Guía de diseño y almohadilla de PCB con domo metálico: huellas, soldabilidad y verificación eléctrica

Los interruptores de domo metálicos son simples mecánicamente y exigentes eléctricamente. La cúpula es un disco de acero inoxidable que pasa por el centro cuando se alcanza la fuerza de actuación, cerrando el circuito entre una almohadilla central y una almohadilla anular en la PCB. La calidad táctil y la fiabilidad del contacto están determinadas tanto por el diseño de la PCB como por la propia cúpula. Obtenga la geometría correcta de la almohadilla y el interruptor funcionará según los datos de fuerza y ​​vida en la hoja de datos; si se hace mal, el mismo domo perderá resistencia, desgastará su revestimiento o fallará intermitentemente mucho antes de su vida útil nominal. Esta guía recopila las reglas de diseño que realmente importan, basadas en la experiencia de producción en programas de consumo, industriales y automotrices.

Geometría de pad: la arquitectura de dos-pad

El contacto de domo estándar utiliza dos pads en la PCB: un pad central y un pad anular que lo rodea, separados por un espacio en el cobre. Cuando la cúpula se abre paso, su anillo de contacto cierra el espacio y conecta las dos almohadillas. Tres dimensiones definen la geometría y cada una tiene un rango de trabajo:

• Diámetro de la almohadilla central:normalmente entre el 50 y el 70 % del diámetro del anillo de contacto del domo. Si la almohadilla central es demasiado grande, el anillo exterior del domo puede contactarlo directamente y cerrar el interruptor permanentemente; si es demasiado pequeño, es posible que el contacto del domo no se asiente de manera confiable o que el área de la almohadilla para el acabado de soldadura/chapado sea insuficiente.
• Almohadilla anular:El ancho de la almohadilla exterior suele ser de 0,4 a 0,8 mm de cobre, con el tamaño adecuado para soportar el punto de contacto del anillo de cúpula y el enrutamiento a través o lejos del interruptor. El anillo debe ser continuo alrededor de la almohadilla central en lugar de segmentado, de modo que el domo haga contacto con la misma red eléctrica independientemente de su posición de rotación.
• Espacio entre las almohadillas:0,3-0,5 mm es el rango de trabajo para la mayoría de los tamaños de domos. Un espacio demasiado amplio reduce el área de contacto y aumenta la resistencia de contacto; un espacio demasiado estrecho corre el riesgo de que se forme un puente de soldadura o un puente de revestimiento entre las almohadillas, lo que provoca un cortocircuito en el interruptor.

El diámetro de la cúpula determina los números absolutos: una cúpula de 5 mm utiliza una almohadilla central de aproximadamente 2,2-2,6 mm y un anillo con un diámetro exterior de 3,6-4,2 mm; una cúpula de 12 mm escala proporcionalmente. En caso de duda, solicite el dibujo de la huella del proveedor del domo para el tamaño de domo específico en lugar de extrapolarlo a partir de un tamaño diferente.

Acabado superficial: la interfaz de contacto

El contacto del domo limpia la superficie de la almohadilla con cada accionamiento, por lo que el acabado de la almohadilla determina la tendencia de la resistencia del contacto a lo largo de su vida. Las opciones prácticas, en orden de rendimiento para aplicaciones de domo:

• ENIG (oro de inmersión en níquel no electrolítico):la opción estándar para placas de interruptor de domo. La barrera de níquel detiene la migración del cobre y la fina capa de oro proporciona una superficie de contacto estable y de baja-resistencia que sobrevive al presupuesto de actuación. Espesor típico de oro ENIG de 0,05 a 0,1 µm sobre níquel de 3 a 6 µm.
• Plata de inmersión:una alternativa para tableros sensibles a los costos-; la superficie plateada es una buena interfaz de contacto pero se empaña más rápido en ambientes húmedos, por lo que es adecuada para aplicaciones selladas o secas.
• HASL:no recomendado para almohadillas de domo. La superficie de soldadura es desigual y el contacto del domo puede colgarse de los picos, cambiando la sensación de la fuerza de actuación y la resistencia del contacto.
• OSP:Se puede utilizar para aplicaciones de bajo-vida útil y bajo-costo en las que la placa se suelda después de colocar el domo, pero el recubrimiento orgánico no protege la superficie de contacto como lo hace un acabado metálico y la resistencia a la deriva a lo largo de la vida útil es mayor.

Para programas médicos y automotrices donde se especifican vida y resistencia, ENIG es el valor predeterminado y el revestimiento se verifica con el primer-artículo. El acabado de la almohadilla también interactúa con el revestimiento del domo: un domo-chapado en oro sobre una almohadilla ENIG es la combinación más estable, mientras que un domo-plateado sobre una almohadilla plateada de inmersión es la combinación de costo-optimizado para módulos sellados.

