Un aperçu approfondi de la technologie des PCB pour clavier

Introduction

Les PCB font partie intégrante de tous les claviers électroniques, des claviers d'ordinateur aux instruments de musique. Ils constituent la base du montage et de l'interconnexion des différents commutateurs, capteurs, contrôleurs et autres composants qui composent le système de clavier. Le PCB traduit les pressions sur les touches de l’utilisateur en signaux d’entrée correspondants à l’appareil connecté.

Cet article fournit un aperçu complet des différents aspects de la technologie des PCB pour clavier. Il couvre les différents types de PCB de clavier, les considérations critiques de conception, les approches de fabrication, les choix de matériaux et les composants impliqués dans la construction de PCB de clavier fiables et fonctionnels, adaptés à des applications spécifiques. L’objectif est de doter les ingénieurs concepteurs de connaissances approfondies pour intégrer efficacement la technologie des PCB à clavier dans les produits électroniques.

Qu'est-ce qu'un PCB clavier ?

Un PCB de clavier fait référence à l'assemblage de circuits imprimés qui sert de base à un clavier électronique. Le PCB abrite et interconnecte tous les commutateurs, capteurs, microcontrôleurs, connecteurs et autres composants actifs/passifs qui composent le système de clavier.

Lorsqu'un utilisateur appuie sur une touche du clavier, il actionne le commutateur correspondant monté sur le PCB ci-dessous. Cette fermeture de commutateur est détectée par l'électronique de commande du clavier et convertie en signaux d'entrée appropriés qui sont communiqués au système hôte connecté avec lequel le clavier est interfacé.

Les PCB de clavier sont fabriqués dans une grande variété de tailles et de configurations en fonction du type d'application de clavier et des facteurs de forme requis. Les PCB de clavier d'ordinateur pleine taille peuvent accueillir plus de 100 touches, tandis que les PCB de clavier mobile compacts peuvent avoir moins de 40 touches dans des encombrements plus petits.

Paramètres du PCB du clavier

Types de PCB de clavier

Il existe plusieurs types de PCB de clavier adaptés à différentes applications :

Circuit imprimé pour clavier mécanique – Utilisé dans les claviers mécaniques qui utilisent des interrupteurs physiques individuels pour chaque touche plutôt que des membranes en caoutchouc. Cela permet d'utiliser des types d'interrupteurs personnalisés pour un meilleur retour tactile.

Circuit imprimé pour clavier de jeu – Optimisé pour le jeu avec des fonctionnalités telles que des zones de rétroéclairage RGB programmables, des touches macro et des matrices de commutateurs anti-ghosting.

Circuit imprimé pour clavier d'ordinateur portable – Compact, fin et conçu pour être intégré dans des boîtiers d'ordinateurs portables et de portables étroits.

Circuit imprimé de clavier ergonomique – Agencement ergonomique conçu pour permettre un positionnement naturel du poignet et un mouvement de frappe optimal afin de réduire la fatigue.

Circuit imprimé flexible pour clavier – Fabriqué sur des substrats fins et flexibles permettant d'enrouler/plier le clavier, ce qui le rend idéal pour les applications portables.

Circuit imprimé pour clavier sans fil – Intègre une connectivité sans fil telle que le Bluetooth pour se connecter aux appareils hôtes sans câbles physiques.

Circuit imprimé du clavier numérique – Comprend uniquement la section du clavier numérique pour les applications financières/PDV nécessitant la saisie de données numériques.

Carte de circuit imprimé pour clavier multimédia – Comporte des touches dédiées au contrôle des applications multimédias, telles que la lecture/pause, le contrôle du volume, etc.

Le choix dépend des besoins en matière de facteur de forme, de fonctionnalité, d'interface et d'environnement d'utilisation.

