Designleitfaden für Metallkuppel-Leiterplattenpads und Layout: Footprints, Lötbarkeit und elektrische Überprüfung

Metallkuppelschalter sind mechanisch einfach und elektrisch anspruchsvoll. Die Kuppel ist eine Edelstahlscheibe, die bei Erreichen der Betätigungskraft durch die Mitte schnappt und den Stromkreis zwischen einem Mittelpad und einem ringförmigen Ringpad auf der Leiterplatte schließt. Die Haptik und die Kontaktzuverlässigkeit werden sowohl vom PCB-Layout als auch vom Dome selbst bestimmt. Stellen Sie die Pad-Geometrie richtig ein und der Schalter entspricht den Kraft- und Lebensdauerdaten im Datenblatt. Wenn Sie es falsch machen, verliert die gleiche Kuppel an Widerstand, verschleißt ihre Beschichtung oder fällt zeitweise aus, lange bevor die Nennlebensdauer erreicht ist. Dieser Leitfaden sammelt die Layoutregeln, die tatsächlich wichtig sind, basierend auf Produktionserfahrungen in Verbraucher-, Industrie- und Automobilprogrammen.

Pad-Geometrie: Die Zwei-Pad-Architektur

Der standardmäßige Kuppelkontakt verwendet zwei Pads auf der Leiterplatte: ein mittleres Pad und ein ringförmiges Ringpad, das es umgibt und durch einen Spalt im Kupfer getrennt ist. Wenn die Kuppel durchschnappt, überbrückt ihr Kontaktring die Lücke und verbindet die beiden Pads. Drei Dimensionen definieren die Geometrie und jede hat einen Arbeitsbereich:

• Durchmesser des Mittelpolsters:typischerweise 50-70 % des Kontaktringdurchmessers der Kuppel. Wenn das mittlere Pad zu groß ist, kann der äußere Ring der Kuppel es direkt berühren und den Schalter dauerhaft schließen; Wenn es zu klein ist, sitzt der Kuppelkontakt möglicherweise nicht zuverlässig oder die Pad-Fläche für die Löt-/Beschichtungsoberfläche reicht nicht aus.
• Ringpolster:Die Breite des äußeren Pads beträgt typischerweise 0,4 bis 0,8 mm Kupfer und ist so dimensioniert, dass es den Kontaktpunkt des Kuppelrings und das Routing-Via oder die Leiterbahn vom Schalter weg trägt. Der Ring sollte um das Mittelpolster herum durchgehend und nicht segmentiert sein, damit die Kuppel unabhängig von ihrer Drehposition das gleiche Stromnetz berührt.
• Abstand zwischen den Pads:0,3–0,5 mm ist der Arbeitsbereich für die meisten Kuppelgrößen. Ein zu großer Spalt verringert die Kontaktfläche und erhöht den Kontaktwiderstand; Bei einem zu schmalen Spalt besteht die Gefahr einer Lötbrücke oder einer Plattierungsbrücke über den Pads, die den Schalter kurzschließt.

Der Kuppeldurchmesser bestimmt die absoluten Zahlen: Eine 5-mm-Kuppel verwendet ein Mittelpolster von etwa 2,2–2,6 mm und einen Ring mit einem Außendurchmesser von 3,6–4,2 mm; Eine 12-mm-Kuppel skaliert proportional. Fordern Sie im Zweifelsfall die Grundrisszeichnung des Kuppellieferanten für die spezifische Kuppelgröße an, anstatt von einer anderen Größe zu extrapolieren.

Oberflächenbeschaffenheit: Die Kontaktschnittstelle

Der Kuppelkontakt wischt die Oberfläche des Pads bei jeder Betätigung ab, sodass die Oberfläche des Pads den Trend des Kontaktwiderstands über die Lebensdauer bestimmt. Die praktischen Optionen, in der Reihenfolge ihrer Leistung für Kuppelanwendungen:

