Guida alla progettazione di layout e pad PCB con cupola in metallo: ingombri, saldabilità e verifica elettrica

Gli interruttori a cupola in metallo sono semplici dal punto di vista meccanico e rigorosi dal punto di vista elettrico. La cupola è un disco in acciaio inossidabile che scatta al centro quando viene raggiunta la forza di attuazione, chiudendo il circuito tra un cuscinetto centrale e un cuscinetto ad anello anulare sul PCB. La qualità tattile e l'affidabilità del contatto sono determinate tanto dal layout del PCB quanto dalla cupola stessa. Scegli la giusta geometria del pad e l'interruttore si comporterà secondo i dati di forza e durata nella scheda tecnica; se si sbaglia, la stessa cupola perderà resistenza, consumerà la placcatura o si guasterà in modo intermittente molto prima della durata nominale. Questa guida raccoglie le regole di layout che contano davvero, sulla base dell'esperienza di produzione nei programmi consumer, industriali e automobilistici.

Geometria dei pad: l'architettura a due-pad

Il contatto dome standard utilizza due pad sul PCB: un pad centrale e un pad ad anello anulare che lo circonda, separati da uno spazio nel rame. Quando la cupola scatta, il suo anello di contatto colma lo spazio e collega i due pad. Tre dimensioni definiscono la geometria e ciascuna ha un intervallo di lavoro:

• Diametro del cuscinetto centrale:tipicamente il 50-70% del diametro dell'anello di contatto della cupola. Se il cuscinetto centrale è troppo grande, l'anello esterno della cupola può contattarlo direttamente e cortocircuitare l'interruttore in modo permanente; se è troppo piccolo, il contatto della cupola potrebbe non essere posizionato in modo affidabile oppure l'area del pad per la finitura di saldatura/placcatura potrebbe essere insufficiente.
• Cuscinetto ad anello anulare:la larghezza del pad esterno è in genere di 0,4-0,8 mm di rame, dimensionata per sostenere il punto di contatto dell'anello della cupola e il percorso attraverso o lontano dall'interruttore. L'anello dovrebbe essere continuo attorno al cuscinetto centrale anziché segmentato, in modo che la cupola entri in contatto con la stessa rete elettrica indipendentemente dalla sua posizione di rotazione.
• Spazio tra i pad:0,3-0,5 mm è l'intervallo di lavoro per la maggior parte delle dimensioni delle cupole. Uno spazio troppo ampio riduce l'area di contatto e aumenta la resistenza di contatto; uno spazio troppo stretto rischia di creare un ponte di saldatura o un ponte di placcatura tra le pastiglie, che mette in cortocircuito l'interruttore.

Il diametro della cupola guida i numeri assoluti: una cupola da 5 mm utilizza un cuscinetto centrale di circa 2,2-2,6 mm e un anello con un diametro esterno di 3,6-4,2 mm; una cupola da 12 mm si ridimensiona proporzionalmente. In caso di dubbi, richiedere il disegno dell'ingombro del fornitore della cupola per la dimensione specifica della cupola anziché estrapolare da una dimensione diversa.

Finitura superficiale: l'interfaccia di contatto

Il contatto della cupola pulisce la superficie del pad ad ogni attivazione, quindi la finitura del pad determina l'andamento della resistenza del contatto nel corso della vita. Le scelte pratiche, in ordine di prestazione per le applicazioni dome:

• ENIG (oro per immersione in nichel chimico):la scelta standard per gli interruttori a cupola. La barriera in nichel impedisce la migrazione del rame e il sottile strato d'oro fornisce una superficie di contatto stabile e a bassa-resistenza che sopravvive al budget di attuazione. Spessore tipico dell'oro ENIG 0,05-0,1 µm su nichel 3-6 µm.
• Argento per immersione:un'alternativa per i consigli-sensibili ai costi; la superficie argentata costituisce una buona interfaccia di contatto ma si ossida più rapidamente in ambienti umidi, quindi è adatta ad applicazioni sigillate o asciutte.
• HASL:non consigliato per i cuscinetti a cupola. La superficie di saldatura non è uniforme e il contatto della cupola può agganciarsi ai picchi, modificando la sensazione della forza di attuazione e la resistenza del contatto.
• OSP:utilizzabile per applicazioni a basso-durata e a basso{1}}costo in cui la scheda viene saldata dopo il posizionamento della cupola, ma il rivestimento organico non protegge la superficie di contatto come fa una finitura metallica e la deriva della resistenza nel corso della vita è maggiore.

Per i programmi automobilistici e medici in cui vengono specificate durata e resistenza, ENIG è l'impostazione predefinita e la placcatura viene verificata con il primo-articolo. La finitura del pad interagisce anche con la placcatura della cupola: una cupola-placcata in oro su un pad ENIG è la combinazione più stabile, mentre una cupola-placcata in argento su un pad in argento a immersione è l'abbinamento-ottimizzato in termini di costi per i moduli sigillati.

