Giai đoạn Thiết kế - Cơ khí Lắp ráp Nắp Phần 2

Chào mừng bạn đến với phần hai của thiết kế lắp ráp nắp laptop mã nguồn mở! Trong phần trước, chúng ta đã xem xét kỹ lưỡng về khái niệm thiết kế cơ bản của nắp laptop và cách chúng ta có thể tích hợp các cảm biến khác nhau vào màn hình hiển thị.

Chúng ta sẽ tiếp tục theo con đường này, khám phá hai cách để tích hợp PCB cảm biến phía trên bảng hiển thị. Điều này sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế cơ khí còn lại của nắp, vậy hãy xem chúng ta có thể tiếp cận thách thức này như thế nào.

PCB webcam với FPC để kết nối với bo mạch chủ

Đầu tiên, bạn có thể nhớ rằng chúng ta cần tích hợp nhiều cảm biến; bao gồm hai micro MEMS, một cảm biến ánh sáng môi trường, một cảm biến camera và bảy bàn phím cảm ứng điện dung. Ngoài ra, chúng ta phải đảm bảo chiếu sáng đều cho các bàn phím cảm ứng với một LED cho mỗi phím. Mỗi cảm biến có yêu cầu chiều cao độc đáo, nhưng tất cả chúng đều cần được tham chiếu từ phía dưới của kính che. Để lắp tất cả các cảm biến này trên một PCB duy nhất, chúng ta cần thiết kế một bảng mạch với nhiều khu vực chiều cao khác nhau.

Mặc dù yêu cầu về chiều cao cho các cảm biến khác nhau được ghi rõ trên bảng thông số kỹ thuật, nhưng các phím cảm ứng điện dung có đèn nền lại phức tạp hơn một chút. Hãy giải quyết các cảm biến cảm ứng điện dung trước khi tập trung vào hình dạng và tích hợp của bảng mạch webcam.

Phím cảm ứng điện dung

Các phím cảm ứng điện dung nên cho phép người dùng kích hoạt hoặc vô hiệu hóa các chức năng nhạy cảm với quyền riêng tư như micro, webcam hoặc kết nối WiFi. Việc kích hoạt hoặc vô hiệu hóa các chức năng này thường được xử lý bởi hệ điều hành. Chúng ta muốn có khả năng vô hiệu hóa lớp phần mềm này trong phần cứng—nghĩa là chúng ta có thể ngắt nguồn điện đến các khối chức năng này mà không cần can thiệp của hệ điều hành—do thiếu minh bạch của lớp phần mềm.

Thông thường, các công tắc hoặc trượt phần cứng đơn giản được sử dụng để che camera hoặc micro. Tuy nhiên, trong thiết kế laptop của chúng ta với mặt trước toàn kính, đây không phải là lựa chọn. Thay vào đó, chúng ta sẽ đặt biểu tượng có đèn nền phía trên màn hình có thể được kích hoạt hoặc vô hiệu hóa thông qua cảm biến cảm ứng điện dung.

Để đạt được kết quả này, chúng ta cần một cách đáng tin cậy để cảm nhận chạm qua độ dày của kính che mặt là 1mm hoặc hơn. ASIC được sử dụng cho việc phát hiện chạm phải có độ nhạy cao hơn khi khoảng cách giữa điện cực cảm biến và đầu vào chạm tăng lên. Trong một tình huống có khoảng cách đáng kể giữa pad cảm biến và đầu vào chạm, không chỉ độ nhạy cần phải rất cao, mà tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của toàn bộ hệ thống cũng phải đủ. Mặc dù có thể cảm nhận đầu vào chạm ở khoảng cách lớn, nhưng việc kích hoạt những hành động chạm giả mạo trở nên dễ dàng hơn. Khi khoảng cách cảm biến tăng lên, tín hiệu hữu ích thực tế của chúng ta di chuyển gần hơn với mức nhiễu của ASIC cảm biến.

Để sử dụng một ASIC cảm biến giá rẻ với độ nhạy và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu vừa phải, chúng ta cần đặt điện cực cảm biến càng gần đầu vào chạm càng tốt.

