Perusteellinen katsaus näppäimistön piirilevyteknologiaan

esittely

Piirilevyt ovat olennaisia ​​komponentteja kaikissa elektronisissa kosketinsoittimissa tietokoneen koskettimista musiikkisoittimiin. Ne tarjoavat perustan eri kytkimien, antureiden, ohjaimien ja muiden näppäimistöjärjestelmän muodostavien komponenttien asentamiselle ja liittämiselle. PCB muuntaa käyttäjän näppäinpainallukset vastaaviksi tulosignaaleiksi liitettyyn laitteeseen.

Tämä artikkeli tarjoaa kattavan yleiskatsauksen näppäimistön PCB-tekniikan eri näkökohdista. Se kattaa erityyppiset näppäimistön piirilevyt, kriittiset suunnittelunäkökohdat, valmistusmenetelmät, materiaalivalinnat ja komponentit, jotka liittyvät luotettavien ja toimivien näppäimistön piirilevyjen rakentamiseen tiettyihin sovelluksiin. Tavoitteena on antaa suunnittelijoille syvällinen tietämys näppäimistön piirilevyteknologian tehokkaasta sisällyttämisestä elektroniikkatuotteisiin.

Mikä on näppäimistön PCB?

Näppäimistön piirilevyllä tarkoitetaan piirilevykokoonpanoa, joka toimii elektronisen näppäimistölaitteen perustana. Piirilevy sisältää ja yhdistää kaikki kytkimet, anturit, mikro-ohjaimet, liittimet ja muut aktiiviset/passiiviset komponentit, jotka muodostavat näppäimistöjärjestelmän.

Kun käyttäjä painaa näppäimistön näppäintä, se aktivoi vastaavan kytkimen, joka on asennettu alla olevaan piirilevyyn. Näppäimistön ohjauselektroniikka havaitsee kytkimen sulkeutumisen ja muuntaa asianmukaisiksi tulosignaaleiksi, jotka välitetään kytkettyyn isäntäjärjestelmään, johon näppäimistö on liitetty.

Näppäimistön piirilevyjä valmistetaan useissa eri kokoisissa ja asetteluissa riippuen näppäimistösovelluksen tyypistä ja vaadituista muototekijöistä. Täysikokoiset tietokoneen näppäimistön piirilevyt sopivat yli 100 näppäimelle, kun taas pienikokoisissa mobiilinäppäimistön PCB:issä voi olla alle 40 näppäintä pienemmillä jalanjäljillä.

Näppäimistön PCB-parametrit

Näppäimistön piirilevyjen tyypit

Eri sovelluksiin räätälöityjä näppäimistön piirilevyjä on useita tyyppejä:

Mekaanisen näppäimistön piirilevy – Käytetään mekaanisissa näppäimistöissä, joissa käytetään erillisiä fyysisiä kytkimiä kullekin näppäimelle kumikupolien sijaan. Tämä mahdollistaa räätälöityjen kytkintyyppien käytön paremman tuntopalautteen saamiseksi.

Pelinäppäimistön piirilevy – Optimoitu pelaamiseen ominaisuuksilla, kuten ohjelmoitavilla RGB-taustavaloalueilla, makronäppäimillä ja haamukuvan estävillä kytkinmatriiseilla.

Kannettavan tietokoneen näppäimistön piirilevy – Kompakti, ohut ja suunniteltu integroitavaksi ahtaisiin kannettavien tietokoneiden ja läppäreiden koteloihin.

Ergonominen näppäimistön piirilevy – Ergonomisesti muotoillut asettelut mahdollistavat ranteen luonnollisen asennon ja kirjoitusliikkeen väsymyksen vähentämiseksi.

Joustava näppäimistöpiirilevy – Valmistettu ohuille, joustaville alustoille, jotka mahdollistavat näppäimistön rullaamisen/taivuttamisen, mikä tekee niistä ihanteellisia kannettaviin sovelluksiin.

Langattoman näppäimistön piirilevy – Sisäänrakennettu langaton yhteys, kuten Bluetooth, mahdollistaa yhteyden muodostamisen isäntälaitteisiin ilman fyysisiä kaapeleita.