• ENIG (chemisches Nickel-Immersionsgold):die Standardwahl für Kuppelschalterpads. Die Nickelbarriere stoppt die Kupfermigration und die dünne Goldschicht sorgt für eine stabile Kontaktoberfläche mit geringem Widerstand, die dem Betätigungsbudget standhält. Typische ENIG-Golddicke 0,05–0,1 µm über 3–6 µm Nickel.
• Tauchsilber:eine Alternative für kostensensible-Boards; Die silberne Oberfläche stellt eine gute Kontaktschnittstelle dar, läuft jedoch in feuchten Umgebungen schneller an und eignet sich daher für versiegelte oder trockene Anwendungen.
• HASL:nicht für Dome-Pads empfohlen. Die Lötoberfläche ist uneben und der Kuppelkontakt kann an den Spitzen hängen bleiben, wodurch sich das Betätigungskraftgefühl und der Kontaktwiderstand verändern.
• OSP:Verwendbar für Anwendungen mit geringer-Lebensdauer und niedrigen-Kosten, bei denen die Platine nach der Platzierung der Kuppel gelötet wird, die organische Beschichtung die Kontaktoberfläche jedoch nicht so schützt wie eine Metalloberfläche und die Widerstandsdrift über die Lebensdauer höher ist.

Für Automobil- und Medizinprogramme, bei denen Lebensdauer und Widerstandsfähigkeit angegeben sind, ist ENIG die Standardeinstellung und die Beschichtung wird mit dem ersten -Artikel überprüft. Das Pad-Finish interagiert auch mit der Kuppelbeschichtung: Eine vergoldete -beschichtete Kuppel auf einem ENIG-Pad ist die stabilste Kombination, während eine versilberte-beschichtete Kuppel auf einem Immersions-Silberpad die kostenoptimierte-paarung für versiegelte Module darstellt.

Platzierung und Ausrichtung des Fußabdrucks

Die Ausrichtung zwischen der Kuppel und den Pads ist die häufigste Ursache für Beschwerden über die Schalterleistung. Die Kuppel muss konzentrisch zum Polstersatz sitzen; Eine um nur 0,2 mm versetzte Kuppel verändert die Kraftkurve und kann den Kontaktring von der ringförmigen Unterlage bewegen. Drei Regeln halten die Ausrichtung unter Kontrolle:

• Verwenden Sie die Footprint-Ebene des Kuppellieferanten:Platzieren Sie die Pads anhand der vom Lieferanten empfohlenen Grundfläche für die exakte Kuppelgröße, nicht anhand eines generischen Schaltersymbols. Die Pad-Koordinaten im Footprint werden zum Kontaktring der Kuppel gemessen.
• Definieren Sie das Platzierungsdatum der Kuppel:Bei der manuellen -platzierten oder halb-automatischen Platzierung sollte der Leiterplatten-Siebdruck den Kuppelumriss oder ein Mittelkreuz markieren. Für die automatisierte Platzierung verwendet das Pick-{2}}and--Programm denselben Bezugspunkt, der die Pads lokalisiert.
• Ausrichtung beim ersten Artikel prüfen:Die erste Platine wird durch eine transparente Kuppel (oder bei abgenommener Kuppel) geröntgt oder einer Sichtprüfung unterzogen, um zu bestätigen, dass der Kuppelring innerhalb der Toleranz des Lieferanten auf der ringförmigen Unterlage sitzt, typischerweise ±0,15 mm oder enger bei kleinen Kuppeln.

Bei Kuppelarrays auf einem Träger wird die Ausrichtung durch die Array-Werkzeuge und nicht durch die individuelle Platzierung definiert, und die Array-Zeichnung gibt die Toleranz zwischen Pad{0}}zur-Kuppelposition an, mit der das PCB-Layout übereinstimmen muss.

Lötbarkeit und die Platzierungsreihenfolge

Die Kuppel wird fast nie im herkömmlichen Sinne gelötet; Es wird von der Auflage oder einem Träger gehalten, wobei der Leiterplattenkontakt die elektrische Arbeit übernimmt. Die anderen Komponenten der Leiterplatte werden jedoch immer noch einem Reflow-Verfahren unterzogen, und bei den Dome-Pads bestehen zwei mit dem Löten- verbundene Risiken. Die erste ist die Dochtwirkung des Lots auf die Pad-Oberfläche: Wenn sich Lotpaste auf dem ringförmigen Ring oder dem mittleren Pad ausbreitet, kommt die Kuppel mit dem Lot in Kontakt und nicht mit der Oberfläche, wodurch sich die Kontaktschnittstelle verändert und ein erhöhter Punkt entstehen kann, der die Betätigungskraft verändert. Die Regel besteht darin, die Lötpaste vom Kontaktbereich der Kuppel fernzuhalten: Maskieren Sie die Pads oder verwenden Sie einen Pastenschritt, der die Paste nur auf Nicht-Kuppelflächen druckt. Der zweite Grund sind Flussmittelrückstände: Auf den Pads verbliebene Reflow-Flussmittel bilden einen Film, der den Kontaktwiderstand erhöht. Beim Aufsetzen der Kuppel vor der endgültigen Montage wird ein Reinigungsschritt oder ein No-Clean-Flussmittel angegeben, das für geringe Rückstände ausgewählt wird.