Trong trường hợp của chúng ta, điều này có nghĩa là đặt điện cực ngay phía sau của kính che mặt. Tất cả những gì chúng ta cần làm là gắn một PCB mỏng vào phía sau của kính. Tuy nhiên, điều này đưa ra một thách thức mới: làm thế nào chúng ta có thể chiếu sáng các biểu tượng với một điện cực bằng đồng chắn đường?

Là một giải pháp, chúng ta sẽ muốn đặt đồng dọc theo đường viền của các biểu tượng trong khi để lại một lỗ cắt trên bảng mạch chỉ lớn hơn 0.3mm so với biểu tượng chạm được in trên kính che mặt.

Tin tốt là quy trình sản xuất của FPCs phù hợp với lợi ích của chúng ta. Khác với PCB cứng, sử dụng dụng cụ phay có đường kính ít nhất 1mm, FCPs được cắt bằng laser. Điều này cho phép tạo ra các đặc điểm tinh vi hơn mà không cần bán kính góc tối thiểu. Hơn nữa, đường đi của laser thường cung cấp độ chính xác vị trí chặt chẽ hơn so với việc phay truyền thống đối với tác phẩm đồng.

Biểu tượng được in vào kính che mặt

Bảng cảm biến chạm với lỗ cắt cho các biểu tượng

Bạn sẽ nhận thấy các lỗ cắt của biểu tượng chạm khớp hoàn hảo với hình in trên kính che mặt. Bán kính góc trong các biểu tượng chỉ là 0.2mm ở một số nơi, điều này không phải là thách thức với quy trình cắt laser.

FPC dán vào kính che

Một lợi ích khác khi sử dụng FPC là chúng ta có thể đặt hàng với băng dính hai mặt 3M được áp dụng sẵn, nghĩa là chúng ta không cần phải cắt băng dính theo kích thước và áp dụng nó lên bảng mạch trước khi lắp ráp.

Chúng ta có thể sử dụng chức năng nhập DXF trong Altium Designer để nhập các đường viền của các biểu tượng được định nghĩa trong công cụ CAD. Điều này giúp chúng ta tiết kiệm thời gian khi định nghĩa các khu vực cắt cho đèn nền.

Bố cục của PCB phím cảm ứng

Ảnh chụp bố cục ở trên cho thấy các pad cảm ứng xung quanh các biểu tượng liên quan. Đa giác nối đất được vẽ sọc để giảm dung lượng của phím cảm ứng so với nối đất ở các khu vực mà pad chồng lên nối đất.

Bố cục của FPC pad cảm ứng có thể được tìm thấy ở đây:

Phương pháp Tích hợp PCB #1

Giờ đây, khi chúng ta đã biết cách tích hợp các bàn phím cảm ứng vào hệ thống, chúng ta có thể xem xét kỹ lưỡng hơn về cách chúng ta muốn tích hợp toàn bộ bảng mạch in (PCB) của webcam.

Trong bản cập nhật trước, chúng ta đã nhanh chóng xem xét về phương pháp FPC. Một bảng mạch in bốn lớp với các độ dày cứng khác nhau đã được sử dụng để đưa bảng mạch gần hơn với phần dưới của kính che khi cần thiết.

Ba khu vực xếp chồng lớp đã được định nghĩa trong Altium Designer:

Layerstack Flex PCB

Các khu vực cực trái và cực phải được trang bị một cứng FR4 dày 1.2 mm. Điều này giảm khoảng cách giữa các microphone và cảm biến ánh sáng môi trường với kính che xuống chỉ còn 1.1 mm.

Tuy nhiên, ở phần giữa, chúng tôi đã sử dụng một cứng thép không gỉ dày 0.2mm. Cảm biến camera và bộ kết nối bảng mạch FPC với nhau sẽ được lắp đặt trên phần phẳng này.

Bằng cách xác định các loại cứng và vị trí cứng phù hợp trong Altium Designer, chúng tôi có thể xuất bảng mạch trong trạng thái gắn kết đã gấp:

Việc lắp đặt PCB linh hoạt này đi kèm với một bộ thách thức khác. Phần giữa không có lỗ gắn riêng của nó. Điều này là do không đủ độ dày vật liệu dưới phần trung tâm để sử dụng ốc vít gắn. Tuy nhiên, phần này cũng cần được giữ cố định, vì vậy chúng ta cần tìm một cách khác để thực hiện điều này.