Considérations de conception pour les PCB de clavier

Plusieurs facteurs clés doivent être pris en compte lors de la conception d'un PCB de clavier optimal :

• Taille et mise en page – La taille du clavier et la disposition des touches doivent correspondre aux exigences en matière d’ergonomie, de format et d’application.
• Type de commutateur – Le bon type de commutateur mécanique fournissant le retour tactile, le profil de force et le clic audible souhaités doit être choisi.
• Disposition de la matrice de commutation – Routage optimal de la matrice de commutation minimisant les images fantômes tout en réduisant la complexité du câblage.
• Interface – Sélection des câbles câblés (PS/2, USB) ou technologie d'interface clavier sans fil (Bluetooth, RF).
• Rétro-éclairage – Inclusion du RVB par touche DEL rétroéclairage pour l’éclairage et l’esthétique.
• Contrôleurs embarqués – Capacités du microcontrôleur pour gérer l’état du clavier, le rétroéclairage, les macros, etc.
• Blindage EMI – Inclusion de boîtiers de blindage mis à la terre et de joints pour réduire les interférences électromagnétiques.
• Personnalisation – Prise en charge du remplacement à chaud des commutateurs, des touches alternatives et de la programmabilité utilisateur.

Un examen attentif de ces paramètres permet d'obtenir un PCB de clavier parfaitement adapté à son application prévue et à ses exigences d'utilisation.

Commutateurs mécaniques utilisés dans les PCB de clavier

 

Les claviers mécaniques utilisent des commutateurs physiques individuels sous chaque touche, par opposition aux membranes en dôme en caoutchouc des claviers moins chers. Ces commutateurs sont disponibles en différents types offrant différentes réponses tactiles et signatures sonores. Les interrupteurs mécaniques courants sont les suivants :

• Printemps – Remet la clé en position de repos après avoir été enfoncée. La force du ressort détermine la résistance ou la force d'actionnement de la clé.
• Potence – Composant mobile fixé au capuchon du clavier qui glisse vers le haut/bas pour établir et rompre le contact électrique.
• Ressort à lames – Établit un contact mobile avec la tige pour compléter le circuit de commutation électrique.
• Housing – Maintient les composants de l’interrupteur ensemble et assure la stabilité mécanique.
• Contacts – Les plages fixes du PCB auxquelles les contacts mobiles se connectent lorsque l'interrupteur se ferme.

La variation des composants internes de l'interrupteur mécanique permet de créer différents profils de force, d'un actionnement léger et linéaire à un actionnement lourd et clic.

Types de commutateurs mécaniques pour circuits imprimés de clavier

Les PCB de clavier peuvent accueillir différents types de commutateurs à clé mécaniques. Les principales catégories sont :

Interrupteurs linéaires – Course linéaire et fluide sans retour tactile ni clic au point d'activation. Parmi les modèles les plus courants : Cherry MX Red, Black, Silver, Nature White, etc.

Interrupteurs tactiles : ils procurent une légère résistance tactile sans clic ni bruit au point d’activation. Exemples : Cherry MX Brown, Clear, Grey, Nature White.

Interrupteurs à clic – Ils produisent à la fois une légère résistance tactile et un clic audible distinctif lors de l'activation. Les interrupteurs à clic courants sont les Cherry MX Blue, Green, Nature White et Kailh Box White.

Interrupteurs silencieux – Conçus pour générer un minimum de bruit, même en cas d'enfoncement complet après activation. Idéaux pour les bureaux en espace ouvert. Les Cherry MX Silent Rouge/Noir sont des interrupteurs linéaires silencieux très appréciés.

Différents utilisateurs préfèrent certains types de commutateurs à clé en fonction de la sensation, du son et de l'expérience de frappe souhaités. Les PCB de clavier peuvent être conçus pour fonctionner avec une grande variété de commutateurs mécaniques spécialisés disponibles.

Styles de montage de commutateurs mécaniques utilisés dans les PCB de clavier

Les commutateurs mécaniques sont disponibles dans deux styles d'orientation – 3 broches et 5 broches – qui dictent la manière dont ils s'interfacent avec le PCB :

Interrupteurs à 3 broches : deux broches sont dédiées aux contacts électriques et une à la fixation. Ils nécessitent un support de plaque supplémentaire ou des circuits imprimés plus épais pour une meilleure stabilité.

Interrupteurs à 5 broches – Comportent deux broches de guidage en plastique supplémentaires pour l'alignement et la stabilité lorsqu'ils sont soudés directement sur le circuit imprimé sans plaque.

Pour les claviers montés sur plaque, les deux types fonctionnent puisque la plaque fournit un support mécanique. Les PCB remplaçables à chaud ne fonctionnent généralement qu'avec des commutateurs à 3 broches.

