Руководство по проектированию печатной платы с металлическим куполом и ее компоновке: посадочные места, паяемость и электрическая проверка

Металлические купольные переключатели просты механически и требовательны электрически. Купол представляет собой диск из нержавеющей стали, который прощелкивается в центре при достижении силы срабатывания, замыкая цепь между центральной площадкой и кольцевой площадкой на печатной плате. Тактильное качество и надежность контакта определяются как разводкой печатной платы, так и самим куполом. Установите правильную геометрию колодки, и переключатель будет работать в соответствии с данными по усилию и сроку службы, указанными в таблице данных; ошибитесь, и тот же купол будет смещаться при сопротивлении, изнашивать покрытие или периодически выходить из строя задолго до истечения номинального срока службы. В этом руководстве собраны действительно важные правила компоновки, основанные на производственном опыте потребительских, промышленных и автомобильных программ.

Геометрия площадки: архитектура двух-площадок

Стандартный купольный контакт использует две площадки на печатной плате: центральную площадку и окружающую ее кольцевую площадку, разделенную зазором в меди. Когда купол защелкивается, его контактное кольцо перекрывает зазор и соединяет две площадки. Три измерения определяют геометрию, и каждое из них имеет рабочий диапазон:

• Диаметр центральной колодки:обычно 50-70% диаметра контактного кольца купола. Если центральная площадка слишком велика, внешнее кольцо купола может коснуться ее напрямую и замкнуть переключатель навсегда; если он слишком мал, купольный контакт может не сидеть надежно или площадь площадки для пайки/покрытия будет недостаточной.
• Кольцевая кольцевая площадка:ширина внешней площадки обычно составляет 0,4–0,8 мм из меди и рассчитана на то, чтобы нести точку контакта купольного кольца и трассу через или трассировку от переключателя. Кольцо должно быть непрерывным вокруг центральной площадки, а не сегментированным, чтобы купол контактировал с одной и той же электрической сетью независимо от его вращательного положения.
• Зазор между колодками:0,3-0,5 мм — рабочий диапазон для большинства размеров куполов. Слишком широкий зазор уменьшает площадь контакта и повышает контактное сопротивление; слишком узкий зазор может привести к образованию перемычки пайки или перемычки покрытия на контактных площадках, что приведет к замыканию переключателя.

Диаметр купола определяет абсолютные цифры: купол диаметром 5 мм использует центральную площадку примерно 2,2–2,6 мм и кольцо с внешним диаметром 3,6–4,2 мм; купол диаметром 12 мм масштабируется пропорционально. В случае сомнений запросите у поставщика купола чертеж конкретного размера купола, а не экстраполируйте его на основе другого размера.

Отделка поверхности: контактный интерфейс

Куполообразный контакт протирает поверхность колодки при каждом нажатии, поэтому отделка колодки определяет тенденцию контактного сопротивления в течение срока службы. Практический выбор в порядке производительности для купольных систем:

• ENIG (химическое иммерсионное никелевое золото):стандартный выбор для купольных переключателей. Никелевый барьер останавливает миграцию меди, а тонкий слой золота обеспечивает стабильную контактную поверхность с низким-сопротивлением, которая выдерживает любые воздействия. Типичная толщина золота ENIG 0,05–0,1 мкм по сравнению с толщиной никеля 3–6 мкм.
• Иммерсионное серебро:альтернатива для плат,-чувствительных к затратам; Серебряная поверхность является хорошим контактным интерфейсом, но быстрее тускнеет во влажной среде, поэтому подходит для герметичного или сухого применения.
• ХАСЛ:не рекомендуется для купольных подушек. Поверхность припоя неровная, куполообразный контакт может зависать на выступах, изменяя ощущение силы срабатывания и сопротивление контакта.
• ОСП:можно использовать в приложениях с малым-сроком службы и низкой-затратой, когда плата припаивается после установки купола, но органическое покрытие не защищает контактную поверхность так, как металлическая отделка, и дрейф сопротивления в течение срока службы выше.

Для автомобильных и медицинских программ, где указаны срок службы и устойчивость, по умолчанию используется ENIG, а покрытие проверяется по первому-артикулу. Отделка контактной площадки также взаимодействует с покрытием купола: позолоченный-купол на контактной площадке ENIG — наиболее стабильная комбинация, а посеребренный-купол на погружной серебряной контактной площадке — это экономически-оптимизированное сочетание для герметичных модулей.