Kế hoạch cho việc lắp đặt phần này là sử dụng một phần thép không gỉ mỏng, được uốn cong theo hình dạng mong muốn bằng cách sử dụng công cụ uốn kim loại in 3D SLM.

Mô hình CAD của lò xo gắn kết

Hình ảnh 3D của dụng cụ uốn

Như bạn có thể đã nhận ra, phương pháp tích hợp này nhanh chóng trở nên khá phức tạp. Có một số vấn đề và yếu tố làm tăng chi phí liên quan đến phương pháp này:

• Phương pháp này chỉ cho phép sử dụng PCB linh hoạt 4 lớp để giữ bán kính uốn nhỏ. Điều này làm cho việc thiết kế bố trí trở nên thách thức và khó thích ứng nếu cần thay đổi sau này;

• Cần có dụng cụ sản xuất chuyên biệt để lắp ráp PCB linh hoạt do độ dày của các tấm cứng khác nhau;

• Cần có dụng cụ chuyên biệt để uốn lò xo gắn kết cho PCB linh hoạt.

Việc lắp ráp các bảng mạch in linh hoạt có thể là một thách thức đối với một số nhà cung cấp PCBA. Thiết bị sản xuất của hầu hết các xưởng lắp ráp PCB được thiết kế cho PCB cứng phẳng. Việc xử lý PCB linh hoạt có độ dày khác nhau đòi hỏi phải có các giá đỡ bổ sung trong quá trình sản xuất.

PCB linh hoạt thậm chí có thể làm cho việc lắp ráp thủ công của bảng mạch trở nên khó khăn. Đây là cơ hội tốt để tìm hiểu những thách thức nào cần được giải quyết trong môi trường sản xuất. Mặc dù PCB linh hoạt này không được sử dụng trong thiết kế laptop cuối cùng, hãy cùng xem qua hai thách thức sản xuất mà nhà cung cấp PCBA sẽ phải đối mặt:

#1 In keo hàn

Quá trình in keo đòi hỏi khuôn keo hàn phải nằm phẳng trên bề mặt PCB. Cao su gạt keo hàn phân phối keo hàn trên khuôn áp dụng một lực lên khuôn và bảng mạch bên dưới. PCB cần phải có khả năng chịu đựng lực này và không được cong vênh trong quá trình in. Đối với PCB linh hoạt có độ dày cứng khác nhau, cần có dụng cụ để hỗ trợ bảng mạch. Đối với quá trình in keo thủ công, có thể sử dụng giá đỡ in 3D.

Bộ giữ in 3D cần thiết cho việc in keo

#2 Lắp ráp

Tương tự như quá trình in keo hàn, máy đặt linh kiện cũng yêu cầu PCB được cố định chắc chắn trong máy. Thông thường, người ta sử dụng các dải công cụ ở cạnh của tấm panel cho mục đích này.

Mặc dù tấm panel cho PCB linh hoạt cũng cung cấp các dải công cụ này nhưng chúng không thể giữ bảng mạch cố định trong quá trình lắp ráp. Một tấm gắn thêm là cần thiết để lắp ráp bảng mạch linh hoạt này.

Những bộ giữ này không phải lúc nào cũng cần thiết và phụ thuộc nhiều vào máy móc mà nhà cung cấp PCBA sử dụng và vào hình dạng/bố trí của tấm panel. Nếu các phần cứng hóa có thể được kết nối với nhau, có thể sẽ không cần phần cứng hỗ trợ thêm để lắp ráp loại bảng mạch như vậy. Tuy nhiên, trong trường hợp của chúng tôi, điều này không thể.

PCB linh hoạt được panel hóa

Những thách thức đã nêu, cũng như sự phức tạp được thêm vào thiết kế bằng cách sử dụng PCB linh hoạt cho mô-đun webcam, là lý do tại sao cách tiếp cận này không được sử dụng cho hệ thống cuối cùng.

Chúng ta sẽ tìm hiểu xem cách tiếp cận nào đã được chọn thay thế và những vấn đề gì đã xuất hiện cùng với nó trong bản cập nhật tiếp theo! Tôi hy vọng bạn sẽ tiếp tục theo dõi cho phần tiếp theo của dự án laptop mã nguồn mở.