Posizionamento e allineamento dell'impronta

L'allineamento tra la cupola e i pad è la causa principale più comune dei reclami sulle prestazioni dello switch. La cupola deve essere posizionata concentricamente al set di cuscinetti; una cupola spostata anche di 0,2 mm modifica la curva di forza e può spostare l'anello di contatto dal cuscinetto anulare. Tre regole tengono sotto controllo l’allineamento:

• Utilizza il layer di impronta del fornitore della cupola:posizionare i cuscinetti dall'impronta consigliata dal fornitore per l'esatta dimensione della cupola, non dal simbolo di un interruttore generico. Le coordinate del pad nell'impronta vengono misurate rispetto all'anello di contatto della dome.
• Definire il dato di posizionamento della cupola:per il posizionamento manuale-posizionato o semi-automatizzato, la serigrafia del PCB deve contrassegnare il contorno della cupola o una croce centrale; per il posizionamento automatico, il programma pick-and-place utilizza lo stesso fiducial che individua i pad.
• Controlla l'allineamento al primo articolo:la prima scheda viene sottoposta a raggi X-o ispezionata visivamente attraverso una cupola trasparente (o con la cupola rimossa) per confermare che l'anello della cupola si trova sul cuscinetto anulare entro la tolleranza del fornitore, in genere ±0,15 mm o più stretto per cupole di piccole dimensioni.

Per gli array di dome su un supporto, l'allineamento è definito dagli strumenti dell'array anziché dal posizionamento individuale e il disegno dell'array specifica la tolleranza della posizione del pad-a-cupola che il layout PCB deve corrispondere.

Saldabilità e ordine di collocamento

La cupola non è quasi mai saldata nel senso tradizionale; è trattenuto dalla sovrapposizione o da un supporto, con il contatto PCB che esegue il lavoro elettrico. Ma il PCB è ancora sottoposto al riflusso per gli altri componenti e i cuscinetti della cupola devono affrontare due rischi-correlati alla saldatura. Il primo è l'assorbimento della saldatura sulla superficie del pad: se la pasta saldante si diffonde sull'anello anulare o sul pad centrale, la cupola entra in contatto con la saldatura anziché con la finitura, il che modifica l'interfaccia di contatto e può creare un punto rialzato che altera la forza di attuazione. La regola è di mantenere la pasta saldante lontana dall'area di contatto della cupola: mascherare i pad o utilizzare un passaggio di incollatura che stampi la pasta solo su superfici non-della cupola. Il secondo è il residuo di flusso: il flusso di riflusso lasciato sui pad crea una pellicola che aumenta la resistenza di contatto. Una fase di pulizia o un flusso non-pulito selezionato per un basso residuo viene specificato quando la cupola viene posizionata prima dell'assemblaggio finale.

Anche l'ordine di posizionamento è importante. Quando la cupola viene posizionata prima che la scheda venga sottoposta a un secondo ciclo termico (ad esempio, un riflusso del connettore), la cupola deve tollerare tale temperatura senza deformarsi. La maggior parte delle cupole in acciaio inossidabile tollerano un riflusso aggiuntivo; la temperatura nominale della cupola del fornitore deve essere controllata quando la scheda presenta più fasi di riscaldamento.

Verifica elettrica e test pad

Ogni posizione dell'interruttore della cupola dovrebbe essere verificabile elettricamente nella fase di test della scheda e il layout decide se ciò è facile o faticoso. Due regole di progettazione del test:

• Instradare l'anello e i cuscinetti centrali verso un punto di prova:ciascuna posizione dell'interruttore porta le sue due reti verso un punto sonda o un tampone di prova a letto-di-chiodi, in modo che un test con sonda-mobile possa misurare la resistenza dell'interruttore chiuso-con la cupola in posizione.
• Consenti un test di continuità della cupola-rimosso: 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 >1MΩ a 5V.

L'obiettivo di resistenza del contatto chiuso-per un interruttore a cupola è in genere inferiore a 100 mΩ alla corrente nominale (spesso 10 mA a 5 V) e il contributo del layout è la finitura del pad e la resistenza della traccia. Una traccia lunga e sottile sull'interruttore aggiunge resistenza; per i programmi ad alta-corrente o a lunga-durata, le reti ad anello e centrale vengono instradate in tracce più ampie o duplicate per ridurre la resistenza in serie.

Protezione ESD e layout

Gli interruttori a cupola si trovano sulle superfici-rivolte all'utente, il che significa che sono soggetti a scariche elettrostatiche. Il layout protegge l'interruttore e il circuito a valle con il kit di strumenti standard: il resistore in serie e il TVS sulla traccia che esce dall'interruttore, un anello di protezione o un piano di terra vicino all'area della cupola e uno spazio sufficiente tra i cuscinetti della cupola e le reti ad alta-adiacente ad alta tensione. Per le zone associate al tocco capacitivo-sullo stesso pannello, le tracce dell'interruttore della cupola vengono mantenute lontane dall'area di rilevamento capacitivo in modo che il rilevamento del tocco non rilevi il segnale dell'interruttore.