Размещение и выравнивание посадочных мест

Выравнивание купола и площадок является наиболее распространенной основной причиной жалоб на работу переключателя. Купол должен располагаться концентрично с набором подушек; смещение купола даже на 0,2 мм изменяет кривую силы и может сдвинуть контактное кольцо с кольцевой площадки. Три правила позволяют держать выравнивание под контролем:

• Используйте слой следа поставщика купола:размещайте контактные площадки согласно рекомендациям поставщика для точного размера купола, а не по стандартному символу переключателя. Координаты площадки на посадочном месте отсчитываются от контактного кольца купола.
• Определите базу размещения купола:при ручном-размещении или полу-автоматическом размещении на трафаретной печати печатной платы должен быть отмечен контур купола или центральный крест; для автоматического размещения программа выбора-и-размещения использует ту же точку отсчета, которая определяет местонахождение площадок.
• Проверьте выравнивание в первой статье:первая доска подвергается рентгеновскому-просвечиванию или визуальному осмотру через прозрачный купол (или со снятым куполом), чтобы убедиться, что кольцо купола сидит на кольцевой подушке в пределах допуска поставщика, обычно ±0,15 мм или меньше для небольших куполов.

Для купольных массивов на держателе выравнивание определяется инструментом массива, а не индивидуальным размещением, а чертеж массива определяет допуск на положение контактной площадки-до-купола, которому должна соответствовать компоновка печатной платы.

Паяемость и порядок размещения

Купол почти никогда не паяется в традиционном понимании; он удерживается накладкой или держателем, а контакт печатной платы выполняет электрическую работу. Но другие компоненты печатной платы по-прежнему подвергаются оплавлению, а купольные площадки сталкиваются с двумя рисками,-связанными с пайкой. Во-первых, это попадание припоя на поверхность площадки: если паяльная паста попадает на кольцевое кольцо или центральную площадку, припаиваются куполообразные контакты, а не отделка, что изменяет поверхность контакта и может создать приподнятую точку, которая изменяет силу срабатывания. Правило состоит в том, чтобы не допускать попадания паяльной пасты в область контакта купола: замаскируйте площадки или используйте этап нанесения пасты, при котором паста наносится только на контактные площадки, отличные от-купола. Во-вторых, это остатки флюса: флюс, оставшийся на контактных площадках, создает пленку, повышающую контактное сопротивление. Этап очистки или флюс, не требующий-очистки, выбранный из-за низкого уровня остатков, указывается при установке купола перед окончательной сборкой.

Порядок размещения также имеет значение. Если купол размещается до того, как плата пройдет второй тепловой цикл (например, оплавление разъема), купол должен выдерживать эту температуру, не деформируясь. Большинство куполов из нержавеющей стали допускают одну дополнительную оплавку; Если плата имеет несколько ступеней нагрева, следует проверить номинальную температуру купола поставщика.

Электрические контрольные и тестовые площадки

Каждое положение купольного переключателя должно быть электрически проверено на этапе тестирования платы, а компоновка решает, легко это или сложно. Два правила тестового дизайна:

• Проложите кольцо и центральные колодки к контрольной точке:при каждом положении переключателя две сети подводятся к точке датчика или к испытательной площадке-из-гвоздей, поэтому тест с летающим-щупом позволяет измерить сопротивление замкнутого-переключателя при установленном куполе.
• Разрешить проверку целостности-снятого купола: the open resistance between the center and ring nets (with the dome absent or the overlay not yet installed) verifies that the two pads are not bridged by solder or plating. The test spec sets the minimum open resistance, typically >1 МОм при 5 В.

Целевое сопротивление закрытого- контакта для купольного переключателя обычно ниже 100 мОм при номинальном токе (часто 10 мА при 5 В), а вклад в компоновку играет покрытие контактной площадки и сопротивление трассы. Длинная тонкая дорожка переключателя увеличивает сопротивление; для программ с высоким-током или длительным-сроком службы кольцевая и центральная цепи прокладываются более широкими дорожками или дублируются, чтобы уменьшить последовательное сопротивление.

Защита от электростатического разряда и макета

Купольные переключатели располагаются на поверхностях,-обращающихся к пользователю, поэтому на них возникает электростатический разряд. Схема защищает переключатель и выходную цепь с помощью стандартного набора инструментов: последовательного резистора и TVS на проводе, выходящем из переключателя, защитного кольца или заземляющей пластины рядом с областью купола, а также достаточного расстояния между контактными площадками купола и соседними сетями высокого-напряжения. В емкостных-дополнительных сенсорных зонах на одной панели следы купольного переключателя не попадают в область емкостного чувствительности, поэтому датчик прикосновения не улавливает сигнал переключателя.