Les broches supplémentaires peuvent être coupées si un commutateur à 5 broches est utilisé dans une application PCB à clavier à 3 broches. L'orientation n'affecte pas les caractéristiques électriques ou tactiles du commutateur.

Rôle des plaques dans les PCB de clavier

Les plaques sont des feuilles de métal (aluminium, acier) ou de plastique (polycarbonate, acrylique) qui se montent au-dessus du PCB et sous les commutateurs :

• Ils ont des découpes par lesquelles chaque interrupteur à clé dépasse tout en étant fixé à la plaque.
• Les plaques offrent une rigidité structurelle et une résistance à la déformation des interrupteurs sous pression intense.
• Ils garantissent l’alignement des commutateurs et la cohérence de l’espacement sur l’ensemble du clavier.
• Les plaques réduisent la flexion du clavier et améliorent la sensation de frappe.

Les plaques sont obligatoires pour l’intégrité mécanique des claviers de commutation montés sur plaque. Certains claviers montés sur PCB peuvent éventuellement omettre des plaques pour réduire le coût et l'épaisseur.

Construire un PCB de clavier personnalisé

Les passionnés d'électronique peuvent concevoir et construire leurs propres PCB de clavier personnalisés :

Conception schématique – Créez le schéma du circuit du clavier avec des composants tels que microcontrôleur, interrupteurs, LED, etc.

Conception du circuit imprimé – Concevoir le circuit imprimé physique avec les composants disposés et la matrice de commutation définie.

Code du firmware – Écrire la logique du firmware et le code de contrôle de l'éclairage pour le microcontrôleur.

Modélisation 3D – Modélisez le boîtier et la plaque du clavier dans un logiciel de CAO.

Fabrication de circuits imprimés – Faites fabriquer le circuit imprimé conçu et approvisionnez-vous en composants.

Assemblage – Souder les composants tels que les interrupteurs, le contrôleur et les connecteurs sur le circuit imprimé fabriqué.

Mise à jour du firmware – Programmez le firmware de contrôle sur le microcontrôleur.

Tests – Valider les fonctionnalités du clavier avant l'intégration finale.

Intégration du boîtier – Assemblez le clavier dans le boîtier imprimé en 3D ou fabriqué en usine.

Construire un clavier personnalisé est très gratifiant, mais nécessite des compétences importantes en matière de conception, de codage et de fabrication, ainsi qu'un accès aux sources de composants et aux services de fabrication nécessaires.

Composants utilisés dans les PCB de clavier

Les composants clés qui composent un circuit PCB de clavier fonctionnel comprennent :

Alimentation – Les claviers utilisent une alimentation de +5 V ou +3.3 V fournie par leur interface hôte (USB/sans fil). Un régulateur de tension intégré peut également être intégré.

Microcontrôleur – Celui-ci traite les frappes au clavier, gère les effets lumineux, la communication filaire/sans fil, etc. Exemples de microcontrôleurs : Atmega32, RP2040, Elite-C.

Interrupteurs – Interrupteurs à clé mécaniques discrets ou matrices d'interrupteurs à dôme en caoutchouc utilisés pour la saisie utilisateur.

Diodes de commutation – Utilisées pour prévenir les problèmes de fantômes dans la matrice de commutation électrique, permettant ainsi un plus grand nombre de pressions simultanées sur les touches.

Éclairage LED des touches – Incorporez des LED monochromes ou RVB sous chaque touche pour l'éclairage et les effets.

Résistances de rappel – Utilisées pour une commutation fiable et pour éviter les déclenchements intempestifs.

Protection contre les décharges électrostatiques – Protège les composants électroniques de commande sensibles contre les décharges électrostatiques.

Condensateurs de filtrage – Réduisent les interférences électriques sur les lignes de données du clavier.

Interface de communication – Interfaces filaires comme l'USB ou sans fil comme le Bluetooth pour la connectivité avec l'hôte.