Numeronäppäimistön piirilevy – Sisältää vain numeronäppäimistöosan talous-/myyntipistesovelluksiin, jotka vaativat numeerista tiedonsyöttöä.

Multimedianäppäimistön piirilevy – Siinä on omat näppäimet multimediasovellusten ohjaamiseen, kuten toisto/tauko, äänenvoimakkuuden säätö jne.

Valinta riippuu muototekijän, toiminnallisuuden, käyttöliittymän ja käyttöympäristön tarpeista.

Näppäimistön piirilevyjen suunnitteluun liittyviä näkökohtia

Useita avaintekijöitä on otettava huomioon suunniteltaessa optimaalista näppäimistön piirilevyä:

• Koko ja asettelu – Näppäimistön koon ja näppäinasettelun on vastattava ergonomisia, muototekijöitä ja sovellusvaatimuksia.
• Kytkimen tyyppi – On valittava oikea mekaaninen kytkintyyppi, joka antaa halutun kosketuspalautteen, voimaprofiilin ja kuuluvan naksahduksen.
• Vaihda matriisiasettelua – Optimaalinen kytkinmatriisireititys minimoi haamukuvat ja vähentää johdotuksen monimutkaisuutta.
• liitäntä – langallisen (PS/2, USB) tai langatonta (Bluetooth, RF) näppäimistöliitäntätekniikkaa.
• Taustavalo – Avainkohtaisen RGB:n sisällyttäminen LED taustavalo valaistukseen ja estetiikkaan.
• Sisäänrakennetut ohjaimet – Mikrokontrolleriominaisuudet näppäimistön tilan, taustavalon, makrojen jne. hallintaan.
• EMI-suojaus – Mukana maadoitettuja suojakoteloita ja tiivisteitä sähkömagneettisten häiriöiden vähentämiseksi.
• Räätälöinti – Tuki kytkimien vaihtamiselle, vaihtoehtoisille näppäimille ja käyttäjän ohjelmoitavuudelle.

Näiden parametrien huolellinen harkinta johtaa näppäimistön piirilevyyn, joka on räätälöity optimaalisesti aiottua sovellusta ja käyttövaatimuksia varten.

Näppäimistön piirilevyissä käytetyt mekaaniset kytkimet

 

Mekaanisissa näppäimistöissä käytetään yksittäisiä fyysisiä kytkimiä kunkin näppäimistön alla, toisin kuin halvempien näppäimistöjen kumikupukalvot. Näitä kytkimiä on eri tyyppejä, jotka tarjoavat erilaisia ​​kosketusreaktioita ja äänimerkkejä. Yleiset mekaaniset kytkimet koostuvat:

• Kevät – Palauttaa avaimen lepoasentoon painamisen jälkeen. Jousivoima määrittää avaimen vastuksen tai käyttövoiman.
• Varsi – Näppäinsuojukseen kiinnitetty liikkuva osa, joka liukuu ylös/alas sähköisen kosketuksen muodostamiseksi ja katkaisemiseksi.
• Lehti kevät – Muodostaa liikkuvan kosketuksen karaan täydentääkseen sähköisen kytkentäpiirin.
• Kotelo – Pitää kytkimen osat yhdessä ja tarjoaa mekaanista vakautta.
• Yhteystiedot – Piirilevyn kiinteät tyynyt, joihin liikkuvat koskettimet kytkeytyvät, kun kytkin sulkeutuu.

Vaihtelemalla mekaanisen kytkimen sisäisiä komponentteja voidaan luoda erilaisia ​​voimaprofiileja kevyestä ja lineaarisesta raskaaseen ja napsahtaviin toimiin.

Mekaaniset kytkintyypit näppäimistön piirilevyille

Näppäimistön piirilevyihin mahtuu erilaisia ​​mekaanisia näppäinkytkimiä. Pääluokat ovat:

Lineaarikytkimet – Sujuva lineaarinen liike ilman tuntuvia töyssyjä tai napsautuksia käyttökohdassa. Suosittuja vaihtoehtoja ovat Cherry MX Red, Black, Silver, Nature White jne.

Taktiiliset kytkimet – Tuntokahvassa on napsahdus, mutta ei kuuluvaa naksahdusta tai ääntä käyttökohdassa. Esimerkkejä kytkimistä ovat Cherry MX Brown, Clear, Grey ja Nature White.