Auch die Platzierungsreihenfolge ist wichtig. Wenn die Kuppel platziert wird, bevor die Platine einen zweiten Wärmezyklus durchläuft (z. B. ein Steckverbinder-Reflow), muss die Kuppel dieser Temperatur standhalten, ohne sich zu verformen. Die meisten Edelstahldome tolerieren einen zusätzlichen Reflow; Die Kuppeltemperaturbewertung des Lieferanten sollte überprüft werden, wenn die Platine über mehrere Heizstufen verfügt.

Elektrische Verifizierungs- und Testpads

Jede Position des Kuppelschalters sollte im Platinenteststadium elektrisch überprüfbar sein, und das Layout entscheidet darüber, ob das einfach oder mühsam ist. Zwei Testdesignregeln:

• Verlegen Sie die Ring- und Mittelpolster zu einem Testpunkt:Bei jeder Schalterposition werden die beiden Netze zu einem Sondenpunkt oder einem Nagelbett-Testpad geführt, sodass ein fliegender Sondentest den Widerstand bei geschlossenem Schalter-bei angebrachter Kuppel messen kann.
• Dome zulassen-Kontinuitätstest entfernt: 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 MΩ bei 5 V.

Der angestrebte Kontaktwiderstand im geschlossenen-Widerstand für einen Kuppelschalter liegt typischerweise unter 100 mΩ bei Nennstrom (häufig 10 mA bei 5 V), und der Beitrag des Layouts ist die Beschaffenheit der Kontaktflächen und der Leiterbahnwiderstand. Eine lange, dünne Leiterbahn zum Schalter erhöht den Widerstand; Für Programme mit hohem-Strom oder langer-Lebensdauer werden die Ring- und Mittelnetze in breiteren Leiterbahnen verlegt oder dupliziert, um den Serienwiderstand zu verringern.

ESD- und Layoutschutz

Kuppelschalter befinden sich auf Oberflächen, die dem Benutzer-zugewandt sind, was bedeutet, dass sie einer elektrostatischen Entladung ausgesetzt sind. Das Layout schützt den Schalter und den nachgeschalteten Stromkreis mit dem Standardwerkzeugsatz: dem Vorwiderstand und dem TVS auf der Leiterbahn, die den Schalter verlässt, einem Schutzring oder einer Erdungsebene in der Nähe des Kuppelbereichs und ausreichend Abstand zwischen den Kuppelpads und benachbarten Hochspannungsnetzen. Bei kapazitiven-Touch-Begleitzonen auf demselben Bedienfeld werden die Leiterbahnen des Kuppelschalters vom kapazitiven Erfassungsbereich ferngehalten, sodass die Berührungserfassung das Schaltersignal nicht erfasst.

Die Kuppel selbst ist in einigen Konfigurationen ein geerdetes Metallteil; Wenn die Kuppel unter Spannung steht (mit dem Ringnetz verbunden), muss die Anordnung den Kuppelbereich von freiliegenden Kanten fernhalten und das Schaltnetz mit dem gleichen ESD-Schutz verlegen wie jeder vom Benutzer zugängliche Eingang.

Auswahl der Kuppelgröße und -neigung für Array-Layouts

Bei Dome-Arrays und Platinen mit mehreren{0}}Schaltern reicht die Frage des Layouts von einem einzelnen Pad-Satz bis hin zum Abstand und der Isolierung zwischen den Schaltern. Der minimale Abstand zwischen zwei Kuppelpositionen wird durch den Kuppeldurchmesser plus der Ringpad-Verlängerung plus dem Leiterbahnführungsraum zwischen den Pads festgelegt: Eine 5-mm-Kuppel benötigt normalerweise 7-8 mm Mittelpunkt-zu-Mittenabstand bei einschichtiger Verlegung, enger bei Mikro--Durchkontaktierung oder zweischichtigem Flex. Wenn das Array als einzelnes Kuppelblech platziert wird, wird der Abstand durch die Kuppelblechwerkzeuge festgelegt und das PCB-Layout muss genau mit den Pad-Positionen des Blechs übereinstimmen, sodass die Blechzeichnung und das Platinenlayout zusammen freigegeben werden.