Сам купол в некоторых конфигурациях представляет собой заземленную металлическую деталь; если купол находится под напряжением (подключен к кольцевой сети), при планировке зона купола должна находиться вдали от открытых краев, а сеть коммутации должна быть проложена с той же защитой от электростатического разряда, что и любой доступный пользователю вход.

Выбор размера купола и шага для компоновки массива

Для купольных массивов и плат с несколькими-переключателями вопрос компоновки простирается от одного набора контактных площадок до шага и изоляции между переключателями. Минимальный шаг между двумя положениями купола определяется диаметром купола, удлинением кольцевой площадки и расстоянием между дорожками между площадками: для купола толщиной 5 мм обычно требуется шаг от центра-до-центра 7-8 мм при однослойной трассировке, более плотный при микро-переходных отверстиях или двухслойной гибкости. Когда массив размещается как один купольный лист, шаг фиксируется с помощью инструментов купольного листа, а расположение печатной платы должно точно соответствовать положениям контактных площадок листа, поэтому чертеж листа и макет платы выпускаются вместе.

Изоляция между соседними переключателями является второй точкой риска: кольцевые площадки соседних куполов расположены близко друг к другу с небольшим шагом, а перемычка из пайки или металлическая перемычка между двумя кольцевыми цепями закорачивает переключатели. В схеме сохраняется четкий изоляционный зазор между двумя кольцевыми контактными площадками, и две цепи разводятся на нижнем слое, а испытание на сопротивление открытого-сопротивления на этапе платы проверяет изоляцию. Для массивов, которые несут как купола, так и дорожки на одном и том же носителе, расположение дорожек под куполом находится вдали от контактного кольца, поэтому защелка купола - не может попасть в дорожку и замкнуться на непредусмотренную сеть.

Проверка кривой силы на уровне платы

Электрическая схема составляет лишь половину эффективности купольного переключателя; тактильная сила задается куполом и накладкой, а доска обеспечивает плоскостность площадки и поддержку под куполом. Две детали уровня платы- влияют на измерение силы. Во-первых, это высота площадки: толстая паяльная маска или выступ под куполом изменяют ход и воспринимаемую силу. Маска удаляется или утончается под областью купола, где этого требует контур поставщика, а отверстие паяльной маски рисуется на слое маски контура, а не остается по умолчанию. Во-вторых, это опора под куполом: на тонкой доске или гибком участке купола требуется опорная подушка или ребро жесткости позади него, поэтому энергия срабатывания идет на защелкивание купола, а не на изгиб доски. Кривая силы проверяется с помощью датчика силы на заполненной плате с фактическим наложением, а измеренная кривая сравнивается с кривой таблицы данных купола, прежде чем конструкция будет запущена в производство.

Эти две проверки - плоскостности подушки и жесткости опоры - позволяют выявить большинство жалоб на «неправильное ощущение купола», которые сохраняются при электрически правильной компоновке.

Контрольный список макета перед выпуском

Следующий контрольный список выявляет большинство дефектов компоновки купольных переключателей до того, как плата будет запущена в производство:

• Центральная и кольцевая площадки соответствуют размерам купола, указанным поставщиком.
• Зазор между контактными площадками в пределах 0,3-0,5 мм, без отверстий под пайку или металлическую маску, которые могли бы перекрыться.
• Покрытие контактной площадки ENIG (или указанное покрытие контакта); паяльная паста исключена из зоны контакта купола.
• На чертеже отмечена точка размещения купола и указан допуск на выравнивание.
• Обе цепи переключателей подведены к контрольной точке с определенной характеристикой сопротивления открытого/закрытого состояния.
• Компоненты защиты от электростатического разряда размещены на цепях переключателей, а следы переключателей находятся вдали от емкостных зон.
• Температурный диапазон купола проверен на соответствие всем тепловым циклам платы.

Shanyo (торговая марка Shanyo, Qingdao Shanyuan Precision Electronics) поставляет металлические купола,купольный переключателькомпоненты имассивы купольных листовс чертежами посадочных мест и поддержкой макетов для каждого размера купола, а команда инженеров рассматривает макеты клиентов по запросу. Для новых программ чертеж посадочного места и рекомендации по отделке контактных площадок включены в коммерческое предложение на купол, поэтому разводка печатной платы и компонент прибывают согласованными с первого раза.