Metal Dome PCB Pad en lay-outontwerpgids: voetafdrukken, soldeerbaarheid en elektrische verificatie

Metalen koepelschakelaars zijn mechanisch eenvoudig en elektrisch veeleisend. De koepel is een roestvrijstalen schijf die door het midden springt wanneer de bedieningskracht wordt bereikt, waardoor het circuit tussen een middenkussen en een ringvormig ringkussen op de PCB wordt gesloten. De tactiele kwaliteit en de contactbetrouwbaarheid worden zowel bepaald door de PCB-indeling als door de koepel zelf. Zorg dat de padgeometrie goed is en de schakelaar werkt volgens de kracht- en levensduurgegevens in het gegevensblad; als je het verkeerd doet, zal dezelfde koepel in weerstand afdrijven, de beplating slijten of met tussenpozen falen, lang voordat de nominale levensduur is bereikt. Deze gids verzamelt de lay-outregels die er echt toe doen, gebaseerd op productie-ervaring in consumenten-, industriële en automobielprogramma's.

Padgeometrie: de twee-Pad-architectuur

Het standaard koepelcontact maakt gebruik van twee pads op de printplaat: een middenpad en een ringvormig ringpad eromheen, gescheiden door een opening in het koper. Wanneer de koepel erdoorheen klikt, overbrugt de contactring de opening en verbindt de twee pads. Drie dimensies definiëren de geometrie, en elke dimensie heeft een werkbereik:

• Diameter middenkussen:doorgaans 50-70% van de diameter van de contactring van de koepel. Als het middenkussen te groot is, kan de buitenring van de koepel er direct contact mee maken en de schakelaar permanent sluiten; als het te klein is, zit het koepelcontact mogelijk niet goed vast of is het kussengebied voor de soldeer-/platingafwerking onvoldoende.
• Ringvormig ringkussen:De breedte van het buitenste kussen is doorgaans 0,4-0,8 mm koper, zo groot dat het het contactpunt van de koepelring en de routering via of weg van de schakelaar kan dragen. De ring moet doorlopend rond het middenkussen zijn in plaats van gesegmenteerd, zodat de koepel in contact komt met hetzelfde elektrische net, ongeacht de rotatiepositie ervan.
• Ruimte tussen de pads:0,3-0,5 mm is het werkbereik voor de meeste koepelformaten. Een te grote opening verkleint het contactoppervlak en verhoogt de contactweerstand; een te smalle opening riskeert een soldeerbrug of een galvaniseringsbrug over de pads, waardoor de schakelaar wordt kortgesloten.

De diameter van de koepel bepaalt de absolute cijfers: een koepel van 5 mm gebruikt een middenkussen van ongeveer 2,2-2,6 mm en een ring met een buitendiameter van 3,6-4,2 mm; een koepel van 12 mm schaalt proportioneel. Vraag bij twijfel de voetafdruktekening van de leverancier van de koepel op voor de specifieke koepelgrootte, in plaats van te extrapoleren vanuit een andere maat.

Oppervlakteafwerking: de contactinterface

Het koepelcontact veegt bij elke bediening het oppervlak van het kussen af, zodat de afwerking van het kussen de trend van de contactweerstand gedurende de levensduur bepaalt. De praktische keuzes, in volgorde van prestatie voor dome-toepassingen:

• ENIG (stroomloos nikkel-immersiegoud):de standaardkeuze voor koepelschakelaarpads. De nikkelbarrière stopt kopermigratie en de dunne goudlaag zorgt voor een stabiel contactoppervlak met lage{1}} weerstand dat het bedieningsbudget overleeft. Typische ENIG-gouddikte 0,05-0,1 µm over 3-6 µm nikkel.
• Immersie zilver:een alternatief voor kostengevoelige borden-; het zilveren oppervlak is een goed contactoppervlak, maar wordt sneller dof in vochtige omgevingen, dus het is geschikt voor afgedichte of droge toepassingen.
• HASL:niet aanbevolen voor koepelpads. Het soldeeroppervlak is oneffen en het koepelcontact kan op de pieken blijven hangen, waardoor het gevoel van de bedieningskracht en de contactweerstand veranderen.
• OSP:bruikbaar voor toepassingen met een lage-levensduur en lage-kosten waarbij de plaat wordt gesoldeerd na plaatsing van de koepel, maar de organische coating het contactoppervlak niet beschermt zoals een metalen afwerking dat doet, en de weerstandsafwijking gedurende de levensduur groter is.

Voor auto- en medische programma's waarbij levensduur en weerstand worden gespecificeerd, is ENIG de standaard en wordt de beplating geverifieerd met het eerste-artikel. De afwerking van de pad werkt ook samen met de koepelbeplating: een vergulde-koepel op een ENIG-pad is de meest stabiele combinatie, terwijl een verzilverde-vergulde koepel op een zilverkleurige immersiepad de kosten-geoptimaliseerde combinatie is voor afgedichte modules.