Colocación y alineación de huellas

La alineación entre el domo y las almohadillas es la causa principal más común de quejas sobre el rendimiento del switch. El domo debe quedar concéntrico con el juego de almohadillas; una cúpula desplazada incluso 0,2 mm cambia la curva de fuerza y ​​puede mover el anillo de contacto fuera de la almohadilla anular. Tres reglas mantienen la alineación bajo control:

• Utilice la capa de huella del proveedor del domo:Coloque las almohadillas según la huella recomendada por el proveedor para el tamaño exacto del domo, no desde un símbolo de interruptor genérico. Las coordenadas de la plataforma en la huella se miden hasta el anillo de contacto del domo.
• Defina el dato de ubicación del domo:para colocación manual-o semi-automática, la serigrafía de PCB debe marcar el contorno del domo o una cruz central; para la colocación automática, el programa de selección-y-coloca utiliza el mismo fiduciario que ubica las almohadillas.
• Verifique la alineación en el primer artículo:la primera placa se somete a rayos X-o se inspecciona visualmente a través de un domo transparente (o sin el domo) para confirmar que el anillo del domo se asienta en la almohadilla anular dentro de la tolerancia del proveedor, generalmente ±0,15 mm o más ajustada para domos pequeños.

Para los conjuntos de domos en un soporte, la alineación se define mediante las herramientas del conjunto en lugar de por la ubicación individual, y el dibujo del conjunto especifica la tolerancia de posición de la plataforma-a-la cúpula que debe coincidir con el diseño de PCB.

Soldabilidad y orden de colocación

La cúpula casi nunca está soldada en el sentido tradicional; se sujeta mediante la superposición o un soporte, y el contacto de la PCB realiza el trabajo eléctrico. Pero la PCB todavía pasa por reflujo para sus otros componentes, y las almohadillas del domo enfrentan dos riesgos relacionados con la soldadura-. La primera es la soldadura que se extiende sobre la superficie de la almohadilla: si la pasta de soldadura se extiende sobre el anillo anular o la almohadilla central, el domo hace contacto con la soldadura en lugar del acabado, lo que cambia la interfaz de contacto y puede crear un punto elevado que altera la fuerza de actuación. La regla es mantener la pasta de soldadura fuera del área de contacto del domo: enmascare las almohadillas o use un paso de pegado que imprima pasta solo en las superficies que no son-el domo. El segundo es el residuo de fundente: el fundente de reflujo que queda en las pastillas crea una película que aumenta la resistencia al contacto. Se especifica un paso de limpieza o un fundente no-limpio seleccionado para niveles bajos de residuos cuando se coloca el domo antes del ensamblaje final.

El orden de colocación también importa. Cuando el domo se coloca antes de que la placa pase por un segundo ciclo de calor (por ejemplo, un reflujo del conector), el domo debe tolerar esa temperatura sin deformarse. La mayoría de los domos de acero inoxidable toleran un reflujo adicional; Se debe verificar la clasificación de temperatura del domo del proveedor cuando la placa tiene múltiples pasos de calor.

Almohadillas de prueba y verificación eléctrica

Cada posición del interruptor de domo debe ser verificable eléctricamente en la etapa de prueba de la placa, y el diseño decide si eso es fácil o complicado. Dos reglas de diseño de pruebas:

• Dirija el anillo y las almohadillas centrales a un punto de prueba:Cada posición del interruptor lleva sus dos redes a un punto de sonda o a una plataforma de prueba-de-clavos, por lo que una prueba de-sonda voladora puede medir la resistencia del interruptor cerrado-con el domo en su lugar.
• Permitir una prueba de continuidad-eliminada la cúpula: 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.

El objetivo de resistencia de contacto cerrado-para un interruptor de domo suele ser inferior a 100 mΩ a la corriente nominal (a menudo 10 mA a 5 V), y la contribución del diseño es el acabado de la almohadilla y la resistencia de traza. Un rastro largo y delgado hasta el interruptor agrega resistencia; para programas de alta-corriente o larga-vida útil, el anillo y las redes centrales se enrutan en trazas más anchas o se duplican para reducir la resistencia en serie.

ESD y protección de diseño

Los interruptores de domo se ubican en superficies-miradas hacia el usuario, lo que significa que ven descargas electrostáticas. El diseño protege el interruptor y el circuito descendente con el conjunto de herramientas estándar: la resistencia en serie y los TVS en la traza que sale del interruptor, un anillo de protección o plano de tierra cerca del área del domo y suficiente espacio entre las almohadillas del domo y las redes de alto voltaje- adyacentes. Para zonas complementarias táctiles-capacitivas en el mismo panel, los rastros del interruptor de domo se mantienen alejados del área de detección capacitiva para que la detección táctil no capte la señal del interruptor.