Napsahduskytkimet – Niissä on sekä tuntuva napsahdus että selkeästi kuuluva napsahdus painettaessa. Yleisiä napsahduskytkimiä ovat Cherry MX Blue, Green, Nature White ja Kailh Box White.

Hiljaiset kytkimet – Suunniteltu tuottamaan minimoi melua jopa täydellä painella käytön jälkeen. Hyödyllinen avokonttoreissa. Cherry MX Silent Red/Black ovat suosittuja hiljaisia ​​lineaarikytkimiä.

Eri käyttäjät suosivat tiettyjä avainkytkintyyppejä halutun tunteen, äänen ja kirjoituskokemuksen perusteella. Näppäimistön piirilevyt voidaan suunnitella toimimaan useiden saatavilla olevien erikoismekaanisten kytkimien kanssa.

Näppäimistöpiirilevyissä käytetyt mekaaniset kytkimien asennustyylit

Mekaanisia kytkimiä on kahta suuntaustayyliä – 3-nastainen ja 5-nastainen – jotka määräävät, kuinka ne liittyvät piirilevyyn:

3-nastaiset kytkimet – Niissä on kaksi nastaa sähkökontakteille ja yksi kiinnitystä varten. Vakauden takaamiseksi tarvitaan lisälevytukea tai paksumpia piirilevyjä.

5-nastaiset kytkimet – Kaksi ylimääräistä muovista ohjaustappia takaavat kohdistuksen ja vakauden, kun ne juotetaan suoraan piirilevyyn ilman levyä.

Levylle asennetuissa näppäimistöissä kumpi tahansa tyyppi toimii, koska levy tukee mekaanista tukea. Kuumalla vaihdettavat piirilevyt toimivat yleensä vain 3-nastaisten kytkimien kanssa.

Ylimääräiset nastat voidaan leikata irti, jos 5-nastaista kytkintä käytetään 3-nastaisessa näppäimistön PCB-sovelluksessa. Suunta ei vaikuta kytkimen sähköisiin tai tuntoominaisuuksiin.

Levyjen rooli näppäimistön piirilevyissä

Levyt ovat metalli- (alumiini, teräs) tai muovilevyjä (polykarbonaatti, akryyli), jotka asennetaan piirilevyn yläpuolelle ja kytkimien alle:

• Niissä on aukot, joista jokainen avainkytkin työntyy läpi, kun ne on kiinnitetty levyyn.
• Levyt tarjoavat rakenteellista jäykkyyttä ja kestävyyttä kytkimen muodonmuutoksia vastaan ​​voimakkaassa puristuksessa.
• Ne varmistavat kytkimien kohdistuksen ja välien yhdenmukaisuuden näppäimistössä.
• Levyt vähentävät näppäimistön joustavuutta ja parantavat kirjoitustuntumaa.

Levyt ovat pakollisia mekaanisen eheyden vuoksi levyasennetuissa kytkinnäppäimistöissä. Jotkin piirilevyyn asennetut näppäimistöt voivat valinnaisesti jättää pois levyt kustannusten ja paksuuden vähentämiseksi.

Mukautetun näppäimistön piirilevyn rakentaminen

Elektroniikka-harrastajat voivat suunnitella ja rakentaa omia mukautettuja näppäimistön piirilevyjä:

Kaaviosuunnittelu – Luo näppäimistöpiirikaavio komponenteilla, kuten mikrokontrolleri, kytkimet, LEDit jne.

Piirilevyn asettelu – Suunnittele fyysinen piirilevy komponenttien asettelun ja kytkinmatriisin määrittelyn avulla.

Laiteohjelmistokoodi – Kirjoita mikrokontrollerin laiteohjelmistologiikka ja valaistuksen ohjauskoodi.

3D-mallinnus – Mallinna näppäimistökotelo ja -levy CAD-ohjelmistossa.

Piirilevyn valmistus – Hankimme suunnitellun piirilevyn ja komponentit.

Kokoonpano – Juota komponentit, kuten kytkimet, ohjaimet ja liittimet valmistettuun piirilevyyn.

Laiteohjelmiston flashaus – Ohjelmoi ohjauslaiteohjelmisto mikrokontrolleriin.