Voetafdrukplaatsing en uitlijning

De uitlijning tussen de koepel en de pads is de meest voorkomende oorzaak van klachten over de prestatie van schakelaars. De koepel moet concentrisch met de kussenset zitten; een koepel die zelfs maar 0,2 mm is verschoven, verandert de krachtcurve en kan de contactring van het ringvormige kussen verwijderen. Drie regels houden de uitlijning onder controle:

• Gebruik de voetafdruklaag van de koepelleverancier:plaats de pads uit de door de leverancier aanbevolen voetafdruk voor de exacte koepelgrootte, niet uit een algemeen schakelaarsymbool. De padcoördinaten in de voetafdruk worden gemeten ten opzichte van de contactring van de koepel.
• Definieer het plaatsingsdatum van de koepel:voor handmatig-geplaatste of semi-automatische plaatsing moet de printplaatzeefdruk de omtrek van de koepel of een kruis in het midden markeren; voor automatische plaatsing gebruikt het pick-and-place-programma dezelfde referentie die de elektroden lokaliseert.
• Uitlijning bij eerste artikel controleren:de eerste plaat wordt onderworpen aan röntgenstraling of visueel geïnspecteerd door een transparante koepel (of met de koepel verwijderd) om te bevestigen dat de koepelring op het ringvormige kussen zit binnen de tolerantie van de leverancier, doorgaans ±0,15 mm of strakker voor kleine koepels.

Voor dome-arrays op een drager wordt de uitlijning bepaald door de array-tools in plaats van door individuele plaatsing, en de array-tekening specificeert de pad-tot-dome-positietolerantie waarmee de PCB-indeling moet overeenkomen.

Soldeerbaarheid en de plaatsingsvolgorde

De koepel wordt vrijwel nooit in de traditionele zin gesoldeerd; het wordt vastgehouden door de overlay of een drager, waarbij het PCB-contact het elektrische werk doet. Maar de PCB ondergaat nog steeds reflow voor de andere componenten, en de koepelpads worden geconfronteerd met twee soldeer-gerelateerde risico's. De eerste is soldeerafvoer op het oppervlak van het kussen: als soldeerpasta zich verspreidt over de ringvormige ring of het middelste kussen, maakt de koepel contact met soldeer in plaats van met de afwerking, waardoor de contactinterface verandert en een verhoogd punt kan ontstaan ​​dat de bedieningskracht verandert. De regel is om soldeerpasta uit het contactgebied van de koepel te houden: maskeer de pads of gebruik een plakstap die de pasta alleen op niet-koepelgebieden afdrukt. De tweede is fluxresidu: de reflow-flux die op de pads achterblijft, creëert een film die de contactweerstand verhoogt. Er wordt een reinigingsstap of een geen-schone flux geselecteerd voor weinig residu, wanneer de koepel vóór de eindmontage wordt geplaatst.

De plaatsingsvolgorde is ook van belang. Wanneer de koepel wordt geplaatst voordat de plaat een tweede verwarmingscyclus doorloopt (bijvoorbeeld een reflow van de connector), moet de koepel die temperatuur tolereren zonder te vervormen. De meeste roestvrijstalen koepels tolereren één extra reflow; De koepeltemperatuurclassificatie van de leverancier moet worden gecontroleerd als de plaat meerdere verwarmingsstappen heeft.

Elektrische verificatie en testpads

Elke stand van de koepelschakelaar moet elektrisch verifieerbaar zijn tijdens de testfase van het bord, en de lay-out bepaalt of dat gemakkelijk of pijnlijk is. Twee testontwerpregels:

• Leid de ring- en middenpads naar een testpunt:Bij elke schakelaarpositie worden de twee netten naar een sondepunt of een -van-spijkertestpad gebracht, zodat een vliegende-sondetest de weerstand van de schakelaar gesloten- kan meten terwijl de koepel op zijn plaats zit.
• Sta een koepel-verwijderde continuïteitstest toe: 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 bij 5V.

Het gesloten-contactweerstandsdoel voor een koepelschakelaar ligt doorgaans onder de 100 mΩ bij de nominale stroom (vaak 10 mA bij 5 V), en de bijdrage van de lay-out is de padafwerking en de spoorweerstand. Een lang, dun spoor naar de schakelaar zorgt voor weerstand; voor programma's met hoge-stroom of lange-levensduur worden de ring- en middennetten in bredere sporen geleid of gedupliceerd om de serieweerstand te verminderen.

ESD en lay-outbescherming

Koepelschakelaars bevinden zich op naar de gebruiker-gerichte oppervlakken, wat betekent dat ze elektrostatische ontlading waarnemen. De lay-out beschermt de schakelaar en het stroomafwaartse circuit met de standaard toolkit: de serieweerstand en TVS op het spoor dat de schakelaar verlaat, een beschermring of aardvlak nabij het koepelgebied, en voldoende ruimte tussen de koepelkussens en aangrenzende hoogspanningsnetten. Voor capacitieve-aanraakzones op hetzelfde paneel worden de sporen van de koepelschakelaar uit de buurt van het capacitieve detectiegebied gehouden, zodat de aanraakdetectie het schakelsignaal niet oppikt.

