как можно ближе к точке касания.

В нашем случае это означает установку электрода прямо на внутренней стороне стекла. Все, что нам нужно сделать, это прикрепить тонкую печатную плату к внутренней стороне стекла. Однако это вводит новую проблему: как нам осветить иконки, если медный электрод находится на пути?

В качестве решения мы хотим разместить медь вдоль контура иконок, оставляя вырез на плате, который всего на 0.3 мм больше, чем напечатанная на стекле иконка касания.

Хорошая новость заключается в том, что процесс изготовления гибких печатных плат (FPC) работает нам на руку. В отличие от жестких печатных плат, которые обрабатываются фрезеровальным инструментом диаметром не менее 1 мм, FPC вырезаются лазером. Это позволяет создавать более сложные элементы без минимального радиуса угла. Кроме того, лазерный путь обычно обеспечивает более точное позиционирование медного рисунка по сравнению с традиционным фрезерованием.

Иконки, напечатанные на стекле

Плата обнаружения касаний с вырезами для иконок

Вы заметите, что вырезы иконок касания идеально совпадают с рисунком на стекле. Радиус угла внутри иконок в некоторых местах составляет всего 0.2 мм, что не является проблемой для лазерного реза.

Гибкая печатная плата, приклеенная к стеклу крышки

Еще одно преимущество использования гибкой печатной платы (FPC) заключается в том, что ее можно заказать с уже нанесенным двусторонним скотчем 3M, что означает, что нам больше не нужно вырезать скотч по размеру и наклеивать его на плату перед сборкой.

Мы можем использовать функцию импорта DXF в Altium Designer для импорта контуров иконок, определенных в инструменте CAD. Это позволяет нам сэкономить время, которое ранее тратилось на определение областей вырезов для подсветки.

Расположение печатной платы сенсорных кнопок

На скриншоте выше показаны сенсорные площадки вокруг соответствующих иконок. Земляной полигон выполнен сеткой, чтобы минимизировать емкость сенсорной кнопки по отношению к земле в областях, где площадки перекрываются с земляным слоем.

Расположение гибкой печатной платы сенсорной панели можно найти здесь:

Метод интеграции печатной платы №1

Теперь, когда мы знаем, как будут интегрированы сенсорные панели, мы можем более внимательно рассмотреть, как мы хотим интегрировать всю печатную плату веб-камеры.

В предыдущем обновлении мы кратко рассмотрели подход с использованием гибкой печатной платы (FPC). Четырехслойная печатная плата с различной толщиной уплотнителей использовалась для приближения платы к нижней части стекла крышки там, где это было необходимо.

В Altium Designer были определены три области стека слоев:

Гибкий стек слоев печатной платы

Крайние левая и правая области оснащены уплотнителем из FR4 толщиной 1.2 мм. Это уменьшает расстояние между микрофонами и датчиком окружающего света до стекла крышки до всего 1.1 мм.

Однако на средней секции мы использовали уплотнитель из нержавеющей стали толщиной 0.2 мм. На этой плоской секции будут установлены датчик камеры и разъем соединения платы FPC с другой платой.

Определив подходящие типы и места расположения уплотнителей в Altium Designer, мы можем экспортировать плату в её сложенном состоянии для монтажа:

Монтаж этой гибкой печатной платы сопряжен с рядом сложностей. Средняя секция не имеет собственного отверстия для монтажа. Это связано с тем, что под центральной секцией недостаточно толщины материала для использования монтажного винта. Однако эту секцию также необходимо зафиксировать на месте, поэтому нам нужно найти другой способ достижения этого.

План монтажа этой секции заключался в использовании тонкой детали из нержавеющей стали, согнутой в нужную форму с помощью инструмента для гибки металла, напечатанного на 3D-принтере SLM.

CAD-модель крепежной пружины

3D-визуализация инструмента для гибки

Как вы, вероятно, уже поняли, этот подход к интеграции быстро становится довольно сложным. Существует несколько проблем и факторов, влияющих на стоимость этого метода:

• Этот подход позволяет использовать только 4-слойную гибкую печатную плату, чтобы радиусы изгиба были маленькими. Это делает разметку сложной и трудно адаптируемой, если потребуются дальнейшие изменения;

• Для сборки гибкой печатной платы требуется специализированное производственное оборудование из-за различной толщины уплотнителей;

• Для изгиба крепежных пружин гибкой печатной платы требуется специализированное оборудование.

Сборка гибких печатных плат может быть проблемой для некоторых поставщиков PCBA. Оборудование большинства производств по сборке печатных плат предназначено для плоских жестких печатных плат. Работа с гибкой печатной платой различной толщины требует дополнительных приспособлений в производственном процессе.

Гибкие печатные платы могут даже усложнить ручную сборку печатных плат. Это хорошая возможность узнать, с какими проблемами придется столкнуться в производственной среде. Хотя эта гибкая печатная плата и не была использована в окончательном дизайне ноутбука, давайте быстро рассмотрим две производственные проблемы, с которыми пришлось бы столкнуться поставщику PCBA:

#1 Печать паяльной пасты

Для печати пасты требуется, чтобы трафарет для паяльной пасты лежал плоско на поверхности печатной платы. Шпатель, который распределяет паяльную пасту по трафарету, прикладывает силу к трафарету и плате под ним. Печатная плата должна быть способна выдержать эту силу и не гнуться во время процесса печати. Для гибких печатных плат с различной толщиной уплотнителей требуется инструмент для поддержки платы. Для ручного процесса печати пасты можно использовать 3D-печатное приспособление.

Приспособление, напечатанное на 3D-принтере, необходимое для нанесения паяльной пасты

#2 Сборка

Как и в процессе нанесения паяльной пасты, машина для установки компонентов также требует надежного закрепления печатной платы внутри машины. Обычно для этого используются направляющие полосы на краю панели.

Хотя панель для гибкой печатной платы также имеет эти направляющие полосы, они не способны удерживать плату на месте во время сборки. Для сборки этой гибкой платы требуется дополнительная монтажная пластина.

Такие приспособления не всегда необходимы и во многом зависят от используемых машин поставщиком PCBA и от геометрии/расположения панели. Если жесткие секции могут быть соединены вместе, возможно, такую плату можно собрать без дополнительного крепежного оборудования. Однако в нашем случае это невозможно.

Панелизированные гибкие печатные платы

Упомянутые выше вызовы, а также сложность, добавленная в дизайн использованием гибкой печатной платы для модуля веб-камеры, являются причиной, по которой этот подход не был использован для окончательной системы.

Мы узнаем, какой подход был выбран вместо этого и с какими проблемами это было связано, в следующем обновлении! Надеюсь, вы продолжите следить за следующим выпуском проекта открытого ноутбука.