Giai đoạn Thiết kế – Cơ khí Lắp ráp Nắp Phần 3

Chào mừng bạn đến với phần thứ ba của thiết kế lắp ráp nắp máy tính xách tay mã nguồn mở! Trong phần trước, chúng tôi đã xem xét một cách có thể để tích hợp mô-đun webcam và tất cả các cảm biến liên kết vào viền của nắp máy tính xách tay.

Chúng tôi đã xác định một số thách thức với cách tiếp cận được trình bày trong bài viết trước. Độ phức tạp lắp ráp và sản xuất bổ sung liên quan đến việc sử dụng một PCB linh hoạt đã dẫn chúng tôi đến một lựa chọn khác chỉ sử dụng một bảng mạch cứng. Bây giờ, hãy xem cách thực hiện này hoạt động như thế nào.

PCB webcam được gắn bên trong viền màn hình

Bảng con cảm biến ánh sáng môi trường

Một thách thức mà chúng tôi đã xác định là cần giảm khoảng cách giữa mặt trên của cảm biến ánh sáng và lỗ mở trên kính hiển thị. Khoảng cách tối đa giữa cảm biến ánh sáng và kính che được cho bởi đường kính lỗ mở của cửa sổ xem trên kính hiển thị. Chúng tôi đã xem xét mối quan hệ này trong phần 1 của loạt bài cập nhật thiết kế lắp ráp nắp.

Vì chúng ta cần giữ cho lỗ mở trên lớp phủ bên ngoài của màn hình kính càng nhỏ càng tốt để đảm bảo nó không nhìn thấy được, nên nó phải được giới hạn ở đường kính 1 mm. Điều này có nghĩa là khoảng cách tối đa từ đỉnh của cảm biến đến màn hình kính phải bằng 1.2mm. Vì chúng ta đang sử dụng một PCB webcam cứng, bảng mạch nằm cách mặt kính bảo vệ bốn milimet. Cảm biến ánh sáng chỉ cao 0.8mm, nghĩa là chúng ta phải cầu nối một khoảng trống khoảng 2mm.

2mm là độ dày tiêu chuẩn cho PCB. Chúng ta có thể lắp cảm biến ánh sáng với tụ điện giải nhiễu và hai điện trở kéo lên cho bus I2C trên một PCB nhỏ. Sau đó, chúng ta có thể hàn toàn bộ mô-đun này vào bảng mạch webcam.

Nếu chúng ta quyết định thay đổi cảm biến ánh sáng trong các phiên bản tương lai, chúng ta có thể chỉnh sửa mô-đun nhỏ mà không cần phải thiết kế lại bảng mạch webcam.

Thiết kế cho mô-đun cảm biến là một bảng mạch hai lớp đơn giản với cảm biến ánh sáng và các linh kiện bị động ở mặt trên và các pad tiếp xúc LGA ở mặt dưới. Tại đây, bạn có một sơ đồ và Bố trí PCB của mô-đun này:

Cảm biến được đặt ở trung tâm của mô-đun để phục vụ như một điểm bắt cho máy chọn và đặt. Căn chỉnh đầu phun của máy với trọng tâm của bộ phận để đảm bảo việc chọn và đặt đáng tin cậy, ngay cả ở tốc độ gia tốc cao trên máy PnP.

Phần chân của mô-đun webcam mở rộng ra ngoài đường viền của mô-đun cảm biến ánh sáng môi trường. Điều này cho phép máy kiểm tra quang tự động ở cuối dây chuyền lắp ráp kiểm tra sự căn chỉnh chính xác và đảm bảo lượng hàn đủ trên mỗi pad của mô-đun.

Phần chân được sử dụng trên mô-đun webcam mở rộng ra ngoài đường viền của mô-đun cảm biến ánh sáng

Mô-đun cảm biến ánh sáng môi trường được hàn vào bảng mạch webcam

Điểm lắp bảng con

Chúng ta có thể áp dụng cách tiếp cận bảng con tương tự cho các điểm lắp. Tuy nhiên, một thách thức xuất hiện khi cố định các PCB mỏng với một mảnh kim loại mỏng trong thiết kế của chúng ta. Việc đạt được chiều dài ren tối thiểu yêu cầu cho đường kính vít tương ứng trở thành một mối quan tâm.

Ngoài chiều dài ren tối thiểu, chúng ta phải nhớ rằng ren chỉ có thể được cắt đến một độ sâu nhất định vào các lỗ mù. Vòi taro không thể cắt ren tất cả các cách đến đáy của lỗ, vì vậy một độ lệch cố định phải được thêm vào chiều dài ren tối thiểu.

Xét đến tất cả các yếu tố này, chúng ta cần phải cung cấp một lỗ ren khá sâu cho các lỗ gắn. Độ dày của nắp cố định là 1mm, nghĩa là chúng ta phải cung cấp một loại đế nâng nào đó cho các điểm gắn kết.

Chúng ta có thể giải quyết vấn đề bằng cách tăng cục bộ độ dày của mô-đun webcam thông qua việc thêm các bo mạch con nhỏ. Những bo mạch này—cũng với độ dày 2mm—có các pad đồng ở cả hai mặt trên và dưới. Bằng cách sử dụng cùng một cấu trúc chồng như bo mạch cảm biến ánh sáng môi trường, chúng ta có thể sản xuất những bo mạch con này trên cùng một tấm panel sản xuất.