De koepel zelf is in sommige configuraties een geaard metalen onderdeel; waar de koepel elektrisch onder spanning staat (verbonden met het ringnet), moet de lay-out het gebied van de koepel uit de buurt van blootgestelde randen houden en het schakelnet met dezelfde ESD-bescherming geleiden als elke voor de gebruiker-toegankelijke ingang.

Domegrootte en pitchselectie voor array-indelingen

Voor dome-arrays en multi-schakelaarborden strekt de vraag over de lay-out zich uit van een enkele padset tot de toonhoogte en isolatie tussen schakelaars. De minimale afstand tussen twee koepelposities wordt bepaald door de diameter van de koepel plus de ringpadverlenging plus de trace-routingruimte tussen de pads: een koepel van 5 mm heeft doorgaans een hartafstand van 7-8 mm-tot-hartafstand nodig met enkel-laaggeleiding, strakker met micro-via of dubbellaagse flex. Wanneer de array als een enkel koepelblad wordt geplaatst, wordt de steek vastgelegd door het gereedschap van het koepelblad en moet de PCB-indeling exact overeenkomen met de padposities van het blad, zodat de plaattekening en de bordindeling samen worden vrijgegeven.

Isolatie tussen aangrenzende schakelaars is een tweede risicopunt: de ringkussens van aangrenzende koepels bevinden zich dicht bij elkaar met een kleine onderlinge afstand, en een soldeerbrug of galvaniseringsbrug tussen twee ringnetten sluit de schakelaars kort. De lay-out houdt een duidelijke isolatieopening tussen de twee ringkussens en leidt de twee netten uit elkaar op de onderliggende laag, en de open-weerstandstest in de bordfase verifieert de isolatie. Voor arrays die zowel koepels als sporen op dezelfde drager vervoeren, wordt de spoorindeling onder het koepelgebied uit de buurt van de contactring gehouden, zodat het doorbreken van de koepel- geen spoor kan raken en kortsluiting kan veroorzaken in een onbedoeld net.

Verificatie van de krachtcurve op bordniveau

De elektrische lay-out is slechts de helft van de prestaties van de koepelschakelaar; de tastkracht wordt bepaald door de koepel en de overlay, en het bord draagt ​​bij aan de vlakheid van het kussen en de ondersteuning onder de koepel. Twee details op bord-niveau beïnvloeden de krachtmeting. De eerste is de padhoogte: een dik soldeermasker of een verhoogde galvanisatiebobbel onder de koepel verandert de verplaatsing en de waargenomen kracht. Het masker wordt verwijderd of verdund onder het koepelgebied waar de voetafdruk van de leverancier dit vereist, en de soldeermaskeropening wordt naar de maskerlaag van de voetafdruk getrokken, en niet als standaard gelaten. De tweede is de ondersteuning onder de koepel: op een dun board of een flex heeft het gebied van de koepel een steunpad of een versteviger daarachter nodig, zodat de activeringsenergie naar de koepel gaat in plaats van naar de flex van het board. De krachtcurve wordt geverifieerd met een krachtmeter op het gevulde bord met de daadwerkelijke overlay, en de gemeten curve wordt vergeleken met de curve van de koepeldatasheet voordat het ontwerp wordt vrijgegeven voor productie.

Deze twee controles - vlakheid van het kussen en stijfheid van de steun - vangen de meerderheid van de "de koepel voelt verkeerd"-klachten op die een elektrisch correcte lay-out overleven.

Lay-outchecklist vóór vrijgave

Met de volgende checklist worden de meeste defecten in de lay-out van de koepelschakelaar opgespoord voordat het bord wordt vrijgegeven voor productie:

• Het middenkussen en het ringvormige ringkussen komen overeen met de voetafdruk van de leverancier voor de exacte koepelgrootte.
• Ruimte tussen de pads binnen 0,3-0,5 mm, zonder openingen voor soldeer- of galvaniseringsmaskers die een brug kunnen vormen.
• Padafwerking is ENIG (of de gespecificeerde contactafwerking); soldeerpasta uitgesloten van het contactgebied van de koepel.
• Plaatsingsdatum van de koepel gemarkeerd en uitlijningstolerantie vermeld op de tekening.
• Beide schakelnetten worden naar een testpunt geleid met een gedefinieerde open/gesloten weerstandsspecificatie.
• ESD-beschermingscomponenten op de schakelnetten geplaatst en schakelsporen vrij van capacitieve gebieden.
• De temperatuur van de koepel wordt gecontroleerd aan de hand van alle verwarmingscycli van de plaat.

Shanyo (merk Shanyo, Qingdao Shanyuan Precision Electronics) levert metalen koepels,koepel schakelaarcomponenten enkoepelplaatarraysmet voetafdruktekeningen en lay-outondersteuning voor elke koepelgrootte, en het technische team beoordeelt op verzoek de lay-outs van de klant. Voor nieuwe programma's worden de voetafdruktekening en het advies voor de afwerking van de pad bij de offerte van de koepel meegeleverd, zodat de PCB-indeling en het onderdeel de eerste keer uitgelijnd aankomen.