In alcune configurazioni la cupola stessa è una parte metallica messa a terra; laddove la cupola è sotto tensione (collegata alla rete ad anello), la disposizione deve mantenere l'area della cupola lontana dai bordi esposti e instradare la rete di commutazione con la stessa protezione ESD di qualsiasi ingresso accessibile dall'utente-.

Selezione delle dimensioni della cupola e del passo per i layout degli array

Per gli array a cupola e le schede multi-switch, la questione del layout si estende da un singolo set di pad all'inclinazione e all'isolamento tra gli switch. Il passo minimo tra due posizioni della cupola è impostato dal diametro della cupola più l'estensione del cuscinetto dell'anello più lo spazio di instradamento della traccia tra i cuscinetti: una cupola da 5 mm in genere necessita di un passo da centro-a-di 7-8 mm con passaggio a strato singolo-, più stretto con micro-via o flessione a doppio strato. Quando l'array viene posizionato come un unico foglio a cupola, il passo viene fissato dall'attrezzatura del foglio a cupola e il layout del PCB deve corrispondere esattamente alle posizioni dei pad del foglio, in modo che il disegno del foglio e il layout della scheda vengano rilasciati insieme.

L'isolamento tra interruttori adiacenti è un secondo punto di rischio: i cuscinetti degli anelli delle cupole vicine sono vicini tra loro a passo stretto e un ponte di saldatura o ponte di placcatura tra due reti ad anelli mette in cortocircuito gli interruttori. Il layout mantiene un chiaro spazio di isolamento tra i due cuscinetti ad anello e instrada le due reti sullo strato sottostante e il test di resistenza-aperto nella fase della scheda verifica l'isolamento. Per gli array che trasportano sia cupole che tracce sullo stesso supporto, il layout della traccia sotto l'area della cupola viene tenuto lontano dall'anello di contatto in modo che lo snap-through della cupola non possa colpire una traccia e cortocircuitarsi su una rete non intenzionale.

Verifica della curva di forza a livello della scheda

Il layout elettrico rappresenta solo la metà delle prestazioni dell'interruttore a cupola; la forza tattile è determinata dalla cupola e dal rivestimento, e la tavola contribuisce alla planarità del cuscinetto e al supporto sotto la cupola. Due dettagli a livello di scheda-influiscono sulla misurazione della forza. Il primo è l'altezza del pad: una maschera di saldatura spessa o una protuberanza della placcatura rialzata sotto la cupola modificano la corsa e la forza percepita. La maschera viene rimossa o assottigliata sotto l'area della cupola dove l'impronta del fornitore lo richiede, e l'apertura della maschera di saldatura viene disegnata sullo strato della maschera dell'impronta, non lasciata come predefinita. Il secondo è il supporto sotto la cupola: su una tavola sottile o flessibile, l'area della cupola necessita di un cuscinetto di supporto o di un rinforzo dietro di essa, quindi l'energia di attuazione va nello scatto della cupola anziché nella flessibilità della tavola. La curva di forza viene verificata con un misuratore di forza sulla scheda popolata con la sovrapposizione effettiva e la curva misurata viene confrontata con la curva della scheda tecnica della cupola prima che il progetto venga rilasciato in produzione.

Questi due controlli - planarità del cuscinetto e rigidità del supporto - rilevano la maggior parte dei reclami "la cupola sembra sbagliata" che sopravvivono a un layout elettricamente corretto.

Lista di controllo del layout prima del rilascio

La seguente lista di controllo individua la maggior parte dei difetti di layout degli interruttori a cupola prima che la scheda venga rilasciata per la fabbricazione:

• Il cuscinetto centrale e il cuscinetto dell'anello anulare corrispondono all'impronta del fornitore per l'esatta dimensione della cupola.
• Spazio tra i cuscinetti compreso tra 0,3 e 0,5 mm, senza aperture della maschera di saldatura o di placcatura che potrebbero colmare.
• La finitura della pastiglia è ENIG (o la finitura del contatto specificata); pasta saldante esclusa dall'area di contatto della cupola.
• Dato di posizionamento della cupola indicato e tolleranza di allineamento indicata sul disegno.
• Entrambe le reti di commutazione sono instradate verso un punto di prova con una specifica di resistenza aperta/chiusa definita.
• Componenti di protezione ESD posizionati sulle reti di commutazione e tracce di commutazione libere da aree capacitive.
• Valutazione della temperatura della cupola verificata rispetto a tutti i cicli termici della scheda.

Shanyo (marchio Shanyo, Qingdao Shanyuan Precision Electronics) fornisce cupole metalliche,interruttore a cupolacomponenti ematrici di fogli a cupolacon disegni di ingombro e supporto del layout per ciascuna dimensione di cupola, mentre il team di ingegneri esamina i layout del cliente su richiesta. Per i nuovi programmi, il disegno dell'ingombro e la raccomandazione sulla finitura del pad sono inclusi nel preventivo della cupola, in modo che il layout del PCB e il componente arrivino allineati la prima volta.