Testaus – Näppäimistön toimivuuden validointi ennen lopullista integrointia.

Kotelon integrointi – Kokoa näppäimistö 3D-tulostettuun tai tehdasvalmisteiseen koteloon.

Mukautetun näppäimistön rakentaminen on erittäin palkitsevaa, mutta vaatii merkittäviä suunnittelu-, koodaus- ja valmistustaitoja sekä pääsyn tarvittaviin komponenttilähteisiin ja valmistuspalveluihin.

Näppäimistön piirilevyissä käytetyt komponentit

Tärkeimmät komponentit, jotka muodostavat toimivan näppäimistön PCB-piirin, ovat:

Virtalähde – Näppäimistöt käyttävät +5 V tai +3.3 V virtaa isäntäliitännän (USB/langaton) kautta. Myös sisäänrakennettu jännitteen säätö voi olla sisällytetty.

Mikrokontrolleri – Tämä käsittelee näppäinpainalluksia, suorittaa valaistustehosteita, käsittelee langallista/langatonta tiedonsiirtoa jne. Esimerkkejä mikrokontrollereista ovat Atmega32, RP2040 ja Elite-C.

Kytkimet – Erilliset mekaaniset näppäinkytkimet tai kumikupolikytkimet, joita käytetään käyttäjän syöttöön.

Kytkindiodit – Käytetään estämään sähköisten kytkinmatriisien haamukuvaongelmia, mikä mahdollistaa useamman samanaikaisen näppäinpainalluksen.

Näppäin-LEDit – Sisäänrakennetut yksiväriset tai RGB-LEDit jokaisen näppäimen alle valaistusta ja tehosteita varten.

Vetovastukset – Käytetään luotettavaan kytkentään ja väärien aktivointien estämiseen.

ESD-suojaus – Suojaa herkkää ohjauselektroniikkaa staattisilta purkauksilta.

Suodatuskondensaattorit – Vähentää sähköisiä häiriöitä näppäimistön datalinjoissa.

Viestintäliitäntä – Langallinen liitäntä, kuten USB, tai langaton, kuten Bluetooth, isäntäyhteyttä varten.

Standardin ja mekaanisen näppäimistön piirilevyjen vertailu

Peruskalvopohjaisten näppäimistö-PCB-levyjen ja mekaanisten näppäimistön piirilevyjen välillä on joitain merkittäviä eroja:

• Vaihtomekanismi – Kalvonäppäimistöt käyttävät painettuja piirejä joustavalla kalvolla, joka taipuu painettaessa. Mekaanisissa näppäimistöissä on omat erilliset kytkimet jokaiselle näppäimelle.
• Koskettava palaute – Kalvonäppäimistöissä on vain vähän kosketuspalautetta ja pehmeä mehukas tuntu. Mekaaniset kytkimet tarjoavat tarkan kosketus- ja äänipalautteen terävällä painalluksella.
• Vaihda mukautus – Mekaaniset näppäimistöt mahdollistavat erilaisten erikoiskytkintyyppien käytön käyttäjän mieltymysten mukaan. Kalvonäppäimistöt tarjoavat minimaaliset mukautus- tai kytkinvaihtoehdot.
• Elinkaari – Yksittäiset mekaaniset kytkimet on mitoitettu yli 50 miljoonalle näppäimen painallukselle. Kalvonäppäimistöt kuluvat 5-10 miljoonan painalluksen jälkeen, mikä johtaa vioituksiin.
• Signal Processing – Kalvonäppäimistöt käyttävät passiivista kapasitiivista tunnistusmatriisia. Mekaaniset näppäimistöt käyttävät aktiivista digitaalista kytkentää, joka vaatii diodeja.
• Hinta – Mekaaniset näppäimistön piirilevyt erillisillä kytkimillä maksavat monta kertaa enemmän kuin kalvonäppäimistön piirilevykokoonpanot.

Kaiken kaikkiaan mekaaniset näppäimistöt tarjoavat erinomaisen pitkäikäisyyden, mukauttamisen ja käyttökokemuksen verrattuna kalvopohjaisiin malleihin.