Comparaison des PCB de clavier standard et mécanique

Il existe quelques différences notables entre les PCB de clavier à membrane de base et les PCB de clavier mécanique :

• Mécanisme de commutation – Les claviers à membrane utilisent des circuits imprimés sur une membrane flexible qui fléchit lorsqu'on appuie dessus. Les claviers mécaniques ont des commutateurs séparés pour chaque touche.
• Retour tactile – Les claviers à membrane ont un retour tactile minimal avec une sensation douce et pâteuse. Les commutateurs mécaniques fournissent un retour tactile et sonore précis avec une pression nette.
• Personnalisation du commutateur – Les claviers mécaniques permettent d'utiliser différents types de commutateurs spécialisés selon les préférences de l'utilisateur. Les claviers à membrane offrent un minimum de personnalisation ou de choix de commutateurs.
• Durée de vie  – Les commutateurs mécaniques individuels sont conçus pour plus de 50 millions de frappes. Les claviers à membrane s'usent après 5 à 10 millions de pressions, entraînant des pannes.
• Traitement de signal – Les claviers à membrane utilisent une matrice de détection capacitive passive. Les claviers mécaniques utilisent une commutation numérique active nécessitant des diodes.
• Prix – Les PCB de clavier mécanique avec commutateurs discrets coûtent plusieurs fois plus cher que les assemblages de PCB de clavier à membrane.

Dans l’ensemble, les claviers mécaniques offrent une longévité, une personnalisation et une expérience utilisateur supérieures par rapport aux conceptions à membrane.

Tailles courantes des PCB de clavier

Les PCB de clavier sont disponibles en différentes tailles en fonction du nombre de touches incluses. Certaines tailles courantes sont :

• 40 % – Format ultra compact avec touches alpha et quelques signes de ponctuation. Nécessite des combinaisons de touches Fn.
• 60 % – Comprend des touches alpha, des modificateurs, des flèches mais manque de touches de fonction et de navigation. Taille « poker » populaire.
• 65 % – Semblable à 60 % avec des touches fléchées dédiées ajoutées. Utilisé dans certains ordinateurs portables.
• 75 % – Contient des touches alphabétiques, des modificateurs et des touches de fonction mais pas de pavé numérique.
• 80 %/TLC – Tenkeyless sans pavé numérique mais toutes les autres touches présentes.
• 100 % – Tableau pleine grandeur avec pavé numérique intégré et toutes les touches. Format PC le plus courant.

Des tailles de PCB de clavier plus petites sont utilisées pour maximiser la portabilité, tandis que des tailles plus grandes optimisent la productivité. Le contexte de l'application guide la sélection de la taille.

Conception de la disposition du PCB du clavier

La disposition du PCB organise les composants et achemine leur connectivité pour mettre en œuvre le circuit du clavier dans les contraintes physiques réelles :

• COMPOSANTS DE POSITION – Microcontrôleur, connecteurs, commutateurs regroupés fonctionnellement et espacés de manière appropriée.
• MATRIX ROUTING – La matrice de commutation optimisée connectant les lignes/colonnes détecte les pressions sur les touches de manière fiable.
• CIRCUITS DE COMMANDE – Routages haute vitesse de longueur minimale pour le MCU.
• ISOLATION – Éloignez les traces numériques bruyantes des traces analogiques sensibles.
• FACTEUR DE FORME – Les positions des composants correspondent aux contraintes du boîtier externe du clavier.
• APTITUDE À L'ENTRETIEN – Points de test fournis pour valider la fonctionnalité.
• FABRICATION – Processus de fabrication de panneaux à haut rendement pris en compte.

Des configurations de circuits imprimés de clavier bien planifiées minimisent la complexité et la diaphonie tout en étant faciles à fabriquer et à assembler en volume.

Sélection de l'épaisseur de cuivre des PCB pour claviers

L'épaisseur du cuivre du PCB dépend de la capacité de charge de courant requise :

• Les traces de clavier standard ne transportent que de faibles niveaux de signal de courant, donc 1 oz. le cuivre (35 μm) est typique.
• Certains claviers de jeu spécialisés rétroéclairés RVB utilisent des matériaux plus lourds de 2 onces. cuivre (70 μm) pour gérer des courants LED plus élevés sans chutes de tension.
• La largeur et le dégagement maximum autorisés des traces de PCB sont également pris en compte dans la sélection du poids du cuivre.