El domo en sí es una pieza metálica conectada a tierra en algunas configuraciones; Cuando el domo tiene corriente eléctrica (conectado a la red en anillo), el diseño debe mantener el área del domo alejada de los bordes expuestos y enrutar la red del interruptor con la misma protección ESD que cualquier entrada accesible al usuario.

Selección de tamaño y paso de domo para diseños de matriz

Para arreglos de domo y tableros de múltiples-conmutadores, la cuestión del diseño se extiende desde un solo conjunto de pad hasta el paso y el aislamiento entre los conmutadores. El paso mínimo entre dos posiciones del domo se establece mediante el diámetro del domo más la extensión de la almohadilla anular más el espacio de enrutamiento de la traza entre las almohadillas: un domo de 5 mm generalmente necesita un paso de centro-a-centro de 7-8 mm con enrutamiento de una sola-capa, más apretado con micro-vía o flexión de doble capa. Cuando la matriz se coloca como una sola hoja de domo, el paso se fija mediante las herramientas de la hoja de domo y el diseño de la PCB debe coincidir exactamente con las posiciones de las almohadillas de la hoja, de modo que el dibujo de la hoja y el diseño de la placa se liberan juntos.

El aislamiento entre interruptores adyacentes es un segundo punto de riesgo: las almohadillas anulares de los domos vecinos están muy juntas en un paso estrecho, y un puente de soldadura o un puente enchapado entre dos redes anulares pone en cortocircuito los interruptores. El diseño mantiene un espacio de aislamiento claro entre las dos almohadillas de los anillos y separa las dos redes en la capa inferior, y la prueba de resistencia abierta-en la etapa del tablero verifica el aislamiento. Para los arreglos que transportan domos y trazas en el mismo soporte, el diseño de la traza debajo del área de la cúpula se mantiene alejado del anillo de contacto para que el paso rápido del domo-no pueda alcanzar una traza y provocar un cortocircuito con una red no deseada.

Verificación de la curva de fuerza a nivel del tablero

El diseño eléctrico es sólo la mitad del rendimiento del interruptor de domo; la fuerza táctil la establecen la cúpula y la superposición, y el tablero aporta la planitud de la almohadilla y el soporte debajo de la cúpula. Dos detalles a nivel de tablero- afectan la medición de la fuerza. La primera es la altura de la almohadilla: una máscara de soldadura gruesa o una protuberancia de revestimiento elevada debajo del domo cambia el recorrido y la fuerza percibida. La máscara se elimina o se adelgaza debajo del área del domo donde la huella del proveedor lo requiere, y la abertura de la máscara de soldadura se dibuja en la capa de máscara de la huella, no se deja como predeterminada. El segundo es el soporte debajo de la cúpula: en una tabla delgada o flexible, el área de la cúpula necesita una almohadilla de soporte o un refuerzo detrás, por lo que la energía de actuación va hacia el encaje de la cúpula en lugar de hacia la flexión de la tabla. La curva de fuerza se verifica con un dinamómetro en el tablero poblado con la superposición real, y la curva medida se compara con la curva de la hoja de datos del domo antes de que el diseño se lance a producción.

Estas dos comprobaciones - planitud de la almohadilla y rigidez del soporte - detectan la mayoría de las quejas de "el domo se siente mal" que sobreviven a un diseño eléctricamente correcto.

Lista de verificación de diseño antes del lanzamiento

La siguiente lista de verificación detecta la mayoría de los defectos en el diseño del interruptor de domo antes de que la placa se envíe a fabricación:

• La almohadilla central y la almohadilla anular coinciden con el tamaño del proveedor para el tamaño exacto del domo.
• Espacio entre las almohadillas de entre 0,3 y 0,5 mm, sin aberturas de máscara de soldadura o enchapado que puedan formar puentes.
• El acabado de la pastilla es ENIG (o el acabado de contacto especificado); pasta de soldadura excluida del área de contacto del domo.
• Datos de colocación del domo marcados y tolerancia de alineación indicada en el dibujo.
• Ambas redes de conmutación se encaminaron a un punto de prueba con una especificación de resistencia abierta/cerrada definida.
• Componentes de protección ESD colocados en las redes del interruptor y líneas de interruptor libres de áreas capacitivas.
• Clasificación de temperatura del domo verificada con todos los ciclos de calor de la placa.

Shanyo (marca Shanyo, Qingdao Shanyuan Precision Electronics) suministra domos metálicos,interruptor de domocomponentes yconjuntos de láminas de cúpulacon dibujos de huellas y soporte de diseño para cada tamaño de domo, y el equipo de ingeniería revisa los diseños del cliente a pedido. Para programas nuevos, el dibujo de la huella y la recomendación de acabado de la almohadilla se incluyen con la cotización del domo, de modo que el diseño de la PCB y el componente lleguen alineados la primera vez.