Yleiset näppäimistön PCB-koot

Näppäimistön piirilevyjä on erikokoisia mukana toimitettujen näppäinten lukumäärän mukaan. Joitakin yleisiä kokoja ovat:

• 40% – Erittäin pienikokoinen muoto alfanäppäimillä ja välimerkeillä. Vaatii Fn-näppäinyhdistelmiä.
• 60% – Sisältää alfa-näppäimet, muokkaimet, nuolet, mutta puuttuu toiminto- ja navigointinäppäimet. Suosittu "pokeri" koko.
• 65% – Samanlainen kuin 60 % lisätyillä erillisillä nuolinäppäimillä. Käytetty joissakin kannettavissa tietokoneissa.
• 75% – Sisältää alfa-näppäimiä, muokkauksia ja toimintonäppäimiä, mutta ei numeronäppäimistöä.
• 80% / TKL – Tenkeyless ilman numeronäppäimistöä, mutta kaikki muut avaimet ovat mukana.
• 100% – Täysikokoinen kortti integroidulla numeronäppäimistöllä ja kaikilla näppäimillä. Yleisin PC-muoto.

Pienempiä näppäimistön PCB-kokoja käytetään maksimoimaan siirrettävyys, kun taas suurempia optimoivat tuottavuuden. Sovelluskonteksti ohjaa koon valintaa.

Näppäimistön piirilevyasettelun suunnittelu

Piirilevyasettelu järjestää komponentit ja reitittää niiden liitettävyyden toteuttaakseen näppäimistöpiirin todellisissa fyysisissä rajoituksissa:

• SIJOITUSKOMPONENTIT – Mikro-ohjain, liittimet, kytkimet ryhmitelty toiminnallisesti ja sopivasti sijoitettuna.
• MATRIX ROUTING – Optimoitu kytkinmatriisi, joka yhdistää rivejä/sarakkeita, havaitsee näppäinpainallukset luotettavasti.
• OHJAUSPIIRIT – Pienipitkät nopeat reititys MCU:lle.
• ERISTYS – Pidä meluisat digitaaliset jäljet ​​loitolla analogisista herkistä jäljistä.
• MUOTOKERROIN – Komponenttien paikat vastaavat näppäimistön ulkoisia kotelointirajoituksia.
• HUOLLETTAVUUS – Testipisteet toimivuuden vahvistamiseksi.
• VALMISTUS – Korkean tuoton levytalojen valmistusprosessit huomioitu.

Hyvin suunnitellut näppäimistön piirilevyasettelut minimoivat monimutkaisuuden ja ylikuulumisen samalla, kun ne on helppo valmistaa ja koota.

PCB-kuparin paksuuden valinta näppäimistöille

Piirilevyn kuparin paksuus riippuu vaaditusta virrankestävyydestä:

• Tavalliset näppäimistöjäljet ​​kuljettavat vain alhaisia ​​signaalitasoja, eli 1 unssia. kupari (35 μm) on tyypillinen.
• Jotkut erikoiset RGB-taustavalaistut pelinäppäimistöt käyttävät painavampia 2 unssia. kupari (70 μm) käsittelemään suurempia LED-virtoja ilman jännitehäviöitä.
• Suurin sallittu piirilevyjäljen leveys ja välys vaikuttavat myös kuparin painon valintaan.

Useimmissa tapauksissa 1 oz. kupari tarjoaa oikean tasapainon johtavuuden ja valmistettavuuden välillä näppäimistön piirilevyille niiden alhaisen tehontarpeen vuoksi.

Vaihda asennustyyliä näppäimistön piirilevyihin

Mekaaniset näppäimistökytkimet asennetaan fyysisesti piirilevyyn joko juotosliitoksilla tai hot-swap-pistorasioilla:

Juotettu – Kytkimen liittimet on juotettu suoraan piirilevyn liitäntäpisteisiin sekä sähköistä liitäntää että kytkimen mekaanista ankkuroimista varten. Tarjoaa luotettavan pysyvyyden, mutta ei ole irrotettava.

Hot-Swap-pistorasia – Pistorasian pinnirima on juotettu valmiiksi piirilevyyn, ja kytkimen nastat kytketään tähän pistorasiaan ilman juottamista. Mahdollistaa kytkimien vaihdon, mutta kannat voivat kulua toistuvien kytkentäjaksojen aikana.