Dans la plupart des cas, 1 once. le cuivre offre le bon équilibre entre conductivité et fabricabilité pour les PCB de clavier, compte tenu de leurs faibles besoins en énergie.

Styles de montage des commutateurs dans les PCB de clavier

Les commutateurs à clavier mécaniques sont physiquement montés sur le PCB à l'aide de joints soudés ou de prises remplaçables à chaud :

Soudé – Les bornes de l'interrupteur sont soudées directement aux pastilles du circuit imprimé pour assurer la connexion électrique et la fixation mécanique de l'interrupteur. Ce montage offre une fixation permanente et fiable, mais n'est pas amovible.

Connecteur à échange à chaud – Un connecteur à broches est pré-soudé sur le circuit imprimé ; les broches de l’interrupteur s’y insèrent sans soudure. Ce système permet le remplacement rapide des interrupteurs, mais les connecteurs peuvent s’user à force d’insertions.

Les claviers remplaçables à chaud nécessitent une plaque pour renforcer le montage du commutateur, tandis que les claviers soudés peuvent éventuellement omettre la plaque si l'épaisseur est une contrainte. La flexibilité de personnalisation souhaitée guide le choix entre les constructions de circuits imprimés de clavier soudés et remplaçables à chaud.

Sélection du matériau de la plaque PCB du clavier

Les plaques montées sur les PCB du clavier sont généralement construites en utilisant :

Aluminium – Matériau le plus courant pour les plaques de clavier. Offre une grande rigidité pour un poids réduit. Usiné CNC avec une grande précision. Peut être anodisé en différentes couleurs. Coût minimal.

Acier inoxydable – Offre une rigidité mécanique maximale, mais est plus lourd. Faible corrosion et possibilité de personnalisation esthétique (remplissage par peinture, par exemple).

Plaques en laiton – Les plaques en laiton sont réputées pour leur toucher plus doux en fin de course, offrant un léger effet d'amortissement. Elles produisent un son plus grave que les plaques en aluminium et sont souvent choisies pour atténuer le bruit. Leur densité peut toutefois alourdir le clavier.

Fibre de carbone – Option très légère et rigide. Esthétiquement attrayante avec sa finition tissée. Coûte nettement plus cher que l'aluminium.

Acrylique – Option plastique économique. Permet l'utilisation de guides de lumière en bordure lorsqu'il est associé à des LED d'éclairage sous-jacent. Plus flexible que les plaques métalliques.

Plaque FR4 – Les plaques FR4 sont souvent choisies pour les claviers d'entrée de gamme en raison de leur prix abordable. Elles offrent un profil sonore distinct, avec des notes plus graves que les plaques en aluminium. Cependant, il est important de noter que les plaques FR4 ont tendance à atténuer le son global du clavier, ce qui peut réduire sa vivacité.

Plaque acrylique – Les plaques acryliques sont généralement déconseillées, sauf si elles sont suffisamment épaisses. Les plaques acryliques fines présentent un risque de fissures ou d'éclatement. Les plaques acryliques plus épaisses peuvent produire un son plus grave, comparable à celui d'autres plaques en plastique.

Polycarbonate – Une autre alternative plastique offrant une bonne durabilité et une transparence adaptée aux effets lumineux. Procure un retour tactile modéré.

La rigidité structurelle, le poids, la durabilité, le coût et les préférences esthétiques souhaités guident le choix du matériau de la plaque lors de la conception d'un PCB pour clavier.

Processus de production de PCB Kayboard

Test du circuit imprimé du clavier

Paquet de circuit imprimé de clavier

Conclusion

Les PCB pour clavier englobent une gamme diversifiée de technologies adaptées au vaste espace d'application couvrant les domaines grand public, industriels et de niche. Cet article fournit un aperçu global des diverses considérations impliquées dans l'ingénierie de systèmes PCB de clavier optimisés en fonction des exigences contextuelles.

En comprenant les relations d'interdépendance entre les matériaux des circuits imprimés du clavier , les choix des commutateurs mécaniques, les facteurs de disposition et de routage, les capacités du microcontrôleur, les options d'interface et les environnements d'utilisation, les ingénieurs concepteurs peuvent faire des choix judicieux pour créer des claviers personnalisables, performants et fiables.