Die Isolierung zwischen benachbarten Schaltern ist ein zweiter Risikopunkt: Die Ringpads benachbarter Kuppeln liegen eng beieinander und eine Lötbrücke oder Galvanisierungsbrücke zwischen zwei Ringnetzen führt zu einem Kurzschluss der Schalter. Das Layout sorgt für eine klare Isolationslücke zwischen den beiden Ringpads und führt die beiden Netze auf der darunter liegenden Schicht auseinander, und der offene -Widerstandstest auf der Platinenstufe überprüft die Isolation. Bei Arrays, die sowohl Kuppeln als auch Leiterbahnen auf demselben Träger tragen, wird die Leiterbahnanordnung unter dem Kuppelbereich vom Kontaktring ferngehalten, sodass der Schnappverschluss der Kuppel nicht auf eine Leiterbahn treffen und zu einem unbeabsichtigten Netz kurzschließen kann.

Überprüfung der Kraftkurve auf Platinenebene

Der elektrische Aufbau entspricht nur der Hälfte der Leistung des Kuppelschalters; Die taktile Kraft wird durch die Kuppel und die Auflage bestimmt, und die Platte trägt zur Ebenheit der Unterlage und zur Unterstützung unter der Kuppel bei. Zwei Details auf Platinenebene wirken sich auf die Kraftmessung aus. Die erste ist die Pad-Höhe: Eine dicke Lötmaske oder ein erhöhter Plattierungshöcker unter der Kuppel verändert den Weg und die wahrgenommene Kraft. Die Maske wird unter dem Kuppelbereich dort entfernt oder ausgedünnt, wo der Zulieferer-Footprint dies erfordert, und die Lötmaskenöffnung wird auf die Maskenebene des Footprints gezeichnet und nicht als Standard beibehalten. Das zweite ist die Stütze unter der Kuppel: Bei einem dünnen Board oder einem Flex benötigt der Kuppelbereich ein Stützpolster oder eine Versteifung dahinter, sodass die Betätigungsenergie in den Kuppelschnapper und nicht in die Flexplatte des Boards fließt. Die Kraftkurve wird mit einem Kraftmessgerät auf der bestückten Platine mit der tatsächlichen Auflage überprüft und die gemessene Kurve wird mit der Kurve im Datenblatt der Kuppel verglichen, bevor das Design für die Produktion freigegeben wird.

Diese beiden Prüfungen - Ebenheit des Polsters und Steifigkeit der Stütze - erfassen die meisten Beschwerden „Die Kuppel fühlt sich falsch an“, die trotz einer elektrisch korrekten Anordnung auftreten.

Layout-Checkliste vor der Veröffentlichung

Mit der folgenden Checkliste werden die meisten Fehler bei der Anordnung von Kuppelschaltern erfasst, bevor die Platine zur Fertigung freigegeben wird:

• Mittelpolster und ringförmiges Ringpolster entsprechen der Grundfläche des Lieferanten für die exakte Kuppelgröße.
• Abstand zwischen den Pads innerhalb von 0,3–0,5 mm, ohne Löt- oder Galvanisierungsmaskenöffnungen, die überbrücken könnten.
• Die Pad-Oberfläche ist ENIG (oder die angegebene Kontaktoberfläche); Lötpaste aus dem Kontaktbereich der Kuppel ausgeschlossen.
• In der Zeichnung sind der Bezugspunkt für die Platzierung der Kuppel und die Ausrichtungstoleranz angegeben.
• Beide Schaltnetze sind zu einem Testpunkt mit einer definierten Offen-/Geschlossen-Widerstandsspezifikation geführt.
• Auf den Schaltnetzen platzierte ESD-Schutzkomponenten und Schaltleiterbahnen frei von kapazitiven Bereichen.
• Die Temperaturbewertung der Kuppel wurde anhand aller Platinen-Wärmezyklen überprüft.

Shanyo (Marke Shanyo, Qingdao Shanyuan Precision Electronics) liefert Metallkuppeln,KuppelschalterKomponenten undKuppelblattanordnungenmit Grundrisszeichnungen und Layoutunterstützung für jede Kuppelgröße, und das Technikteam überprüft Kundenlayouts auf Anfrage. Bei neuen Programmen sind die Footprint-Zeichnung und die Empfehlung zur Pad-Oberfläche im Dome-Angebot enthalten, sodass das PCB-Layout und die Komponente gleich beim ersten Mal ausgerichtet ankommen.