Hot-swap-näppäimistöt vaativat levyn kytkimien kiinnityksen vahvistamiseksi, kun taas juotetut näppäimistöt voivat halutessaan jättää levyn pois, jos paksuus on rajoitus. Haluttu räätälöinnin joustavuus ohjaa valintaa juotettujen ja hot-swap-näppäimistön piirilevyrakenteiden välillä.

Näppäimistön PCB-levyn materiaalin valinta

Näppäimistön piirilevyihin asennetut levyt on tyypillisesti rakennettu käyttämällä:

Alumiini – Yleisin näppäimistölevyn materiaali. Tarjoaa jäykkyyttä alhaisella painolla. CNC-koneistettu suurella tarkkuudella. Voidaan anodisoida eri väreihin. Minimaaliset kustannukset.

Ruostumaton teräs – Tarjoaa suurimman mekaanisen jäykkyyden, mutta on painavampaa. Vähäinen korroosio ja joitakin esteettisiä mukautusmahdollisuuksia, kuten maalitäytteet.

Messinkilevy – Messinkilevyt tunnetaan pehmeämmästä pohjasta ulospäin suuntautuvasta tuntumastaan, joka tarjoaa hienovaraisen iskunvaimennusvaikutuksen. Ne tuottavat matalamman äänen verrattuna alumiinilevyihin ja niitä käytetään usein äänenvaimennustarkoituksiin. Messinkilevyt voivat lisätä koskettimiston painoa tiheytensä vuoksi.

Hiilikuitu – Erittäin kevyt ja jäykkä vaihtoehto. Visuaalisesti houkutteleva kudotulla viimeistelyllä. Maksaa huomattavasti enemmän kuin alumiini.

Akryyli – Edullinen muovivaihtoehto. Mahdollistaa reunavalojen ohjaimet yhdessä hehkuvien LEDien kanssa. Suurempi joustavuus kuin metallilevyillä.

FR4-levy – FR4-levyjä valitaan usein edullisiin koskettimiin niiden edullisuuden vuoksi. Ne tarjoavat selkeän ääniprofiilin ja syvemmän sävyn alumiinilevyihin verrattuna. On kuitenkin syytä huomata, että FR4-levyillä on taipumus vaimentaa koskettimien yleistä ääntä, mikä voi heikentää niiden eloisuutta.

Akryylilevy – Akryylilevyjä ei yleensä suositella, elleivät ne ole riittävän paksuja. Ohuilla akryylilevyillä on halkeilun tai särkymisen riski. Paksummat akryylilevyt voivat tuottaa syvemmän ääniprofiilin, joka on samanlainen kuin muut muovilevyt.

Polykarbonaatti – Toinen muovivaihtoehto, jolla on hyvä kestävyys ja läpinäkyvyys valaistustehosteisiin. Antaa kohtalaisen tuntopalautteen.

Haluttu rakenteellinen jäykkyys, paino, kestävyys, hinta ja kosmeettiset mieltymykset ohjaavat levymateriaalin valintaa näppäimistön piirilevyä suunniteltaessa.

Kayboard PCB:n tuotantoprosessi

Näppäimistön PCB:n testaus

Paketti näppäimistön PCB

Yhteenveto

Näppäimistö PCB:t sisältävät monenlaisia ​​teknologioita, jotka on räätälöity laajaan sovellustilaan, joka kattaa kuluttaja-, teollisuus- ja markkinaraon. Tämä artikkeli tarjoaa kokonaisvaltaisen yleiskatsauksen erilaisiin näkökohtiin, jotka liittyvät asiayhteyteen liittyviin vaatimuksiin perustuvien optimoitujen näppäimistön piirilevyjärjestelmien suunnitteluun.

Ymmärtämällä näppäimistön piirilevymateriaalien , mekaanisten kytkimien valintojen, asettelu- ja reititystekijöiden, mikrokontrollerin ominaisuuksien, liitäntävaihtoehtojen ja käyttöympäristöjen väliset keskinäiset riippuvuussuhteet, suunnitteluinsinöörit voivat tehdä harkittuja valintoja luodakseen mukautettavia, tehokkaita ja luotettavia näppäimistötoteutuksia.