Với độ dày bo mạch cục bộ là 2.8mm, bây giờ chúng ta có thể sử dụng một lỗ gắn tiêu chuẩn trên nắp hiển thị:

Cách gắn mô-đun webcam

Điểm tiếp xúc phím cảm ứng

Giờ đây, khi tình hình gắn kết cho PCB webcam và cảm biến ánh sáng môi trường đã được giải quyết, các nhiệm vụ còn lại bao gồm kết nối bo mạch webcam với các pad cảm ứng chạm và tìm giải pháp cho việc chiếu sáng phía sau những pad cảm ứng này.

Như đã được trình bày trong bài viết trước, FPC chứa các pad cảm ứng sẽ được dán vào mặt dưới của kính che. Trên chính FPC có một pad tiếp xúc với kích thước là 1.7mm x 3.6mm cho mỗi pad cảm ứng. Chúng ta có một khoảng trống 2.9mm để kết nối với những pad này.

Kính hiển thị cần dễ dàng tháo rời nên chúng ta không thể sử dụng kết nối vĩnh viễn giữa FPC cảm ứng và bảng mạch webcam. Chúng ta có thể sử dụng một kết nối FPC, nhưng điều đó sẽ làm cho việc thay đổi kính hiển thị trở nên khá khó khăn.

Thay vào đó, chúng ta có thể sử dụng các ngón tay tiếp xúc SMD có lò xo. TE Connectivity cung cấp một loạt các ngón tay tiếp xúc đa dạng với giá cả hợp lý, đặc biệt là cho số lượng lớn.

Mẫu được sử dụng trên bảng mạch webcam có số phần 3-2199250-3.

Ngón tay tiếp xúc được sử dụng trên mô-đun webcam

Ưu tiên của chúng tôi là sử dụng mạ vàng cứng cho các khu vực tiếp xúc trên FPC. Tuy nhiên, xét đến sự di chuyển hạn chế và chu kỳ nhiệt độ dự kiến trong phần này của hệ thống, có khả năng sử dụng mạ ENIG tiêu chuẩn thay thế. Dù vậy, việc kiểm tra kỹ lưỡng là cực kỳ quan trọng để đảm bảo rằng lựa chọn này không gây ra bất kỳ vấn đề đáng tin cậy lâu dài nào.

Đèn nền LED phân tán

Ngay cạnh các ngón tiếp xúc là các LED RGB được sử dụng để chiếu sáng phía sau các biểu tượng cảm ứng. Để cung cấp ánh sáng đồng đều cho các biểu tượng, chúng ta cần có bộ khuếch tán ánh sáng đặt trên cùng với các LED kích thước 1mm x 1mm.

Các bộ phận in 3D SLA là lựa chọn ưu tiên cho ứng dụng này. Với kích thước nhỏ của các bộ khuếch tán, việc in 600 mảnh mỗi lô là khả thi. Tổng thời gian xử lý - bao gồm cả sau khi xử lý - chỉ mất 2 phút, với thời gian in là 10 phút. Điều này làm cho việc in 3D các bộ phận này trở nên hấp dẫn cho cả sản xuất số lượng thấp.

Việc chọn loại nhựa sẽ rất quan trọng đối với các tính chất quang học của các bộ khuếch tán và độ ổn định lâu dài của vật liệu. Sự lựa chọn nhựa chưa được hoàn thiện và sẽ cần thêm nhiều thử nghiệm nữa.

Các bộ khuếch tán in 3D nhỏ

Các bộ phận in 3D sẽ được lắp ghép chặt vào bảng mạch webcam. Một lựa chọn khác có thể bao gồm việc sử dụng một lượng nhỏ keo, đòi hỏi một bước xử lý bổ sung trong quy trình lắp ráp. Mặc dù việc dùng keo có thể làm tăng thời gian xử lý một chút, nhưng có thể là lựa chọn đáng tin cậy hơn, đặc biệt là xem xét rằng vật liệu nhựa tương đối giòn và có thể không phù hợp cho các ứng dụng lắp ghép chặt.

Cần thêm kiểm tra để xác định phương pháp phù hợp nhất trong trường hợp này.

Bộ phân tán in 3D được gắn trên bảng mạch webcam

Một bài kiểm tra lắp đặt bảng mạch webcam hoàn chỉnh trong khay nắp cập nhật (chi tiết sẽ được cung cấp trong các bản cập nhật tiếp theo) cho thấy tất cả các thành phần vừa khít mà không có bất kỳ sự va chạm hay cần phải chỉnh sửa lại.

Nắp hiển thị đã lắp ráp bao gồm bảng mạch webcam

Trong bản cập nhật tiếp theo, chúng tôi sẽ xem xét sơ đồ mạch và thiết kế PCB của mô-đun webcam. Chỉ còn một vài chi tiết nhỏ cần được sắp xếp cho thiết kế điện của nắp, chúng tôi đang tiến gần đến việc hoàn thành hệ thống phụ đầu tiên của thiết kế laptop! Hãy theo dõi khi chúng tôi tiếp tục với thiết kế vỏ laptop, trackpad, bố cục bàn phím, và nhiều hơn nữa!